燃料電池：業界はゼロエミッションとの競争において選択肢を検討

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Domenic Carlucci、機械・電気・制御技術担当ABSマネージャ

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ABSとサンディア国立研究所を含む海事コンソーシアムは最近、環境に敏感なサンフランシスコ湾地域での作業用に設計された水素燃料電池フェリーの実行可能性を証明した。

来年の初めに船舶用燃料中の硫黄分を制限するというIMOの義務は、ダブルハルが必要とされて以来の最大の規制変更であるかもしれませんが、温室効果ガスを削減するという将来の目標と比べて課題は薄れます。 GHG）。

1年前（2018年4月）、IMOは、2030年までに1トン当たりのCO2排出量を最低40％削減し、2050年までに出荷からGHG排出量を50％削減するという暫定戦略に合意しました。そしてその目標を知らせ、船舶からの排出量データの強制収集は1月に始まった。 IMOの最終戦略は2023年に発表される予定です。当面の間、4回目のGHG研究を発表し、業界の排出量に関するデータを収集してから3年間の調査結果の分析と報告を約束します。

海運からの排出量を削減するための世界的に義務付けられている目標は、まだ最も野心的なものです。新しい燃料の創出とそれに代わる推進形態。運用上の変更そしてデジタル技術の応用。これらの目標は新しい技術の開発なしには達成されそうもないので、産業界と政府は研究開発のためにそれらが利用可能にする資源を拡大する必要があるでしょう。

可能性のある技術
船上でのエネルギー生成の見込みがある一つの分野は燃料電池である。燃料電池は現在、工業地域、住宅用および商業用の建物だけでなく、遠隔地で電力を供給するためなど、さまざまな土地用途で使用されている。特に水素燃料電池からのエネルギーは、市営バス、電車、大型トラックなどの陸上輸送車両やフォークリフトなどの産業用機器にすでに使用されています。

潜水艦は水素燃料電池を使用するハイブリッド推進ユニットで最近建設されていますが、商業輸送部門での使用は補助目的に限られていました。燃料電池は船上の熱と電力を供給できます。クルーズ船 - そして「コールドアイロン」は、停泊中に船舶がエンジンを停止させることができる代替の陸上電源を提供し、排出量を削減します。

さらに、小型旅客フェリーや他の近海船への適用を調査するために、海事部門では多くの研究と試作が行われてきました。サンディア国立研究所との提携により、ABSは最近、サンフランシスコのベイエリアで使用するための高速水素燃料フェリーの実現可能性を確認した。それとは別に、昨年末ノルウェーは、水素で動く高速フェリーと短海貨物船の建設のための資金を提供しました。

可能性と課題
水素燃料電池技術は、新興の電池式オプションと比較した場合、比較的迅速な燃料補給で、工業規模で信頼性の高い長距離電力を提供する可能性がある。水素自体は電池よりもエネルギー密度が高いため、伝統的な燃料補給推進ユニットの交換または補充を検討しているオペレータにとって、燃料電池システムをより実用的にする可能性があります。

しかしながら、水素の供給はエネルギー集約的であり得る。再生可能に生成された水素を取り込まない限り、メタンまたは同様のプロセスによって生成された水素が温室効果ガスに与える影響はごくわずかです。また、深海の海洋燃料として水素を採用することは、安全率が考慮される前でさえも、問題がないわけではありません。

貨物の輸送が主眼となっているグローバルな船積みに適したものになる前にそれらがどのように成熟する必要があるかをよりよく理解するために、燃料電池を含む様々なエネルギー源のエネルギー密度を比較することは重要です。一般に、燃料電池システムはより少ないメンテナンス（潜在的により低いメンテナンスコストを提供する）および長い耐用年数を必要とする。それらはまた、現在の重油発電所よりも騒音が少なく、乗組員にとってより快適な作業環境と周囲の海洋生物にとってのより少ない混乱に貢献します。

ディーゼルと組み合わせたハイブリッド推進ソリューションに対する燃料電池システムの適合性は、幅広い実績があります。しかしおそらく最も重要なのは、2030年と2050年にIMO排出量規制への道を模索する積極的な所有者にとって、水素燃料電池システムはゼロのGHGを生成するでしょう。エネルギー生産からの唯一の副産物は水です。もう1つの重要な課題は、世界規模の大型船ネットワークに必要な大量の生産と配給が可能な水素配給システムを海洋産業が開発することです。

製油所は代替燃料の普及に伴う需要の増加に対応するために製造プロセスを調整していますが、海運業界が燃料電池を利用する電力システムを広く採用するのに十分な自信を感じる前に供給ネットワークを成熟させる必要があります。発電技術として、燃料電池は比較的成熟している。船主は、この技術を「将来の燃料」以上のものと捉え、代わりに自国の艦隊の二酸化炭素排出量を削減し、より持続可能な未来を目指して行動するため、海洋産業に対する現在の利点を認識したいと思うかもしれません。

燃料電池システムの仕組み
燃料電池は、燃料と酸素または他の酸化剤との電気化学反応を介して、燃料からの化学エネルギーを電気に変換する装置である。電池とは異なり、燃料電池は化学反応を持続させるために（通常は空気からの）燃料と酸素の連続供給源を必要としますが、電池からのエネルギーの利用可能性はそれが蓄えたエネルギー量によって決まります。燃料電池は、燃料と酸素が供給されている限り、継続的に発電することができます。

燃料電池には多くの種類の設計があります。大部分は、アノード、カソード、および陽イオンとして知られている水素イオンを燃料電池のアノード側からカソード側に移動させることができる電解質からなる。

安全性と新たな規制
現在、燃料電池設備に規範的要件を規定するIMO規制はありません。彼らは開発中です。これらの開発は低引火点燃料要求の延長として検討されている。水素、メタン、その他の「空気よりも軽い」燃料、またはプロパン（空気より重い）などの気体燃料に関する安全上の問題では、爆発の危険がある危険区域の形成を防ぐために換気用の特別な取り決めが必要です。 。

多くの燃料電池にとって、非水素供給は、燃料電池への導入の前に水素および他の副生成物に外部で改質される。そのため、改質器から燃料電池までの燃料システムの水素部分は、慎重な設計検討と機能を必要とします。
海上および海上資産のための燃料電池設備の安全性および運用上の見直しは、主にIMO船舶規制、IACS要件、適用可能な工業規格ならびに燃料電池システムの特定の設計および構成に基づく規則またはガイドと組み合わせたリスクベースの研究に依存。

IGFコードとして知られている、ガスまたは他の低引火点燃料を使用する船舶の国際安全コードは、現在、燃料電池システムの要件に対処するために改訂されています。産業界では、これが現在の安全上の課題を解決すると期待されています。
業界がますます燃料電池システムを採用するにつれてより安全で持続可能な慣行を支援し促進するために、ABSはまもなく推進力およびその他の補助的用途を含む技術の海洋用途に関する燃料電池ガイドを発行する予定です。それは、他の気体燃料と将来の技術的なアップグレードを含むのに十分柔軟な形式で燃料電池システムのアプリケーションへの構造化されたアプローチを提供するでしょう。

より厳格な規制が業界の流れをより持続可能な未来へとシフトさせる中で、船主はいくつかの困難な環境上の決定に直面しています。 2030年までに船舶からのCO2排出量を最低40％削減する。 2050年までにGHG排出量を50％削減する。また、地方自治体や中央政府によって設定された、さらにもっと野心的な目標もあります。

解決策を提供する上で燃料電池が何らかの役割を果たすことができるのであれば、彼らが何を検討するようになるかは検討の時間になるかもしれません。

Carlucci氏は現在、機械・電気・制御技術のABSマネージャです。 2008年にABSに入社して以来、Carlucciは資産の完全性管理、ライフサイクルのリスクと信頼性、設計と計画の見直し、および製品とサービスの開発においていくつかの上級職を務めてきました。 Carlucciは、海洋および海洋産業での豊富な経験を持ち、ハイブリッド電源アプリケーション、船舶システムの運用と保守、システム設計、リスクと信頼性の分析（FMEA、RCM）、および状態/性能監視を専門としています。彼は米海軍で原子力訓練を受けた地上戦士官を務めた。 Carlucci氏は、Duke大学で機械工学の理学士号を、ヒューストン大学で経営管理の修士号を取得しています。

この記事は、 MarineNewsマガジンの2019年3月印刷版に初めて掲載されました。