Marin forskning kan snart vara möjlig utan risken att förorena vare sig luften eller havet. Det är tack vare en ny fartygsdesign och genomförbarhetsstudie som leds av Sandia National Laboratories.

Vätebränsleceller har funnits i decennier, och det finns flera fördelar med att använda dem istället för dieselmotorer specifikt för att driva forskningsfartyg. Bränsleceller är nollutsläppsteknik, så att de inte förorenar luft- eller vattenprover som samlats i känsliga ekologiska områden. De låter nästan inget, så att de inte kommer att störa marint liv eller störa de många sensorer forskare använder för att lyssna på ljud i havet.

Trots dessa och många andra fördelar, genomförbarheten av ett vätgasdrivet forskningsfartyg har aldrig studerats eller bevisats. Tills nu. En Sandia -rapport som släpptes denna månad visar att det är tekniskt och ekonomiskt genomförbart att bygga ett sådant fartyg på ett sätt som överensstämmer med marina regler. Projektgruppen kallade fartyget "Zero-V, "kort för nollutsläppsforskningsfartyg.

Det här projektet, ledd av Sandia, sammanförde Scripps Institution of Oceanography vid University of California, San Diego, Glosten, ett marinarkitektfirma; och DNV GL, ett globalt kvalitetssäkrings- och riskhanteringsföretag som arbetar för sjöfartsindustrin. Det finansierades av Department of Transportation's Maritime Administration (MARAD).

En av de största ytterligare fördelarna med att använda väte för att driva en båt? Inga ekologiskt skadliga bränslespill. Enligt Sandia kemist och projektledare Lennie Klebanoff, det är omöjligt att ha ett förorenande vätgasutsläpp på vattnet. Mer flytande än helium, väte stiger av sig själv och rymmer så småningom ut i rymden.

"Om du arbetar i ett känsligt ekologiskt område och spolar vätska där, bränslet tar inte bara bort sig från denna miljö, det tar bort sig från planeten, Sa Klebanoff.

Bränsleceller genererar till och med vatten så rent att fartygets besättning kan dricka det (med konditionering), eller använda den för vetenskapliga experiment, minska behovet av att avsalta havsvatten (som för närvarande förbrukar stora mängder energi). Också, bränsleceller är elektriska enheter, och som sådan, de erbjuder en snabbare effektrespons än förbränningsmotorer.

Sandias expertis inom detta område härrör från en portfölj av väteprojekt, vars mål är att utveckla effektiva transportlösningar med rena inhemska bränslen. Sandias roll var att leda projektet, välj vilken typ av bränslecell som ska användas, metoden att lagra vätet och ge information om vätesäkerhetsrelaterade egenskaper till U.S. Coast Guard och tillsynspartnern DNV GL.

Segling på vindarna av tidigare framgångar

Zero-V-projektet utvecklades från tidigare Sandia-arbete med SF-BREEZE, en vätgasdriven passagerarfärja avsedd att trafikera i San Francisco Bay.

Små vätgasdrivna fritidsbåtar gjorda för mycket korta avstånd fanns redan. Men innan SF-BREEZE, det hade inte funnits ett projekt som tittade på den tekniska och ekonomiska genomförbarheten för att driva stora, snabba kommersiella båtar med väte, enligt Joe Pratt, som ledde SF-BREEZE-projektet för Sandia.

"Tills vi gjorde SF-BREEZE, väldigt få människor trodde att du kunde driva ett riktigt fartyg, ett affärsföretag, om vätebränslecellkraft, "Pratt sa." Förutom att bevisa att det var tekniskt möjligt, vi var tvungna att visa att det skulle penna ut ekonomiskt, så att det skulle ha en chans att gå ut på marknaden. "

Baserat på SF-BREEZE och annat relaterat arbete, Pratt kom att tro så starkt på vätgas kommersiella potential att han lämnade Sandia för att starta Golden Gate Zero Emission Marine. Företaget bygger drivmedel för vätgasbränsleceller för den marina marknaden.

SF-BREEZE-designen rymmer 150 passagerare på fyra 50-mils rundturer i San Francisco Bay per dag medan de reser med en toppfart på 35 knop (ungefär 39 miles per timme). Att se till att färjan kunde nå den hastigheten innebar att man antog en 100 fot, något längre än vanligt katamaran design.

Alla planelement, inklusive fartygsdesign, viktfördelning, och tankningsalternativ måste omvärderas för Zero-V.

"Istället för att gå snabbt under korta perioder och bära många människor, forskningsfartyget går långsammare under mycket längre sträckor, bär färre människor och måste tillåta drift av känslig vetenskaplig instrumentering, "Förklarade Klebanoff. Eller med andra ord, "Forskningsfartyget är ett annat djur än en passagerarfärja, " han sa.

Navigera runt designutmaningar

Under arbetet med SF-BREEZE, Pratt och Klebanoff kontaktade Scripps Institution of Oceanography för att se om forskare där var intresserade av ett vätgasdrivet fartyg. De var, om Zero-V skulle kunna slutföra uppgifter som är rutinmässiga för havsgående forskningsuppdrag, såsom marina ekosystemstudier, fysisk oceanografi, tsunamirisk och havskemisk forskning.

Kartläggning eller installation av utrustning på havsbotten kräver att ett fartyg är stabilt över en enda punkt under långa perioder, även om det är vind eller vågor. Glosten bestämde att hjälp av framdrivningsanordningar installerade i varje sidoskrov skulle göra det möjligt för Zero-V att behålla sin position med mer än 25 knop vind och vågor från alla håll.

Medan SF-BREEZE kräver tankning efter 100 miles, Zero-V måste gå minst 2, 400 miles eller 15 dagar innan du behöver tanka; tillräckligt för att komma från San Diego till Hawaii. Med tanke på de stora avstånden den behöver för att resa, en tankningsterminal på en central plats är inte det som behövs.

Sandia -teamet hittade ett innovativt tillvägagångssätt som gör det möjligt för leverantörer av flytande väte att köra bränslebilar direkt till fartyget vid anlöpshamnar. Således, noll-V skulle kräva små investeringar i drivande infrastruktur.

Utöver de ovannämnda kraven,

Glostens Sean Caughlan sa att hitta ett sätt att lagra de tunga vätetankarna samtidigt som det rymmer minst 18 forskare, 11 besättningsmedlemmar och tre laboratorier var en utmaning. En del av lösningen var att välja en trimaranbåtdesign. En trimaran har tre parallella skrov, och används vanligtvis för höghastighetsbåtar. Designen erbjuder mycket utrymme över däck för tankarna, och tillräckligt med utrymme under däck för annan vetenskaplig instrumentering och maskiner.

Mot rättvisa vindar och efter hav

Teamet designade Zero-V med hjälp av beprövade, kommersiellt tillgänglig väte teknik så att de kunde vara säkra på att det skulle fungera. När den är klar, fartygets design granskades av DNV GL och U.S. Coast Guard. Båda tillsynsorganen kom oberoende till samma slutsats:det finns inga "show-stoppande" tekniska problem med Zero-V-designen.

Faktiskt, DNV GL-väteexperten Gerd Petra Haugom säger att Zero-V-designen visar en väsentlig förståelse för vätesäkerhetsrelaterade egenskaper, och hur det kan användas säkert och säkert på ett fartyg. "Detta projekt har varit ett bra test av våra egna regler och den alternativa designmetoden för användning av väte och bränsleceller, "sa hon." Resultaten från Zero-V kommer att vara en del av ett riktmärke för att vägleda vår bedömning av liknande fartyg i framtiden. "

Med en gedigen design på plats, nästa steg för Zero-V är att hitta finansiering för att bygga den. Jämfört med dieseldrivna forskningsfartyg, Zero-V har en liknande kapitalkostnad, men skulle kosta ungefär 7 procent mer att driva och underhålla. Med tanke på dess fördelar - mycket tystare, nollutsläpp och ingen risk för förorenande bränslespill - Bruce Appelgate, som övervakar Scripps -flottan, hoppas att likasinnade givare kommer att stödja projektet.

"Liksom andra idéer som förändrar spelet, detta tillvägagångssätt verkar initialt dyrt. Men solenergi var väldigt dyr för inte så länge sedan, och nu är det prisvärt och allmänt antaget. Vätebränsleceller är en lika transformativ teknik. De producerar rena, tyst, icke -förorenande kraft till fartyg samtidigt som överlägsen vetenskaplig kapacitet möjliggörs, "Applegate sa." Att bygga och driva Zero-V kommer att avsevärt främja USA:s marina transportteknik. "