La ricerca marina potrebbe presto essere possibile senza il rischio di inquinare l'aria o l'oceano. È grazie a un nuovo studio di progettazione e fattibilità della nave condotto dai Laboratori Nazionali Sandia.

Le celle a combustibile a idrogeno esistono da decenni, e ci sono molteplici vantaggi nell'usarli al posto dei motori diesel specificamente per alimentare le navi da ricerca. Le celle a combustibile sono una tecnologia a emissioni zero, quindi non contamineranno i campioni di aria o acqua raccolti in aree ecologiche sensibili. Non fanno quasi rumore, in modo che non disturbino la vita marina o interferiscano con i numerosi sensori che gli scienziati usano per ascoltare il suono nell'oceano.

Nonostante questi e molti altri vantaggi, la fattibilità di una nave da ricerca alimentata a idrogeno non è mai stata studiata o dimostrata. Fino ad ora. Un rapporto Sandia pubblicato questo mese mostra che è tecnicamente ed economicamente fattibile costruire una nave del genere in modo coerente con i regolamenti marittimi. Il team del progetto ha soprannominato la nave "Zero-V, " Abbreviazione di nave da ricerca a emissioni zero.

Questo progetto, guidato da Sandia, ha riunito la Scripps Institution of Oceanography presso l'Università della California, San Diego, Glosten, uno studio di architettura navale; e DNV GL, una società globale di assicurazione della qualità e gestione del rischio che lavora per l'industria marittima. È stato finanziato dall'amministrazione marittima del Dipartimento dei trasporti (MARAD).

Uno dei maggiori vantaggi aggiuntivi dell'utilizzo dell'idrogeno per alimentare una barca? Nessuna fuoriuscita di carburante ecologicamente dannosa. Secondo il chimico e capo progetto di Sandia Lennie Klebanoff, è impossibile avere una fuoriuscita di idrogeno inquinante sull'acqua. Più vivace dell'elio, l'idrogeno sale da solo e alla fine fugge nello spazio esterno.

"Se lavori in un'area ecologica sensibile e ci versi idrogeno liquido, il carburante non solo si allontana da questo ambiente, si allontana dal pianeta, " ha detto Klebanoff.

Le celle a combustibile generano persino acqua così pura che l'equipaggio della nave può berla (con condizionamento), o usarlo per esperimenti scientifici, riducendo la necessità di desalinizzare l'acqua di mare (che attualmente consuma grandi quantità di energia). Anche, le celle a combustibile sono dispositivi elettrici, e come tale, offrono una risposta in potenza più rapida rispetto ai motori a combustione interna.

L'esperienza di Sandia in questo settore deriva da un portafoglio di progetti sull'idrogeno, i cui obiettivi sono sviluppare soluzioni di trasporto efficienti con combustibili domestici puliti. Il ruolo di Sandia era quello di guidare il progetto, scegli il tipo di cella a combustibile da utilizzare, il metodo di stoccaggio dell'idrogeno e fornire informazioni sulle proprietà relative alla sicurezza dell'idrogeno alla US Coast Guard e al partner normativo DNV GL.

Navigando sui venti del successo precedente

Il progetto Zero-V si è evoluto dal precedente lavoro di Sandia sull'SF-BREEZE, un traghetto passeggeri a idrogeno progettato per operare nella baia di San Francisco.

Esistevano già piccole imbarcazioni da diporto alimentate a idrogeno per brevissime distanze. Ma prima di SF-BREEZE, non c'era stato un progetto che esaminasse la fattibilità tecnica oltre che economica di alimentare grandi, barche commerciali veloci con idrogeno, secondo Joe Pratt, che ha guidato il progetto SF-BREEZE per Sandia.

"Fino a quando non abbiamo fatto SF-BREEZE, pochissime persone pensavano che si potesse alimentare una vera nave, un'impresa commerciale, sull'energia delle celle a combustibile a idrogeno, " ha detto Pratt. "Oltre a dimostrare che era tecnicamente possibile, dovevamo dimostrare che sarebbe stato economico, in modo che avesse la possibilità di uscire sul mercato".

Sulla base di SF-BREEZE e altri lavori correlati, Pratt è arrivato a credere così fortemente nel potenziale commerciale dell'idrogeno che ha lasciato Sandia per avviare la Golden Gate Zero Emission Marine. L'azienda costruisce propulsori a celle a combustibile a idrogeno per il mercato marittimo.

Il design SF-BREEZE può ospitare 150 passeggeri su quattro viaggi di andata e ritorno di 50 miglia nella baia di San Francisco al giorno viaggiando a una velocità massima di 35 nodi (circa 39 miglia all'ora). Garantire che il traghetto potesse raggiungere quella velocità significava adottare un 100 piedi, design del catamarano leggermente più lungo del solito.

Tutti gli elementi del piano, compreso il design della nave, distribuzione del peso, e le opzioni di rifornimento dovevano essere rivalutate per lo Zero-V.

"Invece di andare veloce per brevi periodi e trasportare molte persone, la nave da ricerca va più lenta per distanze molto più lunghe, trasporta meno persone e deve consentire il funzionamento di strumentazioni scientifiche sensibili, " spiegò Klebanoff. O in altre parole, "La nave da ricerca è un animale diverso da un traghetto passeggeri, " Egli ha detto.

Navigare tra le sfide del design

Durante il lavoro su SF-BREEZE, Pratt e Klebanoff si sono rivolti alla Scripps Institution of Oceanography per vedere se i ricercatori erano interessati a una nave alimentata a idrogeno. Li avevamo, se lo Zero-V potesse completare i compiti che sono di routine per le missioni di ricerca oceaniche, come gli studi sull'ecosistema marino, oceanografia fisica, ricerca sul rischio di tsunami e sulla chimica degli oceani.

La mappatura o l'installazione di apparecchiature sul fondo dell'oceano richiede che una nave sia stabile su un singolo punto per lunghi periodi, anche se c'è vento o onde. Glosten ha stabilito che l'ausilio di dispositivi di propulsione installati in ogni scafo laterale avrebbe consentito allo Zero-V di mantenere la sua posizione con più di 25 nodi di vento e onde da qualsiasi direzione.

Considerando che l'SF-BREEZE richiede il rifornimento di carburante dopo 100 miglia, lo Zero-V deve andare almeno 2, 400 miglia o 15 giorni prima di richiedere un rifornimento; abbastanza per andare da San Diego alle Hawaii. Date le grandi distanze che deve percorrere, un terminale di rifornimento in una posizione centrale non è ciò che serve.

Il team di Sandia ha trovato un approccio innovativo che consente ai fornitori di idrogeno liquido di guidare i camion di carburante direttamente alla nave nei porti di scalo. Così, lo Zero-V richiederebbe pochi investimenti nell'infrastruttura di rifornimento.

Oltre ai suddetti requisiti,

Sean Caughlan di Glosten ha detto che trovare un modo per immagazzinare i pesanti serbatoi di idrogeno ospitando almeno 18 scienziati, 11 membri dell'equipaggio e tre laboratori è stata una sfida. Parte della soluzione è stata la scelta del design di una barca trimarano. Un trimarano ha tre scafi paralleli, ed è solitamente usato per barche ad alta velocità. Il design offre molto spazio sopra coperta per i serbatoi, e un adeguato spazio sottocoperta per altra strumentazione scientifica e macchinari.

Verso il vento favorevole e il mare seguente

Il team ha progettato lo Zero-V utilizzando comprovati, tecnologia dell'idrogeno disponibile in commercio in modo che potessero essere sicuri che avrebbe funzionato. Una volta completato, il design della nave è stato rivisto da DNV GL e dalla US Coast Guard. Entrambi gli organismi di regolamentazione sono giunti indipendentemente alla stessa conclusione:non ci sono problemi tecnici "da spettacolo" con il design Zero-V.

Infatti, L'esperto di idrogeno DNV GL Gerd Petra Haugom afferma che il design Zero-V mostra una comprensione essenziale delle proprietà relative alla sicurezza dell'idrogeno, e come può essere utilizzato in modo sicuro e protetto su una nave. "Questo progetto è stato un buon test delle nostre regole e dell'approccio progettuale alternativo per l'utilizzo dell'idrogeno e delle celle a combustibile, " ha detto. "I risultati dello Zero-V faranno parte di un punto di riferimento per guidare la nostra valutazione di navi simili in futuro".

Con un design solido in atto, il prossimo passo per lo Zero-V è trovare i fondi per costruirlo. Rispetto alle navi da ricerca a motore diesel, lo Zero-V ha un costo di capitale simile, ma costerebbe circa il 7% in più per operare e mantenere. Dati i suoi vantaggi, molto più silenziosi, zero emissioni e nessun rischio di sversamenti di carburante inquinanti—Bruce Appelgate, che sovrintende alla flotta Scripps, spera che donatori che la pensano allo stesso modo si facciano avanti per sostenere il progetto.

"Come altre idee rivoluzionarie, questo approccio sembra inizialmente costoso. Ma l'energia solare era molto costosa non molto tempo fa, e ora è conveniente e ampiamente adottato. Le celle a combustibile a idrogeno sono una tecnologia altrettanto trasformativa. Producono pulito, calmatevi, energia non inquinante alle navi, consentendo capacità scientifiche superiori, "Ha affermato Applegate. "Costruire e far funzionare lo Zero-V farà avanzare in modo significativo la tecnologia di trasporto marittimo degli Stati Uniti".