CC BY
37УДК 629.122:621.331
Е.П. Роннов, доктор технических наук, профессор ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а Е.В. Купальцева, инженер-конструктор ООО ГЦКБ «Речфлота» 603057, г. Нижний Новгород, ул. Бекетова, 3б
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ СУДОВ С АВТОНОМНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДВИГАТЕЛЕМ
Ключевые слова: судно с гибридным приводом, электрическая судовая энергетическая установка, судно-электроход, альтернативные источники энергии.
Отображены общие вопросы и определения для судов с гибридными и электрическими судовыми установками. Рассмотрена возможность использования таких установок на малых судах для внутренних водных путей России.
Используемый при классификации судов термин «суда с гибридным приводом» подразумевает сочетание на транспортном средстве двух или более различных силовых агрегатов либо источников энергии.
Применение таких приводов явилось следствием ряда причин. Так стремление повысить экономические показатели судна за счет уменьшения расходов на топливо, величина которых, как известно, доходит до 40% от суммы эксплуатационных расходов, привело к использованию на основном и вспомогательных режимах движения различных типов двигателей. К судам с гибридным приводом такого назначения относятся, например, высокоскоростные корабли, у которых в качестве маршевых двигателей используются турбины, а для режимов маневрирования установлены более экономичные дизельные двигатели небольшой мощности. На мощных морских буксирах в некоторых случаях для движения без состава предусматриваются отдельные двигатели.
К гибридным относят энергетические установки, у которых возможно применение как механического привода движителя (через редуктор) так и электрического привода в совокупности либо по раздельности. Этот принцип получил распространение с судов дизель-электроходов, на которых в качестве главного двигателя устанавливаются один или несколько дизель-генераторов, а гребной винт или гребные колеса получают крутящий момент от гребного электродвигателя. Дизель-электрические энергетические установки позволяют упростить и повысить надежность систем дистанционного управления работой главных двигателей, обеспечить им постоянство нагрузки и режима работы, что положительно влияет на их моторесурс. Это актуально, например, для ледоколов, работающих набегами в ледовом поле, паромов, эксплуатирующихся на коротких линиях, для судов, по условиям работы которых требуется обеспечить их строгое пространственное позиционирование.
Экологическая и экономическая обстановка в мире дала новый толчок для развития и массового производства транспортных средств с гибридными и электрическими приводами. В автомобиле и автобусостроении гибридизация приобрела свой относительно масштабный характер. С момента выхода первого массового гибридного автомобиля (Toyota Prius, 1997 г.) и до наших дней интерес к «зеленым» технологиям на транспорте растет. Судостроение - область относительно консервативная, однако, гибридный электрический привод воодушевляет все большее количество проектировщиков и судостроителей.
Историю применения электрического привода на судах стоит начинать с внедрения адаптированных дизельных двигателей прошлого столетия. Так весной 1903 г. вступил в строй построенный на Сормовском заводе танкер типа Вандал - первое в мире дизельное судно. Двигательная установка судна представляла собой комбина-
цию дизельных двигателей и электрического привода винтов. С этого времени применение электрической гребной установки было актуально в гражданском и в военном судостроении. На протяжении всего ХХ века электроходы заняли свою нишу: к 90-м годам прошлого столетия в мировом флоте их количество составляло около 2%, а в России около 7% от общего числа эксплуатирующихся судов [1].
Прогресс в «зеленых» технологиях в судостроении обусловлен в значительной мере повышением требований к выбросам и растущими ценами на топливо. В настоящее время зарубежными судостроителями воплощены в жизнь суда, как с гибридным приводом, так и полностью электрические. Последние являются, на наш взгляд, весьма перспективными для речного транспорта в России. Развитие рынка солнечных батарей и технический прогресс в производстве аккумуляторов, способствуют реализации смелых инновационных проектов.
Гребной винт судов с электрической судовой энергетической установкой (ЭСЭУ) приводится в движение электрическим двигателем, черпающим энергию от аккумуляторов, солнечных батарей, ветряных турбин или топливных элементов. В ряде случаев зарядка аккумуляторов осуществляется от береговой сети.
В области применения электрических установок ведутся дискуссии об экономической эффективности и перспективности их использования. Можно выделить следующие основные преимущества электрической гребной установки:
- Экологичность. Практически отсутствуют выбросы выхлопных газов в атмосферу и низкий уровень внешнего шума.
- Низкие транспортные расходы. В сравнении цен на жидкое топливо и электроэнергию (с учетом источника ее генерации)- последняя «выигрывает». В тоже время в ЭСЭУ отсутствует необходимость применения других технических жидкостей, либо их существенное уменьшение.
- Улучшение стоимости жизненного цикла. Электрический двигатель не требует столь сложного технического обслуживания.
- Гибкость при размещении устройств ЭСЭУ. Компоненты установки возможно размещать в любых частях судна, что немаловажно при оптимизации полезных объемов помещений, решении проектных задач обеспечения навигационных качеств.
- Комфорт. Низкий уровень шума и вибрации двигательной установки.
- Высокий КПД электрического двигателя. В сравнении с КПД ДВС электрический двигатель более эффективен. Это так же дает повышение маневренных качеств при относительно небольших затратах мощности.
Однако, при отмеченных преимуществах, электрическая СЭУ в настоящее время обладает рядом весьма весомых недостатков:
- Аккумуляторные батареи. Высокая стоимость, недостаточная емкость, вес, объем и время зарядки современных аккумуляторов являются основными и существенными недостатками для ЭСЭУ.
- Увеличение построечной стоимости. Наличие большого количества электроники, мощной системы хранении энергии, расходы, связанные с установкой и проводкой - все это увеличивает стоимость судна.
- Повышение требования к системам электробезопасности и автоматизации.
- Недостаточность инфраструктуры. Для портов, где предполагается использование электрических судов, необходима установка необходимых «зарядных» станций, а так же наличие для этого достаточных мощностей.
Весьма актуальными «зеленые» суда являются при их работе на внутригородских линиях. Полностью электрические городские водные такси уже ходят во Франции, Бельгии, Германии. Так же электрические катамараны завоевывают в качестве прогулочных и прибрежные морские районы. В таблице приведены характеристики ряда таких судов.
Таблица
Основные характеристики «зеленых» судов
Название судна Главные размерения LxBxT, м Водоизмещение, т Мощность ЭСЭУ, кВт Скорость, км/ч Пассажиро-вместимость, чел.
TÜRANOR Planet Solar 31x15x1,55 89,0 120,0 9,5 60
AQUABUS C60 14x6,85x1,0 14,0 16,0 11,0 60
AQUABUS 850T 8,5x2,5x0,55 2,9 8,0 8,0 12
AQUABUS 850T 8,5x2,5x0,55 2,9 8,0 8,0 12
AQUABUS 1050T 10,5x2,5x0,55 4,6 8,0 9,0 24
NYAMI 54 15x4,3x0,83 16,0 150 15,0 54
NYAMI 70 14x4,3x1 - 100 11,0 70
NYAMI 97 16x5x0,83 16,0 150 18,5 100
ZEMSHIP 25,4x5,36x1,3 72,0 100 15,0 100
ISA AF LYNGNERN 13x4x1,2 30,0 40 9,0 40
SOLAR UNO Watertaxi 9,5x2,95x0,85 - 4,3 12,0 20
SUNCAT 58 17,6x6,85x1 13,0 16 15,0 60
RA66 HELIO 20x4,6x0,6 12,0 16 12,0 50
Проанализировав данные по судам с «нулевыми выбросами» можно выделить следующие основные их характеристики:
- Преимущественно данные суда являются катамаранами. Данный конструктивный тип обусловлен, прежде всего, уменьшением сопротивления и, как следствие, достижения максимальной скорости при невысоких мощностных затратах.
- Маломощная силовая установка. Зачастую «зеленые» суда оснащены невысокой по производительности силовой установкой. Это связано с тем, что основную массу таких судов составляют аккумуляторы, число которых напрямую зависит от мощности движительного комплекса.
- Невысокая скорость. Скорость разъездных судов с ЭСЭУ колеблется в диапазоне 8.. .12 км/ч. Такие невысокие показатели обусловлены, прежде всего, ограничениями скорости на внутригородских рейдах, а так же прямой зависимостью от мощности ЭСЭУ и энергоёмкости буферных батарей с одной стороны, и требуемым временем автономного плавания с другой.
- Использование альтернативных источников энергии. В качестве дополнительных источников повсеместно применяются солнечные батареи, располагаемые на верхней палубе таких судов. Их энергия, в свою очередь, используется как для внутренних судовых нужд, так и для зарядки аккумуляторов.
- Размещение пассажиров. При заявленной пассажировместимости, большая масса людей располагается на тентованных палубах либо в небольших надстройках, оборудованных креслами, или открытых палубах. Трюмы данных судов занимают машинное помещение и помещения системы хранения энергии.
Как видно, электрический привод занял свою, пусть и небольшую пока, нишу. Гонка за нулевыми выбросами и снижением эксплуатационных затрат движет новыми разработками в области элементов сохранения энергии - аккумуляторы год от года становятся более легкими и емкими, свое место вскоре займут суперконденсаторы и топливные элементы.
Конечно, электрический привод, ровно, как и альтернативные источники энергии,
в настоящее время дороги в исполнении и порой сомнительны в окупаемости - данная тенденция заслуживает внимания и развития. Рынок еще пока в стадии единичных исполнений и, безусловно, при переходе на серийное производство, компоненты будут становиться дешевле. Серьезные экологические преимущества судов с электрическим приводом в условиях, когда требования минимизации воздействия на окружающую среду являются определяющими, вопросы окупаемости остаются важными, но могут оказаться не главными. Они могут решаться различными путями, которые в настоящее время в проблеме экология - окупаемость уже известны. «Зеленые» суда, как отмечалось выше, уже используются в Европе как водные такси. Нам представляется, что в ближайшей перспективе такой флот потребуется для организации внутригородских перевозок в ряде городов нашей страны. Прежде всего такие суда являются чрезвычайно перспективными для обеспечения широко развитых туристско-экскурсионных перевозок по многочисленным рекам и каналам Санкт-Петербурга. Существующая в настоящее время флотилия малых судов с дизельными СЭУ, конечно, не способствует обеспечению надлежащего уровня экологичности мегаполиса. Однако постройке «зеленых» судов должен предшествовать не только этап исследовательского проектирования, но необходимо выполнить серьезные научные исследования. Их результатом должно быть обоснование типо-размерного ряда оптимальных элементов и характеристик судов с электрическим приводом и их архитектурно -конструктивных особенностей, соответствующих как заданным условиям эксплуатации, так и выпускаемым промышленностью комплектующих изделий. Для этого потребуется решить многие частные общепроектные задачи, связанные с обеспечением ходкости, вместимости, баланса масс, обоснования параметров и оптимальных схем электрической СЭУ и др. Их решение будет усугубляться отсутствием опыта проектирования и статистической базы по этим судам. Но подобные проблемы всегда имеют место при создании принципиально новых инженерных объектов и, как правило, успешно решались.
Список литературы:
[1] Международная научно-практическая конференция , посвященная 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» 1-2октября 2009г. Санкт-Петербург. В.Ф.Веревкин, В.В. Миханошин. Электроходы на российских водных путях. с.241 -244
[2] Dr. Antonio Sciaretta, Prof. Dr. Lino Guzzella. Vehicle Propuslion systems. Zürich: SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2007
[3] Sven De Breucker, Eefje Peeters, Johan Driesen, Possible applications of Plug-in Hybrid Electric Ships, 2008
[4] Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion, Alf Kâre Âdnanes, ABB AS Marine, 2003
PROSPECTS OF CREATING ALL-ELECTRIC VESSELS
E.P. Ronnov, E. V. Kupaltseva
Key words: vessel with hybrid propulsion plant, electric ship propulsion plant, electric ship, alternative sources of energy.
Common questions and descriptions for vessels with hybrid and electric power plant are presented. The possibility of applications such systems in small vessels for the Russian inland waterways are considered.
