Marien onderzoek zou binnenkort mogelijk kunnen zijn zonder het risico van vervuiling van de lucht of de oceaan. Het is te danken aan een nieuw scheepsontwerp en een haalbaarheidsstudie onder leiding van Sandia National Laboratories.

Waterstofbrandstofcellen bestaan ​​al tientallen jaren, en er zijn meerdere voordelen aan het gebruik ervan in plaats van dieselmotoren, specifiek voor het aandrijven van onderzoeksschepen. Brandstofcellen zijn emissievrije technologie, zodat ze geen lucht- of watermonsters verontreinigen die zijn verzameld in gevoelige ecologische gebieden. Ze maken bijna geen geluid, zodat ze het onderwaterleven niet verstoren of interfereren met de vele sensoren die wetenschappers gebruiken om naar geluid in de oceaan te luisteren.

Ondanks deze en vele andere voordelen, de haalbaarheid van een op waterstof aangedreven onderzoeksschip is nooit onderzocht of bewezen. Tot nu. Een Sandia-rapport dat deze maand is vrijgegeven, toont aan dat het technisch en economisch haalbaar is om een ​​dergelijk schip te bouwen op een manier die in overeenstemming is met de maritieme regelgeving. Het projectteam noemde het schip de "Zero-V, " staat voor zero-emissions research vessel.

Dit project, onder leiding van Sandia, bracht de Scripps Institution of Oceanography samen aan de Universiteit van Californië, San Diego, Glosten, een scheepsarchitectenbureau; en DNVGL, een wereldwijd bedrijf voor kwaliteitsborging en risicobeheer dat werkt voor de maritieme industrie. Het werd gefinancierd door het Department of Transportation's Maritime Administration (MARAD).

Een van de grootste extra voordelen van het gebruik van waterstof om een ​​boot aan te drijven? Geen ecologisch schadelijke brandstofverspilling. Volgens Sandia-chemicus en projectleider Lennie Klebanoff, het is onmogelijk om vervuilende waterstof op het water te krijgen. Drijvender dan helium, waterstof stijgt vanzelf op en ontsnapt uiteindelijk de ruimte in.

"Als je in een kwetsbaar ecologisch gebied werkt en daar vloeibare waterstof morst, de brandstof onttrekt zich niet alleen aan deze omgeving, het verwijdert zichzelf van de planeet, ' zei Klebanoff.

Brandstofcellen genereren zelfs water dat zo zuiver is dat de bemanning van het schip het kan drinken (met conditionering), of gebruik het voor wetenschappelijke experimenten, vermindering van de noodzaak tot ontzilting van zeewater (dat momenteel veel energie verbruikt). Ook, brandstofcellen zijn elektrische apparaten, en als zodanig, ze bieden een snellere vermogensrespons dan verbrandingsmotoren.

Sandia's expertise op dit gebied komt voort uit een portfolio van waterstofprojecten, wiens doel het is om efficiënte transportoplossingen te ontwikkelen met schone huisbrandstoffen. Sandia's rol was om het project te leiden, kies het soort brandstofcel dat u wilt gebruiken, de methode voor het opslaan van waterstof en het verstrekken van informatie over de veiligheidsgerelateerde eigenschappen van waterstof aan de Amerikaanse kustwacht en de regulerende partner DNV GL.

Zeilen op de wind van eerder succes

Het Zero-V-project is voortgekomen uit eerder Sandia-werk aan de SF-BREEZE, een door waterstof aangedreven passagiersveerboot ontworpen om te opereren in de baai van San Francisco.

Kleine pleziervaartuigen op waterstof, gemaakt voor zeer korte afstanden, bestonden al. Maar voorafgaand aan de SF-BREEZE, er was geen project geweest dat zowel naar de technische als de economische haalbaarheid van het aandrijven van grote, snelle commerciële boten met waterstof, volgens Joe Pratt, die het SF-BREEZE-project voor Sandia leidde.

"Totdat we de SF-BREEZE deden, heel weinig mensen dachten dat je een echt schip kon aandrijven, een zakelijke onderneming, op waterstof als brandstofcel, "Zei Pratt. "Naast te bewijzen dat het technisch mogelijk was, we moesten laten zien dat het economisch zou uitkomen, zodat het een kans zou hebben om naar de markt te gaan."

Gebaseerd op de SF-BREEZE en ander gerelateerd werk, Pratt ging zo sterk geloven in het commerciële potentieel van waterstof dat hij Sandia verliet om Golden Gate Zero Emission Marine te beginnen. Het bedrijf bouwt aandrijflijnen voor waterstofbrandstofcellen voor de maritieme markt.

Het SF-BREEZE-ontwerp biedt plaats aan 150 passagiers op vier rondreizen van 50 mijl in de Baai van San Francisco per dag met een topsnelheid van 35 knopen (ongeveer 39 mijl per uur). Om ervoor te zorgen dat de veerboot die snelheid kon halen, moest een 100-voet, iets langer dan normaal catamaranontwerp.

Alle planelementen, inclusief scheepsontwerp, gewichtsverdeling, en de tankopties moesten opnieuw worden geëvalueerd voor de Zero-V.

"In plaats van snel te gaan voor korte periodes en veel mensen te vervoeren, het onderzoeksschip vaart veel langere afstanden langzamer, vervoert minder mensen en moet de werking van gevoelige wetenschappelijke instrumenten mogelijk maken, " legde Klebanoff uit. Of met andere woorden, "Het onderzoeksschip is een ander dier dan een passagiersveerboot, " hij zei.

Navigeren rond ontwerpuitdagingen

Tijdens het werken aan de SF-BREEZE, Pratt en Klebanoff benaderden de Scripps Institution of Oceanography om te zien of onderzoekers daar interesse hadden in een door waterstof aangedreven schip. Zij waren, als de Zero-V taken zou kunnen uitvoeren die routine zijn voor oceaanonderzoeksmissies, zoals studies over mariene ecosystemen, fysieke oceanografie, tsunami-risico en oceaanchemieonderzoek.

Om apparatuur op de oceaanbodem in kaart te brengen of te installeren, moet een schip gedurende lange perioden stabiel zijn op één punt, zelfs als er wind of golven zijn. Glosten stelde vast dat met behulp van voortstuwingsinrichtingen die in elke zijromp zijn geïnstalleerd, de Zero-V in staat zou zijn zijn positie te behouden met meer dan 25 knopen wind en golven uit elke richting.

Terwijl de SF-BREEZE na 100 mijl moet worden getankt, de Zero-V moet minimaal 2 gaan, 400 mijl of 15 dagen voordat u moet tanken; genoeg om van San Diego naar Hawaï te komen. Gezien de grote afstanden die het moet afleggen, een tankterminal op één centrale plek is niet nodig.

Het Sandia-team vond een innovatieve aanpak waarmee leveranciers van vloeibare waterstof brandstoftrucks rechtstreeks naar het schip kunnen rijden in de aanloophavens. Dus, de Zero-V zou weinig investeringen vergen in de brandstofinfrastructuur.

Naast de bovengenoemde eisen,

Sean Caughlan van Glosten zei dat hij een manier vond om de zware waterstoftanks op te slaan terwijl hij plaats bood aan ten minste 18 wetenschappers, 11 bemanningsleden en drie laboratoria was een uitdaging. Een deel van de oplossing was het selecteren van een trimaran-bootontwerp. Een trimaran heeft drie parallelle rompen, en wordt meestal gebruikt voor snelle boten. Het ontwerp biedt bovendeks veel ruimte voor de tanks, en voldoende ruimte benedendeks voor andere wetenschappelijke instrumenten en machines.

In de richting van eerlijke wind en volgende zeeën

Het team ontwierp de Zero-V met behulp van bewezen, in de handel verkrijgbare waterstoftechnologie, zodat ze er zeker van konden zijn dat het zou werken. Eenmaal klaar, het ontwerp van het schip is beoordeeld door DNV GL en de Amerikaanse kustwacht. Beide regelgevende instanties kwamen onafhankelijk van elkaar tot dezelfde conclusie:er zijn geen "show-stopping" technische problemen met het Zero-V-ontwerp.

In feite, DNV GL waterstofexpert Gerd Petra Haugom zegt dat het Zero-V-ontwerp een essentieel begrip toont van de veiligheidsgerelateerde eigenschappen van waterstof, en hoe het veilig en betrouwbaar op een vaartuig kan worden gebruikt. "Dit project was een goede test van onze eigen regels en de alternatieve ontwerpaanpak voor het gebruik van waterstof en brandstofcellen, " zei ze. "De resultaten van de Zero-V zullen deel uitmaken van een benchmark om onze beoordeling van vergelijkbare schepen in de toekomst te sturen."

Met een solide ontwerp op zijn plaats, de volgende stap voor de Zero-V is het vinden van de financiering om het te bouwen. In vergelijking met dieselaangedreven onderzoeksschepen, de Zero-V heeft vergelijkbare kapitaalkosten, maar zou ongeveer 7 procent meer kosten om te bedienen en te onderhouden. Gezien de voordelen ervan - veel stiller, geen uitstoot en geen risico op vervuilende brandstoflozingen - Bruce Appelgate, die toezicht houdt op de Scripps-vloot, hoopt dat gelijkgestemde donateurs het project zullen steunen.

"Net als andere baanbrekende ideeën, deze aanpak lijkt in eerste instantie duur. Maar zonne-energie was niet zo lang geleden erg duur, en nu is het betaalbaar en algemeen aanvaard. Waterstofbrandstofcellen zijn net zo'n transformatieve technologie. Ze produceren schone, stil, niet-vervuilende kracht voor schepen en tegelijkertijd superieure wetenschappelijke mogelijkheden, Applegate zei. "De bouw en exploitatie van de Zero-V zal de Amerikaanse transporttechnologie op zee aanzienlijk vooruithelpen."