Очевидное невероятное
Десять лет назад проект 821 (обозначение Breakthrough в процессе строительства) выглядел бы научной фантастикой. Сегодня это действующая 118-метровая яхта — длиннее футбольного поля и выше статуи Свободы — и крупнейшее судно, построенное в Нидерландах на сегодняшний день. Яхта способна идти почти бесшумно, оставляя за собой только водяной пар. Её движители — винторулевые колонки торпедообразной формы. В корпусе есть подводная смотровая комната, из бортов выдвигаются многочисленные балконы и террасы. Но главное — Breakthrough оснащена первой в мире энергетической установкой на водородных топливных элементах. Разработка этого шедевра заняла пять лет.
По словам Ян-Барта Веркёйла, директора по разработкам и генерального директора верфи Royal Van Lent, перед Feadship стояла цель не просто построить яхту на альтернативных источниках энергии, а разработать новую чистую технологию, которая будет полезна для отрасли в целом. Размеры Breakthrough сделали её подходящим кандидатом для экспериментов с чистым водородом в качестве топлива.
Водородные топливные элементы генерируют электричество без горения. Единственный побочный продукт этого процесса — обыкновенная вода. Хотя такие элементы уже применяются в автомобилестроении, а в пилотируемой космонавтике служат основным источником энергии уже более шести десятилетий, в морской отрасли не существовало высокомощных решений на их основе. Более того, на момент старта проекта в 2019 году не было даже нормативной базы для использования водорода в судовых топливных элементах. Поэтому инженеры Feadship в сотрудничестве с экспертами смежных отраслей и классификационным обществом Lloyd‘s Register разработали оборудование, протоколы и методики оценки безопасности, которые легли в основу новых правил.
Одной из самых сложных задач было создание надёжного способа хранения сжиженного водорода при температуре минус 253 градуса Цельсия на борту судна класса люкс. Водород отличается малой плотностью: один кубометр этого газа в сжиженном состоянии весит 70 килограммов, тогда как аналогичный объём неископаемого дизеля (HVO или e-дизель) — около 800 килограммов. Однако для безопасного хранения водорода на судне требуется криогенный бак с двойными стенками, размещённый в специальном вентилируемом помещении, и объем этого резервуара должен быть примерно в восемь раз больше чем объем танка под дизельное топливо с аналогичным энергетическим потенциалом.
Гидо Лёфф, руководитель отдела исследований и разработок Feadship, поясняет, что баки с дизельным топоивом обычно размещается в конструктивных пустотах, которые невозможно использовать для других целей. В случае же с криогенными хранилищами водорода влияние на архитектуру яхты оказывается гораздо более существенным.
На Breakthrough весь энергетический блок, включая дизель-генераторы, 16 систем топливных элементов и водородный бак, размещён на одном уровне. В итоге криогенный бак ёмкостью 92 кубических метра (около 4 тонн водорода), компактные топливные элементы, их подключение к распределительному щиту постоянного тока и вентиляционные шахты для отвода водяного пара добавили к проектной длине яхты четыре метра.
Лёфф обращает внимание на ещё один важный момент: разработанные для проекта 821 топливные элементы могут также использовать метанол — жидкое топливо, которое проще хранить при обычных условиях. Для этого необходима дополнительная система риформинга (паровой конверсии), превращающего метанол в водород. Полученный водород затем поступает в топливный элемент для электрохимической реакции. По словам Лёффа, накопленный опыт реализации проекта 821 делает следующие шаги — с использованием других носителей водорода, таких как метанол, относительно простыми.
Топливные элементы требуют высоких первоначальных вложений, но обеспечивают наибольшую эффективность в качестве источника питания систем пропульсии. Используемая на Breakthrough система уже на 35% эффективнее обычных генераторов. В системах следующего поколения (на метаноле) ожидается улучшение эффективности до 50–75%, что не только сократит выбросы, но и даст существенную операционную экономию.
При этом, по словам представителей Feadship, даже яхта такого размера, как Breakthrough, не может нести достаточно сжиженного водорода для трансокеанских переходов. Однако углеродный след можно уменьшить там, где он максимален — при выработке электричества для систем комфорта, зарядки оборудования и, возможно, электрических тендеров. Согласно индексу экологической прозрачности яхт (YETI), от 70 до 78% годового энергопотребления судна приходится именно на бытовые нужды, причём основные затраты связаны с отоплением и кондиционированием. Перевод этого объёма на питание от водородных топливных элементов даёт быстрый и заметный экологический эффект. Дополнительным преимуществом является снижение шума: электрохимический процесс не создаёт вибраций и почти не имеет движущихся частей, что особенно ценно при ночной стоянке на якоре.
Для длительных переходов или в ситуациях, когда чистый водород недоступен, питание для 3200-киловаттных винторулевых колонок ABB обеспечивается пятью генераторами MTU, работающими на HVO — биотопливе второго поколения, которое сокращает выбросы парниковых газов на 90 процентов. Эффективность этой схемы ранее была проверена на других яхтах Feadship.
На многих современных яхтах крупные блоки аккумуляторных батарей служат для обеспечения бесшумной работы на якоре или прохода охраняемых природных зон без запуска генераторов. Вreakthrough оборудована батареями общей емкостью 543 киловатт-часа. Для сравнения: первый дизель-электрический гибрид Feadship — 83,5-метровая Savannah, спущенная на воду в 2015 году, — имела пауэрбанк на мегаватт. Проекту 821 не требуется так много, поскольку технология топливных элементов сама по себе позволяет находиться на якоре без выбросов до недели или двигаться на скорости 10 узлов в защищённых морских зонах. Аккумуляторы здесь интегрированы в общую сеть и используются для сглаживания пиковых нагрузок. Таким образом, для поддержания работы систем комфорта на борту никогда не требуется более одного генератора.
Breakthrough также оснащена самой эффективной на сегодняшний день системой утилизации тепла. За счет «побочной» тепловой энергии отапливаются интерьеры, подогреваются джакузи, парная, полотенцесушители и полы в ванных комнатах. Дополнительная экономия достигается за счёт интеллектуальной системы кондиционирования, которая автоматически ослабляет охлаждение или обогрев в незанятых помещениях.
Общие характеристики и архитектура
Проект 821 стал крупнейшей моторной яхтой из когда-либо построенных в Нидерландах, незначительно опередив 118-метровую LAUNCHPAD от Feadship. При почти одинаковой общей длине Breakthrough на 30 процентов объемнее внутри. Яхта имеет пять палуб над ватерлинией и две ниже нее. Палуба владельца находится почти в 15 м над водой, однако силуэт, разработанный студией RWD, сохраняет плавность линий.
Количество открывающихся сегментов — рекордное для яхт Feadship. У Breakthrough четырнадцать выдвижных балконов, девять массивных лацпортов и семь крупных открывающихся платформ. В сложенном состоянии балконы незаметны на фоне корпуса, а выдвижение происходит нажатием кнопки; при этом автоматически поднимаются боковые перила или стеклянные стенки, а пол полностью выдвинутого балкона выравнивается с полом внутри помещения.
В интерьере предусмотрены три камина, на палубе есть костровая чаша, а раздвижные стеклянные стены могут как соединять внутренние помещения с открытыми, так и изолировать их. Это делает яхту пригодной для круглогодичного круиза в любых климатических условиях.
Как и следует ожидать от судна длиной более ста метров, здесь выделена целая палуба для владельца. Она расположена выше палубы мостика и представляет собой пентхаус с двумя спальнями, двумя ванными комнатами и гардеробными, тренажёрным залом и буфетной. Рабочий кабинет и конференц-зал оборудованы каминами. Главная спальня находится в носовой части и имеет панорамные раздвижные стеклянные стены, ведущие на приватную затенённую террасу с джакузи. Ширина корпуса в 19 метров позволила сделать просторные внутренние коридоры и удобные боковые палубы, приглашающие прогуляться от носа до кормы.
Однако владения хозяина яхты не ограничиваются одной палубой. Уникальный вертикальный коридор спускается на нижнюю палубу в виде четырёхэтажного атриума с лестницей, вокруг которой расположены книжные полки и ниши, а также отдельным лифтом владельца. На каждом уровне предусмотрены приватные зоны: кофейный уголок на палубе мостика, библиотека на главной палубе, а также частная столовая с распашным бортом, образующим морскую террасу, и примыкающая к ней каюта с ванной комнатой на нижней палубе. Это пространство оформлено с использованием тика и тканого тростника на стенах и потолке, что придаёт ему аутентичную «корабельную» атмосферу. Фактически студия RWD создала на борту большой яхты полностью изолированный четырёхуровневый «таунхаус» на воде. Входы в этот комплекс замаскированы под стеновые панели, и без специального приглашения другие люди на борту даже не узнают о существовании этих помещений. Продуманное расположение сервировочных зон и путей перемещения экипажа облегчает обслуживание. Для гостей предусмотрены отдельные фойе с лифтом и лестницами.
На мостиковой палубе расположены четыре просторные гостевые каюты, каждая со своим выдвижным балконом. Внутренний коридор связывает каюты с мостиком, вертолётной площадкой в носовой части (она же может использоваться для игры в пиклбол или баскетбол), а также с салоном на верхней палубе и примыкающей к нему наружной зоной отдыха вокруг костровой чаши. На главной палубе находятся четыре VIP-каюты, которые могут быть скомбинированы в каюту с гостиной или разделены на восемь отдельных гостевых кают — каждая со своим балконом и ванной комнатой. Также имеются две каюты для персонала (на главной и нижней палубах) с доступом к зонам и лестницам экипажа, а также отсек для 44 членов экипажа.
В оформлении интерьеров преобладает светлая нейтральная гамма с использованием фактурных тканей и кож. По словам руководителя проекта Люверенса Ховинга, на борту применено более ста различных оттенков белого, а также травертин, ротанг и древесина дуба. Большое внимание уделено непрямому освещению: подсветке плинтусов, мебели и многоуровневым потолкам, создающим фоновый свет. Светодиодные ленты под встроенной мебелью в наружных зонах подчёркивают плавные формы и изгибы яхты.
Пляжный клуб состоит из четырех зон отдыха, крытой обеденной зоны и откидных террас.К нему примыкает спа-комплекс: парикмахерская, маникюрный салон, массажный кабинет, парная, сауна с купелями, тренажёрный зал. На бункерной палубе расположен кинозал Dolby Atmos на 12 мест, который может быть переоборудован в детскую игровую комнату.
Самое необычное пространство на яхте — подводный лаундж в расширении киля под пляжным клубом. Шесть окон из двухслойного стекла толщиной по 7 см почти на всю высоту стен открывают вид на подводный мир.
Флот тендеров на Breakthrough включает один электрический тендер Zin Boat длиной 11,30 м, один лимузин-тендер Vikal по индивидуальному дизайну RWD длиной 12,00 м, два спасательных тендера Maritime Partner длиной по 7,20 м. Вертолетная площадка яхты сертифицирована под модели типа AW139 и Airbus 160.
Ян-Барт Веркёйл полагает, что топливные элементы будут играть важную роль на яхтах в ближайшие годы благодаря их высокой эффективности, низкому уровню твёрдых частиц в выбросах и тихой работе. Breakthrough продемонстрировала жизнеспособность технологии криогенного хранения сжиженного водорода на суперъяхте и позволила выработать необходимые стандарты. Это дает хороший задел на будущие инновации в области топливных элементов и риформинга метанола в водород на суперъяхтах.
Космические технологии
Молекула водорода — самая маленькая среди всех химических элементов на планете, поэтому этот газ крайне сложно удержать в замкнутом пространстве. При этом при смешивании с кислородом он становится чрезвычайно взрывоопасным. Именно поэтому крайне важно, чтобы водород и воздух нигде не соприкасались — кроме как внутри топливного элемента. Водородная установка на борту Breakthrough выполнена шведской компанией PowerCell и внешне напоминает большие белые холодильники; шестнадцать таких модулей выстроены в отдельном помещении. Именно здесь водород вступает в реакцию с воздухом, образуя воду и высвобождая электроны — огромное количество электронов. Каждый из этих неприметных блоков способен бесшумно вырабатывать около 200 кВт мощности, то есть в сумме установка выдает впечатляющие 3,2 мегаватта электроэнергии.
Бункеровка Breakthrough занимает порядка шести часов и сама по себе сравнима с подготовкой к запуску космической ракеты. Вокруг судна создаётся зона отчуждения, а сотрудники, работающие «на передовой бункеровки, обязаны носить полный комплект защитного снаряжения, которое напоминает костюмы космонавтов. На причале должна быть организована охрана, и, разумеется, на борту яхты не может быть гостей.
Чтобы удалить из трубопроводов взрывоопасный воздух перед подачей топлива, систему сначала многократно продувают инертным азотом. Для этого на борту установлена собственная установка по производству азота. Далее начинается тщательно выверенная последовательность операций: систему поочерёдно заполняют газом и стравливают давление, постепенно снижая температуру — сначала холодным азотом, затем «тёплым» водородом при температуре всего −190 °C. Лишь после этого в резервуар можно подавать сверхохлаждённый жидкий водород. Во время процесса газообразный водород выпускается в атмосферу через трубу в мачте яхты.
Во время бункеровки испаритель на танкере, поставляющем водород, отбирает столько тепла из окружающего воздуха, что тот сжижается и образует лужу на причале. Эта жидкая воздушная смесь, насыщенная кислородом, не должна соприкасаться с битумом в асфальте, поскольку это может привести к возгоранию. Поэтому в портах, где осуществляется бункеровка водородом, причалы должны быть из стали или бетона. На сегодняшний день в Европе необходимая для заправки водородом инфраструктура есть только в портах Амстердама, Антиба и на норвежском пароме Hydra. В перспективе к ним могут присоединиться Марсель, Дюнкерк и порты Греции.
