CC BY
18
УДК
Федоров А.В, Ермоленко Б.В.
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ В ВОДНОМ ТРАНСПОРТЕ
Федоров Артем Вадимович, студент 3 курса бакалавриата факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: [email protected]
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент, доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
В статье рассматривается водный транспорт Российской Федерации как потребитель различных видов органического топлива и загрязнитель окружающей среды. Проанализированы годовые объемы топлива, расходуемые судами морского и речного флота страны для обеспечения работы судовых двигателей. Показаны возможности перехода от традиционных топливных энергетических установок к альтернативным возобновляемым. Приведены примеры реализации систем энергоснабжения судов на основе ВИЭ в нашей стране и за рубежом. Указано на необходимость оценки энергетических, ресурсосберегающих и экологических потенциалов солнца и ветра для эколого-экономического обоснования развития альтернативных систем энергоснабжения на водном транспорте.
Ключевые слова: водный транспорт, потребление топлива, загрязнение окружающей среды, возобновляемые источники энергии, энергетический потенциал
ECOLOGICAL AND ECONOMIC PRECONDITIONS FOR USING RENEWABLE ENERGY SOURCES IN WATER TRANSPORT
Fedorov A., Ermolenko B.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The article considers the water transport of the Russian Federation as a consumer of various types of organic fuel and an environmental pollutant. Analyzed the annual volumes of fuel consumed by the ships of the sea and river fleet of the country to ensure the operation of ship engines. The possibilities of transition from traditional fuel power plants to alternative renewable ones are shown. Examples of the implementation of power supply systems of vessels based on renewable energy sources in our country and abroad are given. The necessity of assessing the energy, resource-saving and environmental potentials of the sun and wind for the environmental and economic rationale for the development of alternative energy supply systems in water transport is indicated.
Keywords: water transport, fuel consumption, environment
Водный транспорт является составной частью транспортной системы Российской Федерации. Его подразделяют на морской и речной водный транспорт. Путями передвижения морского служат моря, заливы, устья крупных рек и океаны, речного - реки, озёра и водохранилища. Морской вид выполняет главную роль в межгосударственном грузообороте. Важность морского транспорта для России определяется её положением на берегах трёх океанов и протяжённостью морской границы 42 тысячи километров. Речные пути России имеют протяженность около 80000 километров. Объем груза, перевозимого внутренним водным транспортом, в общем грузообороте составляет примерно 3,9 %. В некоторых регионах речной вид транспорта является основным из-за отсутствия других путей. Речной флот по сравнению с другими видами транспорта, обладает определенными преимуществами. Он обладает достаточно высокой провозной способностью. Одно речное судно с грузоподъемностью несколько тысяч тонн
ollution, renewable energy sources, energy potential
эквивалентно 1- 2 товарным составам. Скорость доставки грузов водным транспортом составляет 350-550 км/сут, что сопоставимо с железной дорогой. Перевозки водным транспортом на 45-50% дешевле железнодорожных и в тридцать раз дешевле автомобильных из-за малых затрат на создание и эксплуатацию путей (это дноуглубительные работы и устройство знаков судоходной установки на подходах к портам и морских каналах). При движении по воде судно преодолевает незначительные сопротивления, что требуют значительно меньших затрат энергии, чем при использовании других видов транспорта. Так масса условного топлива, затрачиваемого на 1000 ткм для автотранспорта составляет 200кг, для
железнодорожного - 60 кг, а для водного - 30 кг. Однако суммарный годовой расход топлива водным транспортом России превышает 1150 тыс. тут/г. Потребление топлива по видам представлено в таблице 1.
Таблица 1
Потребление топлива в водном транспорте Российской Федерации
№ Вид ресурса Потребление в натуральных единицах Коэффициент пересчета в тут, тут/ед. Потребление. тут/г
1 Дизельное топливо (тонн) 340259 1,45 493376
2 Топливо моторное для судовых дизелей (тонн) 229953 1,47 338031
3 Газ природный (естественный) (тыс. м3) 10666 1,154 12309
4 Пропан и бутан сжиженные,(тонн) 463 1,57 727
5 Каменный уголь (тонн) 8837 0,768 6787
6 Бурый уголь - всего (тонн) 1440 0,467 672
7 Древесина топливная (плотн м3) 3716 0,266 988
8 Бензины автомобильные (тонн) 14208 1,49 21170
9 Топливо печное бытовое (тонн) 126 1,45 183
10 Мазут топочный (тонн) 122924 1,37 168406
11 Мазут флотский (тонн) 75595 1,43 108101
Итого 1150749
Воздействие водного транспорта на водные объекты связано с потерей нефтепродуктов при погрузке и выгрузке, сбросами загрязненных вод. Источниками загрязнения атмосферы с судов являются такие выбросы энергетических установок, как оксиды серы, азота, углерода, твердые веществ. Эти выбросы будут нормироваться после вступления в силу нового Приложения VI к МАРПОЛ 73/78. Учитывая, что в России выпускается топливо с содержанием серы, не превышающим 3,5 %, а на транспортных судах в основном эксплуатируется мало- и среднеоборотные дизельные установки, выбросы серы с условного судна можно оценить равным 1-1,5 т./сутки, а окисла азота - 2-5 т/сутки.
Судоходство (как, впрочем, и любой другой вид транспорта) при использовании выбрасывает в атмосферу немало вредных веществ, загрязняя при этом не только воздух, но и реки, моря и океаны. Поэтому создание экологичных видов транспорта должно происходить не только на суше, но и на воде. С целью сбережения топлива и снижения негативного воздействия на водные объекты и атмосферу в разных странах мира делаются попытки использовать в качестве источника энергии возобновляемые источники и электродвигатели в качестве судовых двигателей. По назначению суда подразделяют на транспортные (грузопассажирские, грузовые и буксирные), технические (плавучие доки и т.д.), промысловые (рыболовные), а также специального назначения (ледоколы и пожарные суда). На любой вид указанных судов существует возможность устанавливать как ветрогенераторы, так и солнечные панели.
В настоящее время существует огромный выбор как ветроэнергетических установок, так и солнечных фотоэлектрических панелей. Сегодня одной из задач активно развивающейся солнечной и ветровой энергетики является расширение сферы ее применения, в том числе и для энергообеспечения морских и речных судов. С учетом специфики водного транспорта возникает необходимость в эффективной организации приема и преобразования ветровой и солнечной энергии, разработке новых
судовых энергетических установок, использующих современные (инновационные) технические решения, максимально ориентированные на решение задач ресурсосбережения и охраны окружающей среды. Такие энергетические установки будут иметь успех на мировом рынке.
Классифицировать солнечные панели можно по их расположению и по возможности изменять угол наклона. К первому классу относятся статические горизонтальные или вертикальные панели, устанавливаемые на корпусе судна в статическом положении. Второй класс -динамические панели, способные изменять своё положение, подстраиваясь по угол падения солнечных лучей. Примером использования горизонтального размещения фотоэлектрических батарей может служить катамаран «Эковолна». На его крыше российские инженеры закрепили солнечные панели общей площадью пятьдесят семь квадратных метров. Катамаран массой 50 тонн прошёл 5227 километров только на электромоторах. За время экспедиции ни разу не был использован резервный двигатель внутреннего сгорания. Если пересчитать по резервному мотору, то было сэкономлено 3 216 литров топлива, что равняется 147 920 рублям при ценах 46 руб./литр. Избыток электрической энергии был использован на собственные нужды экипажа из 8 человек.
Появляются и другие, причем, вполне современные водные средства передвижения, движимые парусом. Часть этого паруса покрыта с двух сторон солнечными панелями,
превращающими падающий на них солнечный свет в электроэнергию, от которой питается электродвигатель катамарана. Общая площадь таких панелей составляет девяносто пять квадратных метров. Например, для владельцев парусных яхт ветрогенераторы - это естественный и понятный способ увеличения электрической мощности. Проектов грузовых судов на солнечной энергии совсем немного. Так, японская Eco Marine Power создала концепт грузового судна с выдвижными парусами, оборудованными фотоэлементами [1]. В
своей разработке японцы хотят объединить привычные паруса с солнечными батареями. Большое количество особых солнечных панелей устанавливается на борту судна и соединяется с общей энергосетью корабля, добывая и запасая энергию. Кроме того, эти же панели будут использоваться во время плавания, выполняя роль парусов, когда есть попутный ветер. В текущем, 2018 году Eco Marine планирует провести ряд испытаний своей технологии «солнечных парусов» на небольших грузовых кораблях (балкерах, предназначенных для перевозки зерна, угля, пшеницы), полностью заменив собой привычные источники питания этих морских судов. Испытания будут длиться на протяжении 12-18 месяцев, и в процессе будет выявлено, сколько энергии движения можно получить из таких парусов и какое количество солнечных панелей нужно на них разместить, чтобы добиться максимальной эффективности.
Энергию ветра используют и ветроэнергетические установки (ВЭУ).
Ветрогенераторы существуют различных конструкций, отличаются размерам и электрической мощностью. У горизонтальных ВЭУ ось ротора параллельна земной поверхности. Такие установки обладают большой мощность преобразования энергии ветра в электричество. В установках вертикального типа турбина расположена вертикально по отношению к земле. Достоинство -они начинают работать при небольших скоростях ветра. На водном транспорте чаще используется установки вертикального типа, так как занимаемая ими площадь на корпусе судна меньше, а что ещё важнее - их работа абсолютно не зависит от направления ветра.
Существуют десятки примеров водного транспорта, которые на своём борту имеют как ветрогенераторы, так и солнечные панели, что в результате позволяет ему становиться автономным судном. Еще в 2011 году на воду было спущено прогулочное судно, рассчитанное на 150 человек и работающее сразу на нескольких альтернативных источниках энергии. Eco Slim предназначен для туристических прогулок и построен по схеме катамарана [2]. Вот основные параметры этого экологически безопасного судна: длина порядка 24 метров, ширина 10,5 метров. Главной особенностью нового корабля можно считать его двигательную установку, объединяющую в себе гибридную систему из сорока солнечных панелей и двух ветряков суммарной мощностью 9,5 кВт, комплект свинцовых батарей и вспомогательного двухкиловаттного водородного
аккумулятора, термоэлектрогенератор и два электромотора. Яхта приводится в движение электромоторами, питающимися от батарей, которые в свою очередь берут энергию от солнечно-ветряной установки, или термогенератора. Подзарядка батарей занимает буквально полтора часа, а запаса батарей Eco Slim хватает на плавание со скоростью 11-13 км/час приблизительно на
четыре часа. Корабли с "гибридным питанием" будут использовать ветер и солнечную энергию вместе в качестве источника энергии и движения (вместе с главными двигателями корабля) с целью снижения вредных выбросов и уменьшения расхода топлива.
Одной из важнейших проблем альтернативного энергообеспечения двигателей и собственных нужд водных транспортных средств является достаточность энергетического потенциала ветра и солнца на маршруте движения судов. Для обоснования возможности и экономической целесообразности использования
ветроэнергетических и солнечных установок на судах, перевозящих грузы и людей по конкретным рекам и морям, необходимо на соответствующих территориях произвести оценку
электроэнергетических, теплоэнергетических,
топливных, ресурсосберегающих и экологических потенциалов энергии солнца и ветра [3] . В качестве источника исходной информации можно выбрать базу данных НАСА, в которой содержатся с шагом в один градус статистические результаты многолетнего космического мониторинга скоростей ветра на высоте 50 метров от земли, а также показатели инсоляции для различных углов наклона солнечных панелей. Информация в узловых точках градусной сетки дифференцируется по месяцам и интервалам суток. С учетом ограниченности исходных данных разработаны и математически обоснованы методики определения параметров функций распределения вероятностей скоростей ветра и математического описания кривых мощностей ветрогенераторов, позволяющих осуществлять оценки всех названных выше видов ветроэнергетических потенциалов для нужной высоты ВЭУ. Существуют методы оценки потенциалов и для проектирования солнечных систем энергоснабжения.
Результаты оценки потенциалов по потенциальным маршрутам движения судов могут быть использованы инвесторами и
проектировщиками для разработки программ развития водного транспорта на основе возобновляемых источников энергии
Литературные источники
1. Японская компания установит на грузовые суда «солнечные паруса». HI-NEWS.RU. https://hi-news.ru/technology/yaponskaya-kompaniya-ustanovit-na-gruzovye-suda-solnechnye-parusa.html
2. В Испании построен крупнейший эко-катамаран. KORABEL.RU. https://www.korabel.ru/
3. B. Ermolenko, G. Ermolenko, J. Fetisova. Methods for quantitative assessment of energy, resource and environmental potentials of wind energy. Energy of XXI Century. Renewable Energy Sources. Issue 1: collection of scientific articles. - M. : Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, 2015. -64 с.
