IMO 2020: O Futuro do Hidrogênio no Marítimo

Joseph DiRenzo, PE • 17 julho 2019

Equipe GGZM na quilha Water-Go-Round cerimônia de colocação. Da esquerda para a direita na imagem: Capitão Joe Burgard, Co-Fundador); John Motlow, vice-presidente de marketing e estratégia; Charlie Walther; Tyler Foster; Rose Dawydiak-Rapagnani; Thomas Escher, co-fundador); e Dan Johnson. Crédito da foto GGZM.

Rendição 3D do Water-Go-Round. Crédito da foto: Incat Crowther

Water-Go-Round keeling cerimônia de colocação. Crédito da foto GGZM

Tecnologia de célula de combustível de hidrogênio para satisfazer os requisitos futuros da IMO
Com um esforço contínuo da comunidade marítima para reduzir as emissões dos navios de acordo com os regulamentos da IMO MARPOL Anexo VI e limitar o teor de enxofre dos navios de 01 de janeiro de 2020 a 0,5% em todo o mundo, muitos proprietários de navios estão começando a considerar a tecnologia de célula a combustível de hidrogênio para satisfazer regulamentos de emissões em evolução. Até hoje, centenas de milhões de dólares foram gastos em programas de pesquisa para utilizar células de combustível de hidrogênio para transporte. Várias potências marítimas, incluindo a União Européia, os Estados Unidos e o Japão, iniciaram programas pilotos para avaliar a viabilidade do hidrogênio marítimo para reduzir as emissões, mantendo a paridade de custos com a tecnologia tradicional de propulsão.

Uma voz de liderança no campo é o Dr. Joseph Pratt, CEO e CTO da Golden Gate Zero Emission Marine (GGZM), que é um especialista internacionalmente reconhecido em hidrogênio marítimo. A GGZM é uma das várias empresas que fazem a transição do estudo de viabilidade para a construção e operação de navios.

Primeiro navio comercial a célula de combustível de hidrogênio na América do Norte
Depois de completar uma cerimônia de lançamento do Water-Go-Round em novembro do ano passado e um lançamento previsto para setembro deste ano, a GGZM está a caminho de se tornar a primeira embarcação comercial de célula a combustível de hidrogênio na América do Norte. O Water-Go-Round será um catamarã de 70 pés construído pela Bay Ship & Yacht Co. capaz de transportar até 84 passageiros na área da baía.

Segundo o Dr. Pratt, uma vez lançado, a embarcação operará na Baía de São Francisco por três meses, enquanto o Sandia National Laboratories, um laboratório nacional na vanguarda da tecnologia de célula de combustível a hidrogênio, realiza testes de desempenho na embarcação e coleta dados. A embarcação carregará um conjunto de tanques de até 242 kg de hidrogênio comprimido a 250 bar (aproximadamente 3600 psi), o que fornecerá combustível suficiente para até 2 dias completos de operação. O Water-Go-Round será impulsionado por dois motores de 300 kW (400 cavalos de potência) com uma bateria de 100 quilowatts-hora para fornecer velocidades de até 22 nós.

Parte do financiamento inicial do projeto Water-Go-Round vem da California Climate Investments, que é um programa de limite e comércio que visa reduzir as emissões de gases do efeito estufa no estado da Califórnia.

O Dr. Pratt comentou que o lançamento bem-sucedido de seu negócio e a construção do Water-Go-Round “demorou muito a ser feito” crescendo organicamente de parcerias que ele desenvolveu enquanto gerenciava o SF-BREEZE e outros estudos no Sandia National. Labs.

“O relatório de viabilidade mostrou que isso poderia ser feito, mas queríamos provar isso. Quando olhamos para o lado comercial [da empresa], vimos uma demanda realmente grande de células de combustível a hidrogênio ”.

Assim que o Water-Go-Round estiver concluído, a GGZM concentrará seus esforços em extrair as lições aprendidas do projeto para desenvolver sistemas de energia de célula de combustível de hidrogênio “prontos para uso” que poderiam ser usados para construção de novas embarcações e adaptações em todo o mundo. .

Dr. Joseph Pratt, CEO / CTO da GGZM. Crédito da foto GGZM “O frango vem em primeiro lugar”
Um dos desafios mais citados é o dilema “galinha e ovo” quando uma tecnologia de propulsão disruptiva entra no mercado marítimo. Os críticos alegarão que os proprietários de navios estão relutantes em implantar novas tecnologias na construção de novas embarcações, como as células a combustível de hidrogênio, até que a infraestrutura portuária esteja em vigor. Eles também alegarão que a infraestrutura portuária não se desenvolverá até que haja uma forte demanda dos donos de navios, criando um dilema de “frango e ovo”.

Para o Dr. Pratt, a resposta é “claramente o frango precisa vir primeiro ... o frango é a prova”.

Observando que os EUA produzem mais de 10 milhões de toneladas métricas de hidrogênio por ano (US DOE), Dr. Pratt acredita que os ingredientes necessários para uma rápida expansão da tecnologia marítima de células de combustível de hidrogênio já existem em muitos países industrializados em todo o mundo.

Ele brincou que, em vez de produzir um número infinito de estudos de viabilidade, era necessário "colocar os barcos na água" para provar à comunidade marítima internacional que a tecnologia do hidrogênio poderia ser economicamente viável.

Dr. Pratt afirma que o maior fator na determinação de quais partes do mundo irão adotar essa tecnologia é “se [os donos de navios] podem obter hidrogênio”. No momento, nem todos os países do mundo têm acesso fácil ao hidrogênio. Além disso, a maioria dos navios necessitará de hidrogênio líquido com base em sua resistência exigida, já que o hidrogênio líquido tem uma densidade de energia consideravelmente maior do que o gás de hidrogênio comprimido. Por causa da rede madura de fornecedores de hidrogênio na América do Norte, o Dr. Pratt acredita que a América do Norte continuará a ser um mercado forte para esse tipo de tecnologia marítima.
Rendição 3D do Water-Go-Round. Crédito da foto Incat Crowther De onde vem o hidrogênio?
Uma distinção importante quando se discute o potencial de redução de emissões da tecnologia de célula de combustível de hidrogênio é a maneira pela qual o hidrogênio é produzido. Métodos como a reforma a vapor e a oxidação parcial produzem hidrogênio usando metano como matéria-prima, geralmente a partir do gás natural. De acordo com o Departamento de Energia dos EUA (DOE), a reforma a vapor e a oxidação parcial do metano produzem hidrogênio combinando vapor de alta temperatura (700 a 1000 ° C) com metano na presença de um catalisador. Um relatório da DNV intitulado Avaliação de Combustíveis e Tecnologias Alternativas Selecionadas aponta que o hidrogênio produzido dessa maneira tem um poço para aquecer as emissões de CO2 equivalentes a 90 gramas por Mega Joule (MJ), o que é mais do que o HFO e o MGO. Na redação deste artigo, a maioria do hidrogênio do mundo é produzido usando esses métodos.
Outro método que está ganhando atenção é o uso de eletrólise para produzir hidrogênio. Durante o processo de eletrólise, a eletricidade é usada para separar a água em hidrogênio e oxigênio.

Isto é conseguido por um número de eletrólitos diferentes, incluindo Membrana de Eletrólito Polimérico (PEM), Eletrólise de Óxido Alcalino e Óxido Sólido, que variam em material, temperatura de produção e como as reações ocorrem dentro do processo. A eletrólise é considerada “verde” quando a eletricidade usada para alimentar o equipamento vem de fontes de energia renováveis, como eólica, solar, nuclear ou biogás.
Embora o projeto Water-Go-Round ainda esteja indeciso sobre seu fornecedor de hidrogênio e seu método associado de produção de hidrogênio, o Dr. Pratt acredita que a adoção de hidrogênio 100% renovável “precisará ocorrer em etapas”. A fim de obter ampla adoção, ele acredita que “a solução tem que ser economicamente viável ... tem que ser impulsionada pelo mercado, não apoiada por iniciativas de financiamento do governo. Atualmente, o hidrogênio renovável é mais caro que o hidrogênio convencional ”.

“Embora o hidrogênio renovável seja o objetivo, ele não fornece uma solução economicamente viável hoje”. A estratégia atual do Dr. Pratt “é começar com o vaso e o hidrogênio convencional, o que pode ser economicamente viável, e depois passar para um conteúdo renovável mais alto, pois isso alcança um nível de custo, tornando-o viável também. Se tentarmos fazer as duas coisas hoje, o efeito geral pode ser um atraso na aceitação da tecnologia em geral ”.

O hidrogênio pode ser econômico?
Ao discutir a viabilidade econômica da tecnologia de célula combustível a hidrogênio no contexto do projeto Water-Go-Round, o Dr. Pratt ressalta que “a principal proposta de valor para as células de combustível a hidrogênio é a redução do custo total da embarcação. Os proprietários de embarcações nunca precisarão fazer um 're-power' completo novamente. Primeiro, você vai de um motor mecânico com centenas de peças móveis para o sistema de estado sólido de uma célula de combustível. Em segundo lugar, no final da vida, você não precisa trocar os motores; em vez disso, você só precisa substituir as células de combustível separadas depois de terem excedido seu ciclo de vida. No geral, isso pode resultar em redução de manutenção e redução do tempo de inatividade ”, o que reduziria, em última análise, as operações globais e os custos de manutenção da embarcação.

Dr. Pratt também observou que uma proposição de valor secundária de mudar para um sistema de célula de combustível de hidrogênio é que a embarcação é muito mais silenciosa do que os motores diesel comparáveis e não tem poluição a bordo. Isso abre muitas possibilidades, por exemplo, os proprietários de navios podem fazer fretamentos não tradicionais para embarcações de passageiros como “cooperar em reuniões” e “excursões na natureza” por causa da redução do ruído e da poluição do ar.

O futuro
Com o projeto Water-Go-Round próximo a sua primeira viagem e outros projetos como o projeto HYSEAS III no Reino Unido ou o projeto HYBRIDskip na Noruega em diferentes estágios de execução, está claro que a tecnologia marítima de hidrogênio está progredindo rapidamente do conceito para criação em escala global. Semelhante à aceitação geral do gás natural liquefeito (GNL) como combustível marítimo, o hidrogênio provavelmente alcançará uma adoção generalizada semelhante. O Dr. Pratt afirma que as células de combustível de hidrogênio se agruparão inicialmente em áreas com controles de emissão mais rigorosos, como a Área de Controle de Emissões estabelecida no Anexo VI da MARPOL, entre embarcações com rota fixa como balsas, rebocadores e comerciantes costeiros. Como a produção de hidrogênio se espalha por todo o mundo, embarcações maiores, com rotas mais variáveis, como navios porta-contêineres, podem começar a adotar essa tecnologia. Observando a economia de escala de um navio porta-contêiner, Dr. Pratt é rápido em notar que "um navio porta-contêiner poderia justificar uma nova instalação de produção de hidrogênio" em um porto sugerindo que a adoção global dessa tecnologia pode estar apenas no horizonte.

Sobre o autor

Joseph DiRenzo é gerente de projetos técnicos e engenheiro profissional com quase 10 anos de experiência marítima na Guarda Costeira dos EUA. Sua última turnê foi no Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Guarda Costeira em New London, CT, onde, entre outros projetos, liderou um estudo de viabilidade sobre o uso de gás natural liquefeito (GNL) para a nova frota de embarcações da Guarda Costeira. Com um forte interesse em tecnologia marítima renovável, ele recebeu uma bolsa Fulbright em 2012 para estudar Tecnologia marítima de gás natural na Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia em Trondheim, Noruega. Ele escreveu vários artigos em publicações comerciais e revistas acadêmicas sobre o uso de GNL no setor marítimo. Durante sua carreira na Guarda Costeira, ele serviu em duas embarcações diferentes, incluindo uma turnê de chefe de departamento como Oficial de Operações, conduzindo uma infinidade de missões marítimas nas duas costas dos Estados Unidos.