CC BY
66
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ. Проектирование, конструкция судов и технология судостроения
DOI.org/10.5281/zenodo.1196689 УДК 629.122
Е.В. Купальцева, Е.П. Роннов
КУПАЛЬЦЕВА ЕВГЕНИЯ ВЛАДИМИРОВНА - аспирант, e-mail: Egenia_Kupaltseva@rambler.ru
РОННОВ ЕВГЕНИЙ ПАВЛОВИЧ - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой проектирования и технологии постройки судов, e-mail: ptps@vgavt-nn.ru Волжский государственный университет водного транспорта Нестерова ул., 5, Нижний Новгород, 603950
Обоснование проектных характеристик
«малых» пассажирских судов с электрической гребной установкой
Аннотация: Постоянное ужесточение требований по уменьшению количества загрязняющих выбросов обусловлено мировой тенденцией повышения экологической привлекательности транспорта и снижения потребления ископаемого топлива. Эта тенденция дала толчок для развития электродвижения, в том числе и в судостроительной отрасли, где с каждым годом увеличивается объем использования судовых энергетических установок (СЭУ) с главным электрическим двигателем. В отличие от наземного транспорта, доля энергии рекуперации в процессе эксплуатации судна фактически очень мала, отсюда возникает задача обоснования сферы экономически выгодного использования подобных систем на флоте. В настоящее время отсутствуют методики оценки экономического эффекта от применения судов с нетрадиционной СЭУ при различных эксплуатационных параметрах.
Для оценки экономической эффективности судов с нетиповым комплексом СЭУ авторами были выбраны «малые» пассажирские суда, работающие на внутригородских и пригородных линиях. Такие суда работают на относительно коротких маршрутах и в процессе эксплуатации имеют частую смену режимов. Указанные особенности являются определяющими для использования нетиповой СЭУ. В процессе создания методики авторами разработан программный продукт в среде Visual Basic For Application (VBA). Функциональные возможности позволяют при определенных исходных данных рассчитать критерии для судна как с классической СЭУ, так и с заданным нетиповым комплексом. Положительный экономический эффект выявляется соответствующим сопоставлением полученных данных. В настоящей статье выявлены и обоснованы сферы наиболее выгодного использования «малого» пассажирского флота с гребным электродвигателем и питанием от электрохимических источников энергии.
Ключевые слова: пассажирское судно, электродвижение, математическая модель, экономическая эффективность.
Введение
В последние годы многие промышленно развитые страны инвестируют в развитие электроэнергетических технологий и альтернативных источников энергии. Инновационные проекты активно внедряются в различные сферы, в том числе в транспортную систему. Создание более экологически привлекательной техники с точки зрения снижения вредных выбросов и ресурсосбере-
© Купальцева Е.В., Роннов Е.П., 2018
О статье: поступила: 16.02.2018; финансирование: бюджет Волжского государственного университета водного транспорта, г. Нижний Новгород.
жения является важнейшей целью разработки и продвижения подобных проектов. Концепция применения электродвижения на транспорте сводится к использованию либо исключительно электрического двигателя, либо совместно с двигателем внутреннего сгорания (так называемая комбинированная, или гибридная, установка).
В судостроении ввиду растущих цен на топливо и ужесточающихся требований к выбросам также стимулируется переход к судовым энергетическим установкам современного исполнения. Однако в отличие от наземных транспортных средств в судовых системах практически невозможно применять энергию рекуперации, что, в свою очередь, делает менее очевидным экономический эффект от использования комбинированного либо полностью электрического привода [7].
В процессе проектирования подобных систем возникает множество технических проблем, связанных с надлежащей проработкой электрических и комбинированных установок с точки зрения текущих технических ограничений (таких, как срок службы аккумуляторных батарей, скорость зарядки, размер и вес), и более широкие вопросы интеграции и контроля компонентов таких установок, должным образом разработанных и сертифицированных. Достижение положительного эффекта возможно лишь при правильно спроектированной и согласованной с рабочими циклами судна установке. Согласно выводам [1, 6], рациональность использования электрических двигателей и аккумуляторных батарей в качестве накопителей энергии возможна на следующих типах судов:
- рыболовные судна прибрежного плавания;
- малые портовые буксиры;
- водные такси;
- небольшие пассажирские и грузопассажирские паромы;
- яхты.
Для этих типов судов характерны короткие линии эксплуатации, частая смена скоростных режимов, относительно небольшие размеры и скорости. К таким типам можно отнести и пассажирские суда внутригородского и пригородного сообщения, которые условно относят к «малым» пассажирским судам, а за рубежом их часто называют «водные маршрутные такси». Конструктивные и эксплуатационные особенности судов подобного типа приведены в нашей работе [2].
Цель статьи - обоснование экономической целесообразности использования электродвижения на «малом» пассажирском флоте.
Применение электродвижения на судах может положительно отразиться на экологии, так как в этом случае исключаются выбросы в атмосферу вредных выхлопных газов. По данным [4], при сжигании 1 т дизельного топлива в воздушное пространство попадает около 24 кг сажи, до 50 кг углеводородов и прочих опасных веществ. Однако в настоящий момент доля штрафов за вредные выбросы в общих расходах по судну не превышает 0,05%, что не оказывает влияния на доходы судовладельцев. Мировая тенденция увеличения платы за нарушение экологического баланса с каждым годом существенно возрастает, и в перспективе существенно повлияет на целесообразность использования электродвижения на водном транспорте.
Постановка задачи
Прежде всего нам необходимо определить условия эксплуатации и обосновать главные элементы и характеристики судов с электродвижением, когда они по экономическим показателям будут сопоставимы с такими же судами, но с дизельной энергетической установкой. Для решения данной задачи нами была разработана математическая модель их проектирования и расчета эксплуатационно-экономических показателей работы на линии, позволяющая анализировать влияние изменения той или иной определяющей величины на показатели судна в целом. Особенности модели и алгоритм расчета по ней, приведенные в работе [3], легли в основу разработанного нами программного продукта, созданного как приложения в среде VBA (Visual Basic for Application).
С применением этого приложения был выполнен широкий численный эксперимент, позволяющий проанализировать условия целесообразного применения «зеленых» судов. В качестве вариантов комплекса оборудования СЭУ судна с электродвижением принимались следующие.
- Полностью электрический (All-El): питание энергией гребного электродвигателя производится от аккумуляторных батарей (АКБ), заряжаемых с береговой станции.
- Комбинированный (Hyb a/b): параллельная система питания гребного электрического двигателя (ЭД) от АКБ и от судового дизель-генератора (ДГ) с различным соотношением долей энергии, передаваемой аккумуляторами либо генератором. При этом АКБ заряжаются при помощи ДГ, установленного на судне. Показателем a/b при обозначении данного типа является доля того или иного источника энергии в процентах.
- Комбинированный полный (FullHyb): является одним из вариантов комбинированной СЭУ при 100-процентной обеспеченности энергией гребного электродвигателя от АКБ, заряжаемых судовым ДГ.
Каждый из представленных вариантов был рассмотрен дополнительно - при условии наличия фотоэлектрических модулей, обеспечивающих получение добавочной электроэнергии.
Исходными данными (их перечень приведен в таблице) являются определенные оптимальные главные размерения, пассажировместимость и эксплуатационные данные (скорость, длина линии эксплуатации) при заданном архитектурно-конструктивном типе (АКТ) и районе эксплуатации судна с дизель-механической установкой. Дополнительно задавалось значение инсоляции (количество солнечной энергии, поглощаемой одним квадратным метром поверхности) для рассматриваемого региона.
Исходные данные для расчета
АКТ
■4%
X
T
L
B
H
кпб
С
Примечание. - высота волны 3-процентной обеспеченности, м; % - количество валов; 1экспл - длина линии эксплуатации, км; ^вт - автономность плавания, сут.; V - эксплуатационная скорость, км/ч; пр - рядность, чел.; п - пассажировместимость, чел.; Т - осадка судна, м; Ь - длина судна, м; В - ширина судна, м; Н - высота борта, м; 5 - коэффициент общей полноты судна; X - инсоляция в рассматриваемом регионе; кпб - коэффициент использования палубы надстройки при установке фотоэлементов; С - ставка проезда, руб./чел. км; d - количество дней навигации; € - курс евро, руб._
l
5
X
d
€
t
v
n
n
p
Задача обоснования оптимальных условий применения судов с электродвижением решалась сопоставлением их экономической эффективности с соответствующими показателями такого же судна, но с традиционной дизель-механической СЭУ.
Описание численного эксперимента
Расчеты производились для различных значений пассажировместимости, скоростей хода и протяженности линии эксплуатации, поскольку от этих величин напрямую зависит количество потребляемой судном энергии в течение рассматриваемого периода эксплуатации. В свою очередь расчетная емкость АКБ определяет их количество, массу и стоимость СЭУ.
Графики, отображающие соотношения эксплуатационных расходов, приведены на рис. 1. Для «зеленого» судна обозначение расходов принимается как Е', а для такого же судна с дизельной СЭУ - Е. Зависимости даны для различных соотношений таких показателей, как скорость и длина маршрута при прочих постоянных данных.
Анализ полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что для судов, полностью электрических, при скорости движения до 15 км/ч в предположении работы на линиях эксплуатации до 80 км эксплуатационные расходы имеют меньшие значения, чем для варианта судна с ДВС. При меньших скоростях хода протяженность линии эксплуатации судна без подзарядки аккумуляторов увеличивается. При скоростях в пределах обозначенного диапазона длина маршрута может достигать 100 км. Это связано с тем, что с уменьшением скорости и, соответственно, необходимой мощности пропульсивной установки, уменьшается емкость АКБ и время их разрядки. Стоит отметить, что масса энергетической установки сопоставляемых вариантов изменяется незначительно, а затраты на энергию (топливо для ДВС или электричество для ЭД) в силу существующей ценовой политики уменьшаются.
1,5
Е'/Е 1,3
1,2 1,1 1
0,9 0,8
'___
-
б
10 12 14 16 18 20
v, км/ч
1,4 1,3
Е'/Е 1,2
1,1 1
0,9 0,8
в
1,2
1,1
Е'/Е 1
0,9 0,8
V
10 12 14 16 18 20
v, км/ч
v, км/ч
Обозначение -----ю™ — ■ - зб i
Рис. 1. Соотношение эксплуатационных расходов по судну с различными вариантами СЭУ:
а - РиПИуЬ; б - НуЬ 40/60, в - А11-Е1.
Характерное значительное увеличение расходов для «зеленых» судов при скоростях более 16 км/ч и длине линии эксплуатации более 35 км связано с тем, что при росте скорости необходимая мощность пропульсивного комплекса возрастает пропорционально V3, км/ч. Это приводит к значительному росту «банка батарей», их массы (рис. 2), расходов на зарядку, увеличению водоизмещения судна.
Рис. 2. Относительная масса АКБ в полном водоизмещении судна.
Изменение строительной стоимости и эксплуатационных расходов, зависящих от нее, для судна с полностью электрической установкой (All-El) можно проследить по графикам на рис. 3. Стоит отметить, что у дизельного варианта судна эти расходы увеличиваются менее интен -сивно.
Ст'/Ст
3 2,5 2 1,5 1
10 12 14 16 18 20
Обозначение -----ю км — ■ - 35 км
/
v, км/ч
-60 км
Рис. 3. Соотношение строительной стоимости судна варианта «А11-Е1» и судна с дизельной СЭУ.
График (рис. 3) показывает, что стоимость судна с электродвижением может быть превышена более чем в 2,5 раза. Это объясняется тем, что для таких значений скоростей стоимость АКБ
1,6
3,5
играет решающую роль. В зависимости от скорости и длины маршрута доля стоимости АКБ в капитальных вложениях по судну составляет от 11 до 35%.
Другим важным показателем экономической эффективности является срок окупаемости судна, отражающий отношение капитальных вложений на строительство судна к прибыли от его эксплуатации. На рис. 4 приведены соотношения сроков окупаемости Т' судна с электродвижением к судну с механической СЭУ.
т'/т
4
а 3,5 3 2,5 2 1,5 1
/ 4
/
1 ""
2
т'/т
1,5
10 1 2
14 16 18
20
V, км/ч
1 2
14 16
18 20
V, км/ч
2,8
в
2,4 т'/т 2
1,6 1,2 0,8
//
/
^ •
ГГ--
10 1 2 14 16 18
20
V, км/ч
Обозначение -----ю™ — - зьь
Рис. 4. Соотношение срока окупаемости судов с различными вариантами СЭУ: а - РиПИуЬ; б - НуЬ 40/60; в - А11-Е1.
Анализ этих зависимостей позволяет сделать выводы о том, что для любого варианта судна с электродвижением срок окупаемости больше, чем для судна дизель-механической СЭУ. Прежде всего это объясняется тем, что увеличение строительной стоимости значительно превышает увеличение прибыли от эксплуатации судна с перспективной гребной установкой. Таким образом, несмотря на уменьшение эксплуатационных расходов при соответствующих скоростях (рис. 1), окупаемость капитальных вложений «зеленых» судов хуже, чем у традиционных.
В отношении других типов СЭУ судов с электродвижением, в частности вариантов НуЬ а/Ь, стоит отметить, что чем меньше доля использования энергии, накопленной АКБ, тем этот вариант по экономическим показателям более близок к судну с ДВС. В случае использования полного «банка» батарей и ДГ для их подзарядки (вариант FullHyb), при условии высоких эксплуатационных скоростей, экономические показатели имеют наименьшие значения. Объясняется это наличием дополнительно ДГ со значительной мощностью (при большом количестве батарей), а также высокой стоимостью и большим запасом топлива.
Оценить влияние пассажировместимости на рассмотренные выше относительные критерии можно по графикам, приведенным на рис. 5. На них показан характер изменения относительных критериев при различных эксплуатационных данных. Расчеты производились для различных показателей пассажировместимости при длине линии эксплуатации 15 км.
Оценивая характер кривых, можно отметить, что с ростом пассажировместимости и увеличением скорости характер изменения критериев имеет тенденцию к улучшению. Показатели экономической эффективности судов с электродвижением при невысоких скоростях и относительно коротких длинах линии эксплуатации, вне зависимости от числа пассажиров, сопоставимы с аналогичными критериями при использовании дизельной СЭУ.
Е'/Е
1,05 1
0,95 0,9 0,85 0,8
Обозначение
Рис. 5. Влияние пассажировместимости на показатели экономической эффективности «зеленого» судна.
2,5
б
1
10
а
п, пасс
Обсуждение результатов
Обобщающий вывод оценки рациональной области использования «малых» пассажирских «зеленых» судов приведен на рис. 6. Заштрихованная область соответствует сочетаниям скорости хода и протяженности линии эксплуатации, при которых эксплуатационные расходы по судну с электродвижением и вариантам СЭУ полностью электрическим (All-El) не превышает таковых у судна с традиционной дизель-механической СЭУ. Поскольку значения пассажировместимости и протяженности линии эксплуатации сопоставляемых судов одинаковы, то можно говорить, что в заштрихованной области затраты на перевозку одного пассажира на «зеленом» судне меньше.
100
I, км
во 60 40
го а
10 12 14 16 18 20
у, км/ч
Рис. 6. Зона эффективного использования судна с электродвижением.
В целом можно отметить, что при рациональном сочетании эксплуатационных и проектных данных, при относительно небольших скоростях и коротких маршрутах целесообразно использовать полностью электрические энергетические комплексы с возможностью подзарядки батарей (на коротких остановочных пунктах и в ночное время) от береговой сети. Данный вариант прежде всего применим при работе на внутригородских линиях в качестве водных такси и экскурсионно-туристических судов. На пригородных и местных линиях, когда могут потребоваться более высокие скорости хода и их протяженности, наряду с чисто электрическим возможен комбинированный вариант с подзарядкой АКБ дизель-генератором, расположенным на борту судна.
Исследование возможности сделать «зеленые» суда экономически более привлекательными определяют необходимость снижения эксплуатационных расходов и строительной стоимости судна. Современные тенденции в области возобновляемых источников энергии, например солнечной, приводят к необходимости оценки возможности и целесообразности применения подобных систем на судах. Выполненный нами анализ показал, что использование солнечных батарей на рассматриваемых судах приводит к некоторому снижению эксплуатационных расходов. Однако в общем объеме потребной мощности судна процент аккумулируемой солнечной энергии относительно мал - около 10%, что соответствует лишь объему внутреннего потребления электроэнергии на судне (освещение, агрегаты систем, приборы и прочее).
С точки зрения снижения строительной стоимости судов, использующих электрохимические источники энергии, необходимо отметить следующее. В реалиях современных технологий в области разработок электрохимических накопителей энергии с точки зрения снижения их стоимости и массы и увеличения емкости мировые тенденции развиваются медленно. Однако существует положительная мировая практика в этих отраслях: тенденция снижения стоимости АКБ, увеличение их полезной емкости и, соответственно, доли их массы в полном водоизмещении судна. В настоящее время цена литий-ионной батареи, вырабатывающей энергию 1кВт-ч, колеблется в пределах 300...400 $. В перспективе считается вполне достижимой при современных технологиях цена в 150 $. Произведенные нами расчеты и оценка тенденции развития технологий показывают, что строительная стоимость «зеленого» судна, а соответственно и срок его окупаемости, относительно традиционного с ДВС могут уменьшиться до 30%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Веревкин В.Ф. Электроходы в рыбохозяйственном флоте Дальнего Востока // Научные труды Дальрыбвтуза. 2009. № 21. С. 347-355.
2. Купальцева Е.В. Анализ проектных характеристик главных элементов пассажирских судов для внутригородских и пригородных линий // Вестник Гос. ун-та морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2015. № 2(30). С. 119-129.
3. Купальцева Е.В. Особенности математической модели «малого» пассажирского судна с автономной электрической гребной установкой // Вестник Волжской гос. академии водного транспорта. 2017. № 54. С. 113-120.
4. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных дизельных установок. СПб., 2014. 214 с.
5. Nykvist B., Nilsson M. Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nature Climate Change. 2015;5(4):329-332.
6. Review of All-Electric and Hybrid-Electric Propulsion Technology for Small Vessels. Nova Scotia Boat-builders Association. Halifax, 2015. 34 p.
7. Völker T. Hybrid propulsion concepts on ships. Scientific Journal of Gdynia Maritime University. 2013(79):66-76.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Ship Design, Construction of Vessels, and Shipbuilding Technology
D0l.org/10.5281/zenodo.1196689
Kupaltseva E., Ronnov E.
EVGENIIA KUPALTSEVA, Postgraduate, e-mail: Evgenia_Kupaltseva@rambler.ru EVGENIIY RONNOV, Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of the Department of Design and Shipbuilding Technology, e-mail: ptps@vgavt-nn.ru Volga state university of water transport 5 Nesterova St., Nizhniy Novgorod, Russia, 603950
Rationale for the design characteristics
of small passenger vessels with electric propulsion plant
Abstract: The global trend towards the ecologic attractiveness of transport and the reduction of fossil-fuel consumption has conditioned ever stricter requirements on the decrease of polluting emissions. The trend has given impetus to the development of electric propulsion systems including the shipbuilding industry. The number of vessels with electric propulsion plant is increasing year by year. Unlike land transport, the share of recovery energy in the course of operation of a vessel is actually very small, hence the task to determine the sphere of the economically advantageous use of the systems in the fleet. At present, there are no methods to assess the economic effect of the use of the ships with non-traditional ship power plant (SPP) at different operational parameters. To assess the economic efficiency of the vessels with atypical SPP the authors have selected "small" passenger vessels operating in the urban and suburban lines. Such vessels operate on relatively short routes and in the course of operation their modes change frequently. These features are decisive for the use of the atypical SPP. Working out a procedure, the authors have developed a software product in the Visual Basic for Application (VBA) environment. The functional capacities of the system enable one having certain baseline data to calculate criteria for a vessel both with the classic EMS and the specified atypical complex. The corresponding comparison of the received data reveals the positive economic effect. The present article determines the spheres of the most advantageous use of "small" passenger fleet with propulsion motor supplied by electrochemical energy sources.
Key words: passenger ship, electric propulsion, mathematical model, economic efficiency. REFERENCES
1. Veryovkin V.F. Electric vehicles in the fishing fleet of the Far East. Scientific works of Dalrybvtus. 2009;21:347-355.
2. Kupaltseva E.V. Analysis of project characteristics of the main elements of passenger vessels for innercity and suburban lines. A Bulletin of the State University of Sea and River Fleet them. Admiral S.O. Makarov. 2015;2(30): 119-129.
3. Kupaltseva E.V. Peculiarities of mathematical models of "small" passenger ship with auxiliary electric propeller installation // Bulletin of the Volga state Academy of water transport. 2017;54:113-120.
4. The method calculation of the pollutanting emissions into the atmosphere from stationary diesel plants. SPb., 2014, 214 p.
5. Nykvist B., Nilsson M. Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nature Climate Change. 2015;5(4):329-332.
6. Review of All-Electric and Hybrid-Electric Propulsion Technology for Small Vessels. Nova Scotia Boat-builders Association. Halifax, 2015. 34 p.
7. Völker T. Hybrid propulsion concepts on ships. Scientific Journal of Gdynia Maritime University. 2013(79):66-76.
