Células de combustível: indústria examina opções em corrida para zero emissões

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Domenic Carlucci, Gerente de ABS para Tecnologia de Maquinaria, Elétrica e Controles

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Um consórcio marítimo, incluindo ABS e Sandia National Laboratories, provou recentemente a viabilidade de uma balsa de célula de combustível a hidrogênio projetada para operações na área ambientalmente sensível da Baía de São Francisco.

O mandato da OMI para limitar o teor de enxofre no combustível marítimo no início do próximo ano pode ser a maior mudança regulatória nos embarques desde a exigência de cascos duplos, mas o desafio desaparecerá em comparação com suas metas futuras de reduzir gases de efeito estufa ( GHG).

Há um ano (abril de 2018), a IMO concordou com uma estratégia preliminar que visava uma redução mínima de 40% nas emissões de CO2 em uma milha de tonelada de carga até 2030, e uma redução de 50% nas emissões de gases do efeito estufa até 2050. e informar esse objetivo, a coleta obrigatória de dados de emissões dos navios teve início em janeiro. A estratégia final da OMI será revelada em 2023. Nesse ínterim, compromete-se a lançar seu quarto estudo de GEE e analisar e relatar as descobertas de três anos de coleta de dados sobre as emissões do setor.

As metas globais obrigatórias para reduzir as emissões dos navios são as mais ambiciosas até agora: elas exigirão medidas que combinem melhorias no projeto de navios; a criação de novos combustíveis e formas alternativas de propulsão; mudanças operacionais; e a aplicação da tecnologia digital. Como é improvável que essas metas sejam alcançadas sem o desenvolvimento de novas tecnologias, a indústria e os governos precisarão expandir os recursos que disponibilizam para pesquisa e desenvolvimento.

Uma tecnologia com potencial
Uma área promissora para a geração de energia a bordo de navios são as células de combustível. As células de combustível são atualmente usadas em uma variedade de aplicações terrestres, como para fornecer energia em áreas remotas, bem como para edifícios industriais, residenciais e comerciais. A energia das células a combustível de hidrogênio, em particular, já é usada em veículos terrestres de transporte, como ônibus municipais, trens e caminhões pesados, bem como para equipamentos industriais, como empilhadeiras.

Embora os submarinos tenham sido construídos recentemente com unidades de propulsão híbrida usando células de combustível de hidrogênio, seu uso no setor de transporte comercial tem sido limitado a propósitos auxiliares: células de combustível podem fornecer calor e energia a bordo - incluindo energia de "hotel", como a requerida navios de cruzeiro - e 'engomar a frio', fornecendo uma fonte de energia alternativa à beira-mar que permite que os navios desliguem seus motores enquanto atracam, diminuindo a emissão de emissões.

Além disso, tem havido muita pesquisa e prototipagem no setor marítimo para investigar aplicações em pequenas balsas de passageiros e outras embarcações de curta distância. A ABS, em parceria com Sandia National Laboratories, confirmou recentemente a viabilidade de balsas de alta velocidade movidas a hidrogênio para uso na área da Baía de São Francisco. Separadamente, a Noruega financiou no ano passado o financiamento para a construção de uma balsa de alta velocidade movida a hidrogênio e um cargueiro de curta distância.

Potencial e Desafios
A tecnologia de células a combustível de hidrogênio tem o potencial de oferecer energia confiável e de longo alcance em escala industrial, com reabastecimento relativamente rápido quando comparada às opções emergentes movidas a bateria. O hidrogênio em si tem maior densidade de energia do que as baterias, tornando os sistemas de célula de combustível mais práticos para os operadores que buscam substituir ou suplementar as unidades tradicionais de propulsão abastecidas por bunker.

No entanto, o fornecimento de hidrogênio pode ser intensivo em energia. Sem a incorporação de hidrogênio gerado de forma renovável, o impacto líquido no gás de GEE para o hidrogênio produzido por metano ou processos semelhantes é insignificante. Além disso, a adoção do hidrogênio como combustível naval de alto mar não é isenta de desafios, mesmo antes que fatores de segurança sejam considerados.

É importante comparar a densidade de energia de diferentes fontes de energia - incluindo as células de combustível - para entender melhor como elas precisam amadurecer antes que elas sejam adequadas para o transporte global, onde o transporte de carga é o foco principal. Em geral, os sistemas de célula de combustível exigem menos manutenção (potencialmente oferecendo menores custos de manutenção) e longa vida útil. Eles também geram menos ruído do que as atuais usinas de óleo pesado, contribuindo para um ambiente de trabalho mais confortável para a tripulação e menos perturbações para a vida marinha ao redor.

A adequação dos sistemas de célula de combustível para soluções de propulsão híbrida - juntamente com o diesel - tem um extenso histórico. Mas talvez o mais importante para os proprietários proativos que procuram um caminho para a conformidade com as emissões da IMO em 2030 e 2050, os sistemas de célula de combustível de hidrogênio gerariam GEE zero; seu único subproduto da geração de energia é a água. Outro desafio importante será a indústria naval desenvolver um sistema de distribuição de hidrogênio capaz de produzir e distribuir as quantidades significativas necessárias para uma rede global de grandes navios.

As refinarias estão ajustando seus processos de produção para acomodar os aumentos na demanda, à medida que os combustíveis alternativos ganham popularidade, mas as redes de abastecimento precisarão amadurecer antes que a indústria marítima se sinta confiante o bastante para adotar amplamente sistemas de energia que utilizem células de combustível. Como uma tecnologia de geração de energia, as células de combustível são comparativamente maduras. Os donos de navios podem querer olhar para a tecnologia como algo mais do que um "combustível futuro" e, em vez disso, reconhecer seus benefícios atuais para a indústria naval, pois reduzem as pegadas de carbono de suas frotas e caminham rumo a um futuro mais sustentável.

Como funcionam os sistemas de células de combustível
Uma célula de combustível é um dispositivo que converte a energia química de um combustível em eletricidade por meio de uma reação eletroquímica do combustível com oxigênio ou outros agentes oxidantes. Eles diferem das baterias em que as células de combustível exigem uma fonte contínua de combustível e oxigênio (geralmente do ar) para sustentar a reação química, enquanto a disponibilidade de energia de uma bateria é fixada pela quantidade de energia que armazenou. As células de combustível podem produzir eletricidade continuamente enquanto o combustível e o oxigênio forem fornecidos a eles.

Existem muitos tipos de projetos para células de combustível. A maioria consiste em um ânodo, cátodo e um eletrólito que permite que íons de hidrogênio carregados positivamente (conhecidos como prótons) se movam do anodo para o lado do cátodo da célula de combustível.

Segurança e regulamentação emergente
Atualmente, não há regulamentações da OMI para fornecer requisitos prescritivos para instalações de células de combustível; eles estão em processo de desenvolvimento. Esses desenvolvimentos estão sendo revisados como uma extensão dos requisitos de combustível com baixo ponto de fulgor. Questões de segurança relativas a combustíveis gasosos como hidrogênio, metano e outros combustíveis “mais leves que o ar”, ou propano (que é mais pesado que o ar), precisam de arranjos especiais para ventilação para prevenir a formação de áreas perigosas que são propensas a explosão .

Para muitas células de combustível, o suprimento de não hidrogênio é reformado externamente para o hidrogênio e outros subprodutos antes da introdução na célula de combustível. Portanto, a porção de hidrogênio do sistema de combustível - do reformador à célula de combustível - precisa de consideração e características de projeto cuidadosas.
As revisões operacionais e de segurança de instalações de célula de combustível para ativos marítimos e offshore dependem principalmente de estudos baseados em risco em combinação com regulamentos de embarcações da IMO, requisitos IACS, padrões industriais aplicáveis e Regras ou Guias baseados no projeto e configuração particular do sistema de célula de combustível. .

O Código Internacional de Segurança para Navios que Utilizam Gases ou Outros Combustíveis com Poucos Pontos de Fulgor, conhecido como Código IGF, está sendo revisado para atender aos requisitos para sistemas de célula de combustível; A indústria espera que isso ajude com os atuais desafios de segurança.
Para apoiar e promover uma prática mais segura e sustentável à medida que a indústria adota cada vez mais sistemas de célula de combustível, a ABS publicará em breve um Guia de Célula de Combustível para aplicações marítimas na tecnologia, incluindo propulsão e outros usos auxiliares. Ele oferecerá uma abordagem estruturada para a aplicação de sistemas de célula de combustível em um formato que seja flexível o suficiente para incluir outros combustíveis gasosos e quaisquer atualizações tecnológicas futuras.

Os armadores estão enfrentando algumas decisões ambientais desafiadoras à medida que regulamentações mais rigorosas mudam o curso de sua indústria para um futuro mais sustentável: um limite de 0,5% de enxofre no combustível até o final deste ano; uma redução mínima de 40% nas emissões de CO2 dos navios até 2030; redução de 50% na produção de GEE até 2050; e, potencialmente, metas ainda mais ambiciosas estabelecidas por governos regionais e nacionais.

Talvez seja hora de começar a considerar o que seria se algum papel desempenhado pelas células de combustível pudesse proporcionar uma solução.

O Sr. Carlucci é atualmente o Gerente de ABS para Tecnologia de Maquinário, Elétrica e Controles. Desde que ingressou na ABS em 2008, Carlucci ocupou vários cargos seniores em gerenciamento de integridade de ativos, risco e confiabilidade de ciclo de vida, revisão de projeto e plano e desenvolvimento de produtos e serviços. Com vasta experiência nos setores marítimo e offshore, a experiência da Carlucci inclui: aplicações de energia híbrida, operações e manutenção de sistemas de navios, projetos de sistemas, análise de risco e confiabilidade (FMEA, RCM) e monitoramento de condição / desempenho. Ele serviu na Marinha dos EUA como Oficial de Guerra de Superfície treinado em Nuclear. O Sr. Carlucci recebeu seu bacharelado em engenharia mecânica pela Duke University e um mestrado em administração de empresas pela University of Houston.

Este artigo apareceu pela primeira vez na edição impressa de março de 2019 da revista MarineNews .