CC BY-NC
3
УДК 621.355:629.561.1 EDN: JCUVXB
С.Ю. Афанасьева, А.В. Кошелев, П.В. Чернев
ООО ПКБ «Петробалт», Санкт-Петербург, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ СИСТЕМ В КАЧЕСТВЕ ОСНОВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ НА СУДАХ
Объект и цель научной работы. Исследуются перспективы внедрения аккумуляторных батарей в качестве основного источника энергии на российские суда. Целями работы являются обзор и оценка современного состояния отрасли аккумуляторных судов в России, а также определение перспектив развития отрасли.
Материалы и методы. Использованы публикации в научных и отраслевых журналах, затрагивающие тему исследования; тематические изыскания производителей оборудования; соответствующие новостные ресурсы, интернет-сайты. Применены традиционные методы аналитического исследования и обобщения опыта. Расчет экономического эффекта эксплуатации аккумуляторного портового буксира произведен на основе опыта и компетенций ООО ПКБ «Петробалт». Основные результаты. Выполнен сравнительный анализ аккумуляторных батарей и ископаемого топлива в контексте особенностей их применения как основного источника энергии на судах. Изучены модели использования аккумуляторных судов различных типов, определены их взаимосвязи с географическими особенностями соответствующих регионов. Выполнен анализ условий, благоприятных для внедрения аккумуляторных судов в России; описаны перспективы развития данной отрасли. Более подробно рассмотрены электрические портовые буксиры: выполнен анализ целесообразности их внедрения в обеспечение портов России на примере Большого порта Санкт-Петербург, а также предложена модель распределения буксирного флота по назначению в зависимости от типа энергетической установки.
Заключение. Российские электрические прогулочные суда находятся на стадии активного развития. В ближайшие годы следует ожидать распространения электрических речных и прибрежных паромов. Следующей областью применения аккумуляторных батарей как основного источника энергии на российских судах могут стать портовые буксиры. Их внедрение целесообразно проводить в рамках разрешения проблемы нехватки буксиров в морских портах нашей страны. Этот шаг будет способствовать повышению эффективности буксирного флота, а также снижению вредных выбросов в портовых акваториях.
Ключевые слова: водный транспорт, аккумуляторные батареи, электрические суда, развитие электрического судоходства, экология транспорта, электрический буксир, применение буксирного флота. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
UDC 621.355:629.561.1 EDN: JCUVXB
S.Yu. Afanasieva, A.V. Koshelev, P.V. Chernev
Petrobalt Design Bureau, St. Petersburg, Russia
APPLICATION OF STORAGE BATTERIES AS PRIMARY POWER SOURCE FOR SHIPS
Object and purpose of research. This paper examines the prospects for using storage batteries as the main power source of the Russian vessels. The purpose of the paper is to review and assess the current state of vessels on storage batteries in Russia, as well as to identify prospects for development.
Materials and methods. The research included reviewing of publications in research and trade journals concerning the subject as well as analyzing equipment manufacturers' studies and data from relevant news platforms and websites. Traditional
Для цитирования: Афанасьева С.Ю., Кошелев А.В., Чернев П.В. Применение аккумуляторных систем в качестве основного источника энергии на судах. Труды Крыловского государственного научного центра. 2024; 4(410): 149-162. For citations: Afanasieva S.Yu., Koshelev A.V., Chernev P.V. Application of storage batteries as primary power source for ships. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2024; 4(410): 149-162 (in Russian).
methods of desk studies and experience generalization are applied. The economic effect gained from the operation of a battery harbour tug is evaluated based on the experience practice and competence of the Petrobalt Design Bureau. Main results. A comparative analysis of storage batteries and fossil fuels as primary power source on vessels is performed within the research. Battery ships of various types are considered and examined in the context of different geographic regions. Favourable conditions for using battery vessels in Russia are identified and an outlook for developing such vessels is given. Battery harbour tugs are considered in more detail. Feasibility analysis for their implementation in Russian harbours is done based on the Big Port of St. Petersburg as an example. A model of tug fleet distribution by purpose depending on the powerplant type is suggested. Conclusion. The Russian sphere of electric pleasure boats undergoes an active development. A wide use of electric inland and coastline ferries should be expected in the near future. Battery harbour tugs can be the next vessel type in line. Their implementation is advisable in view of the shortfall of tugboats in the seaports of Russia. This step is expected to raise the efficiency of tug fleet as well as reduce the harmful emissions in harbour areas.
Keywords: water transport, storage battery, electric ships, development of electric shipping, transport ecology, battery tug,
application of tug fleet.
The authors declare no conflicts of interest.
Введение
Introduction
В последние десятилетия наблюдается рост интереса со стороны судостроителей, судоводителей и судовладельцев к применению аккумуляторных батарей (АКБ) в качестве основного источника энергии на морском транспорте. На это есть следующие причины:
■ жесткие требования к выбросам с судов, предъявляемые конвенцией МАРПОЛ 73/78 [1]: необходимость искать способы их снижения или строить суда тех типов, к которым данные требования неприменимы;
■ социальный тренд на защиту окружающей среды, применение экологически чистых технологий;
■ характеристики электрического судна, привлекательные для пользователя: малая шумность,
незначительные вибрации, отсутствие выхлопных газов на прогулочных палубах; ■ хорошая управляемость, точность позиционирования, простота эксплуатации.
1. Аккумуляторные батареи как источник энергии
1. Storage batteries as power source
В табл. 1 приведены данные исследования MAN Energy Solutions [2], в котором выполнено сравнение плотности энергии (МДж/л) судовых аккумуляторных батарей и различных видов топлива. Значения в таблице не учитывают изоляцию, системы охлаждения и управления, собственные массы топливных танков.
Так, определенное количество энергии, запасенное в виде аккумуляторных батарей, потребует
Таблица 1. Сравнение способов хранения энергии Table 1. Comparison of power storage methods
Способ хранения энергии Удельная энергия, МДж/кг Плотность энергии, МДж/л Соотношение плотности энергии Значение объема для сравнения, м3
Высокоэнергетическая судовая литий-ионная батарея 0,5 0,54 1 1000,0
Дизельное топливо (МБО) 42,7 36,7 67,96 14,7
Тяжелое топливо (НТО) 40,5 35 64,81 15,4
СПГ (при -162 °С) 50 22 40,74 24,5
СУГ (при -50 °С) 42 26 48,15 20,8
Метанол 18 15 27,78 36,0
Жидкий аммиак (при -33 °С) 18,6 12,5 23,15 43,2
Жидкий водород (при -253 °С) 142 10 18,52 54,0
в 64,8 раза больший объем, чем при запасании такого же количества энергии в виде тяжелого судового топлива.
Расчет удельной энергии (МДж/кг) и плотности энергии (МДж/л) аккумуляторных батарей совместно с системами управления и хранения выполнен в соответствии с данными об электрических речных контейнеровозах COSCO Shipping (КНР, 2023) (рис. 1) и приведен в табл. 2. Эти контейнеровозы имеют аккумуляторные батареи контейнерного исполнения: находясь в рейсе, они выполняют заходы в порты по маршруту движения, где происходит замена разряженных аккумуляторных контейнеров на заряженные.
Очевидно, что суда, оснащенные аккумуляторными батареями в качестве основного источника энергии, имеют значительно меньший запас хода без подзарядки, чем аналогичные им суда, оперирующие на ископаемом топливе. Поэтому аккумуляторным судам свойственны специфические модели использования в сравнении с судами, имеющими традиционную энергетическую установку.
2. Модели использования. Реализованные проекты
2. Models of use. Implemented projects
Можно выделить три основные модели использования, которые присущи судам, оснащенным
Таблица 2. Расчет характеристик аккумуляторных батарей речных контейнеровозов COSCO Shipping [4, 5]
Table 2. Estimation of storage battery characteristics for COSCO Shipping inland containerships [4, 5]
Характеристика Ед. изм. Значение
Количество аккумуляторных контейнеров на судне шт. 36
кВтч 57 600
Полная энергия аккумуляторных контейнеров МДж 107 360
Масса аккумуляторных контейнеров кг 791 000
Общий объем аккумуляторных контейнеров м3 1100
кВтч 1600
Энергия, запасенная в одном контейнере МДж 5760
Масса одного контейнера кг 11 000
Объем одного контейнера м3 33,3
Удельная энергия аккумуляторного контейнера МДж/кг 0,16
Плотность энергии аккумуляторного контейнера МДж/л 0,17
Рис. 1. Электрический контейнеровоз COSCO Shipping [3]
Fig. 1. COSCO electric Shipping containership [3]
АКБ в качестве основного источника энергии. В табл. 3 приведено описание данных моделей, а также некоторые из соответствующих им типов судов. Данные по рыболовным судам, судам обеспечения объектов аквакультуры и вспомогательным судам не приводятся ввиду их специфики.
Далее рассмотрены характеристики типов судов, приведенных в табл. 3, связанные с особенностями регионов, в которых применяются эти суда.
Таблица 3. Модели использования судов на аккумуляторных батареях Table 3. Models of using battery vessels
№ п/п Модель использования Типы судов Необходимая инфраструктура
1 ■ Курсирование между близко расположенными причалами ■ Подзарядка во время посадки/высадки пассажиров и погрузки/выгрузки грузов ■ Прибрежные и речные паромы (пассажирские и грузопассажирские) ■ Грузовые суда (в специфических случаях) ■ Городские маршрутные пассажирские суда ■ Зарядные станции на причалах
2 ■ Эксплуатация в пределах определенного расстояния от мест подзарядки ■ Зарядка во время стоянки ■ Буксиры ■ Бункеровшцки ■ Прогулочные суда ■ Зарядные станции на местах стоянки
3 ■ Переход на значительные расстояния вдоль берега (речные и прибрежные акватории) ■ Заходы в порты по маршруту для замены разряженных аккумуляторов на заряженные ■ Речные и прибрежные грузовые суда (контейнеровозы, балкеры и т.д.) ■ Речные и прибрежные круизные пассажирские суда ■ Контейнерные терминалы по маршруту движения ■ Зарядные станции в контейнерных терминалах
Таблица 4. Российские прогулочные пассажирские суда [6-9] Table 4. Russian pleasure boats [6-9]
Ед. изм. Судно
Характеристика ТФРП.401 Эковольт 1.0 Экокруизер 2-палубный Москва 2.0 Looker 1100H
Верфь - «Эмпериум» «Паритет-центр»
Район эксплуатации - г. Москва г. Санкт-Петербург г. Пермь, р. Кама г. Москва р. Волга
Кол-во судов шт. 20 1 3 25(план) 1
Длина м 21,8 22 31,3 33,3 32,3
Ширина м 6,2 8,2 10,3 8 9,90
Осадка м 1,41 1,2 1,45 1,2 1,40
Надводный борт м 1,29 1,2 2,15 2,05 4,09
Водоизмешение т 40 Н/д 74 Н/д 82
Число пассажиров - 50 100 130 130 130
Главные двигатели кВт 2x134 2x200 2x400 2x200 2x600
Батареи кВт-ч LFP 500 LFP 600 (LTO 300) 1200 550 1130
Дальность хода - 150 км 10 ч., 140 км 180 км Н/д Н/д
Скорость экспл. км/ч 18,5 13,9 13,0 12,0 20,4
Скорость макс. км/ч 22,2 27,8 40,7 Н/д 29,6
2.1. Прогулочные суда
Прогулочные электрические суда, благодаря комфорту и привлекательности для пассажиров, находят распространение в городах по всему миру, в т.ч. в России. Они используются в прибрежных морских районах, в акваториях крупных рек, а также в качестве дополнения к городскому общественному транспорту. Характеристики российских прогулочных пассажирских судов приведены в табл. 4.
2.2. Паромы
Эксплуатация электрических пассажирских и грузопассажирских паромов распространена в странах Скандинавии, что объясняется особенностями их географии. Так, наземный пассажиропоток Норвегии пересекает фьорды шириной 4-10 км, через которые строить мосты и тоннели технически сложно и экономически нецелесообразно. В Дании и Швеции же население шхерных районов вынуждено активно эксплуатировать средства водного транспорта для связи с Большой землей.
В России эксплуатация паромов целесообразна на речных переправах через крупные реки, а также в ряде морских акваторий (напр. Севастопольская бухта). В настоящее время ООО «Эмпериум» [8] разработан проект электрического парома (Рагот -
в табл. 5), но ни одного российского судна данного типа не построено. В табл. 5 приведены характеристики морских прибрежных электрических грузопассажирских паромов.
2.3. Грузовые суда
Грузовые суда с аккумуляторными батареями распространены значительно менее, чем различные малые суда, рассмотренные выше. Поэтому невозможно выделить наиболее свойственную грузовым аккумуляторным судам модель использования: в каждом случае она индивидуальна.
Так, контейнеровозы COSCO Shipping Green Water 01 и COSCO Shipping Green Water 02 оснащены батареями в контейнерном исполнении, которые по мере расходования заряда заменяются на заряженные в речных контейнерных терминалах. Данные суда выполняют рейсы длиной -340 км (185 миль) по р. Янцзы между г. Нанкином и г. Шанхаем [4, 5]. На указанном маршруте на них установлено 24 аккумуляторных контейнера (при максимальном количестве 36). Актуальность применения подобных контейнеровозов объясняется высокой частотой расположения контейнерных терминалов с возможностью зарядки батарей (в среднем каждые 90 км на
Таблица S. Характеристики паромов [S, 10-13] Table S. Characteristics of ferries [S, 10-13]
Характеристика Ед. Судно
изм. Bast0 Electric Ampere Ellen Parom 19411
Страна - Норвегия Норвегия Дания Россия Россия
Район эксплуатации - Осло-фьорд Шхеры Шхеры Н/д* Балтийск
Количество судов шт. 3 31+18 (2024 г.) 1 0, проект 0, остановлен
Длина м 139,1 76,4 60,0 49,0 36,0
Ширина м 11,0 10,8 13,0 11,5 10,0
Осадка м Н/д 3,7 Н/д Н/д 1,8
Грузоподъемность - 600 пасс. 200 легковых 600 пасс. l20 легковых 200 пасс. 30 легковых 80 пасс. l5 легковых 80 пасс. S0 легковых
Емкость батареи МВтч 4,3 1090 4,3 Н/д Н/д
Дальность хода на одной зарядке - 10 км 30 мин. 5,5 км 20 мин. 40 км Н/д 45 км (при l3 км/ч)
Скорость макс. км/ч уз Н/д Н/д 18 15 15 8 13 7
р. Янцзы), а также наличием дешевой избыточной электроэнергии, производимой крупными гидроэлектростанциями.
Контейнеровоз Yara Birkeland выполняет рейсы между портами Бревик и Порсгрунн длиной -6,5 миль (12 км). Зарядка батарей выполняется в обоих портах во время погрузочно-разгрузочных операций. Особенностью судна является его полная автономность.
Танкеры-бункеровщики Asahi и Akari являются первыми в мире электрическими танкерами. Полная зарядка их батарей занимает 10 ч и осуществляется на месте стоянки [14, 15]. Отмечается, что, помимо снижения шума и вибраций, а также отсутствия вредных выбросов, данным судам свойственны меньшие затраты на обслуживание двигателей, чем судам с традиционной пропульсивной установкой.
Характеристики перечисленных судов приведены в табл. 6.
2.4. Буксиры
Внедрение технологий по снижению выбросов особенно важно для портового буксирного флота, т.к. администрациями портов вводятся соответствующие ограничения. Аккумуляторные батареи применяются в рамках гибридной модели использования: на малом удалении от зарядной станции или при движении на малом ходу основным источником энергии являются АКБ; дизель-генераторы же применяются для более длительных переходов в акватории рейда или между портами.
Помимо отсутствия вредных выбросов при эксплуатации в порту, электрические буксиры характеризуются удобством в управлении и хорошей маневренностью, что повышает их привлекательность для администраций портов и судоводителей. Характеристики существующих буксиров с электрической энергетической установкой приведены в табл. 7.
Таблица 6. Характеристики электрических грузовых судов [4-5, 14-18] Table 6. Characteristics of electric cargo vessels [4-5, 14-18]
Характеристика Ед. Судно
изм. COSCO Shipping Yara Birkeland Asahi, Akari
Назначение судна - Контейнеровоз Автономный контейнеровоз Танкер
Государство постройки - КНР Норвегия Япония
Район эксплуатации - р. Янцзы Фриерфьорд, Телемарк Токийский залив
Количество судов - 2 1 2
Год постройки - 2023 2020 2021 2023
Длина м 119,8 80,0 62,0
Ширина м 23,6 14,8 10,3
Осадка м 5,5 4,0 4,15
Дедвейт т 10 000 3150 Н/д*
Грузовместимость - 700 TEU 120 TEU 1277 м3
Размещение ЭУ - 36хАКБ-контейнеры Стационарные АКБ Стационарные АКБ
Пропульсия кВт 2 ВФШх900 2 ВРКх900 2 ПУх700 2 ВРКх300 2 ПУх68
Батареи кВт-ч 50 000 Н/д 3480
Скорость экспл. уз Н/д 6 10
Скорость макс. уз 12 13 Н/д
Дальность хода м. м. Н/д Н/д 100
Таблица 7. Характеристики электрических буксиров [19-23] Table 7. Characteristics of electric tugs [19-23]
Судно
Ед.
ХаРактеРистика изм ElectRA 2300 ElectRA 2500
eWolf Sparky §X §X
Государство постройки - США Вьетнам Турция Турция
Район эксплуатации - Сан-Диего Окленд Ванкувер Чили
Количество судов - 1 1 2 0
Год постройки - 2024 2020 2024 2025
Длина м 25,0 24,73 23,40 25,4
Ширина м 12,2 13,13 11,85 12,0
Осадка м 4,9 6,0 5,6 5,9/6,1
Тяга т 70 70 70,8 78/83
Батареи кВт-ч 6200 2874 3620 4290
Электрическая пропульсия (2 ВРК) кВт 2x2050 2x2390 Н/д* Н/д
ВДГ кВт н/д 2x1000 2x940 2x940
Скорость макс. уз 12 Н/д 13 Н/д
Дальность хода м. м. Н/д 2-3 заводки на одной зарядке Н/д Н/д
* Н/д - нет данных.
Опыт эксплуатации буксира Sparky в порту Окленд, Новая Зеландия, показывает, что его эксплуатационные затраты приблизительно в 3 раза ниже, чем у аналогичного буксира с дизельной энергетической установкой [24]. Отмечается, что его периоды работы на аккумуляторах длятся 2-3 ч, после чего он возвращается к месту зарядки. В день буксир принимает участие в 3-5 буксирных операциях [25].
3. Перспективы развития сферы в России
3. Outlook for development in Russia
3.1. Прогулочные суда
Взаимоопределение предложения и спроса обеспечивает стабильное развитие сферы электрических прогулочных судов в России. Суда проекта «ТФРП.401» внедрены в Москве; прорабатывается внедрение проекта «Москва 2.0» в Санкт-Петербурге, Москве, Перми, Уфе [26]. Развивается ряд других проектов, в т.ч. катамаранного типа.
3.2. Паромы
На стадии нереализованных остаются электрические паромы. Сообщается, что строительство паро-
ма проекта 19411, начатое в 2021 г., было остановлено в 2022 г. по причине прекращения поставок зарубежного оборудования. На настоящий момент проект переработан, планируется возобновление строительства [27]. Полная оценка целесообразности дальнейшего внедрения подобных паромов будет получена по результатам опыта эксплуатации, однако есть все основания ожидать расширения и этой сферы электрического судоходства.
3.3. Грузовые суда
Активное развитие речных транспортных путей в России может стать причиной внедрения АКБ на грузовые суда для внутренних акваторий. Этому способствуют низкие - по сравнению с морскими судами - скорости движения и более мягкие требования к мореходности. Отсутствие шума и выхлопных газов с электрических судов положительно скажется на комфорте жителей населенных пунктов, расположенных вдоль рек.
Ввиду значительной протяженности маршрутов речные электрические грузовые суда предполагают использование заменяемых аккумуляторных батарей контейнерного исполнения. Это является и основным препятствием для их внедрения: в аквато-
риях речных портов России слабо распространены контейнерные терминалы и отсутствуют достаточные перегрузочные мощности для замены разряженных контейнерных АКБ на заряженные; также отсутствует инфраструктура для зарядки аккумуляторов. Решение данных задач можно ожидать в будущем, однако в настоящее время перевод речного судоходства на электроэнергию аккумуляторов нецелесообразен.
3.4. Буксиры
Портовые буксиры с АКБ в качестве основного источника энергии могут быть востребованы в нашей стране. Это связано как с общей нехваткой буксиров в российских портах и необходимостью замены старых единиц флота, так и с хорошими эксплуатационными характеристиками электрических буксиров. Можно отметить, что в мире постепенно растет интерес к внедрению гибридного электрического буксирного флота: создаются проекты (Robert Allan Ltd. [28], Damen [29]), строятся и поставляются новые суда.
4. Внедрение электрических буксиров на примере Большого порта Санкт-Петербург
4. Implementation of battery tugs in the Big Port of St. Petersburg
4.1. Проблема Большого порта
Среди типов судов, рассмотренных в разделе 3, прогулочные суда и паромы находятся на различных стадиях развития. Внедрение грузовых судов в России целесообразно лишь в перспективе, при условии удовлетворения их инфраструктурных потребностей. Потенциально перспективной нишей для нашей страны остается внедрение электрических буксиров.
Проблемы строительства буксирного флота для российских портов активно обсуждаются в связи с его нехваткой и старением. Особый интерес в этом отношении представляет Большой порт Санкт-Петербург. Он включает в себя акватории торгового и пассажирского портов, расположенные в устье р. Невы, многофункциональный перегрузочный комплекс «Бронка» в г. Ломоносове, а также порт на о. Котлин [30]. Помимо этого, в г. Санкт-Петербурге расположены значительные судостроительные и судоремонтные мощности.
Функционирование портов, судостроительных и судоремонтных предприятий подразумевает привлечение портовых буксиров. Сегодня наблюдается
их дефицит: исследование О.А. Изотова [31] показывает, что в 2020 г. для обслуживания одного только Большого порта Санкт-Петербург при полной загрузке было необходимо 35 портовых буксиров при 11 доступных для одновременной работы и 15 существующих. На данный момент ситуация не изменилась. Пандемия COVID-19 и антироссийские санкции 2022 г. снизили степень нехватки буксирного флота за счет общего снижения грузооборота, однако это можно расценивать лишь как временное явление.
При этом существует противоречие между запросами администрации порта на количество буксиров и экономической целесообразностью их использования для буксирных компаний. Так, в [31] отмечается, что в 2020 г., при потребности порта в 35 буксирах буксирным компаниям было целесообразно содержать лишь 19 ввиду нелинейного изменения дохода от эксплуатации при увеличении количества судов. Это означает, что, помимо налаживания взаимодействия между администрацией порта и буксирными компаниями, необходимо стремиться к снижению эксплуатационных затрат буксирного флота.
4.2. Модели использования буксиров в Большом порту
В настоящее время, согласно данным порталов отслеживания судов marinetraffic.com и goradar.ru, буксиры, которые обеспечивают проводку судов в акваториях Большого порта Санкт-Петербург, вынуждены регулярно перемещаться между портами, расположенными на значительном удалении друг от друга (Санкт-Петербург - Кронштадт -Бронка). Можно отметить отсутствие четкого разделения буксирных мощностей на портовые (буксиры-кантовщики) и эскортные: находящиеся в эксплуатации суда совмещают функции этих двух типов. Это ведет к снижению доли времени их полезной работы, уменьшению эффективности.
Данный факт подтверждается результатами исследования Robert Allan Ltd. [32]. Они показывают значительные различия между моделями использования буксиров-кантовщиков и эскортных буксиров, что отражено на рис. 2.
В отличие от эскортных буксиров, которым свойственны длительные переходы с эксплуатационной скоростью, буксиры-кантовщики значительную часть времени (-35 %) проводят на стоянке.
Ключевыми характеристиками буксиров-кантовщиков являются большая (60-70 т) тяга на винтах, а также повышенная маневренность и точ-
Рис. 2. Сравнение моделей Доля эксплуатационного времени использования буксира-
кантовщика и эскортного буксира [32]
Fig. 2. Comparison of models of use for a harbour duty tug and a ship-assist tug [32]
60% 50%
40%
30%
20%
10%
Буксир-кантовщик Эскортный буксир
ность управления, необходимые для работы в ограниченной акватории.
В совокупности с малым удалением от места стоянки перечисленные особенности в полной мере присущи электрическим буксирам. Помимо названных полезных свойств, они бесшумны и не создают вредных выбросов.
Решением проблемы нехватки буксиров в Большом порту Санкт-Петербург может стать внедрение новых электрических буксиров-кантовщиков ввиду их хороших эксплуатационных характеристик для данного назначения. Зона их работы расположена только в акватории порта; в случае необходимости дальние переходы за пределы порта осуществляются с помощью дизель-генераторов.
Дизель-электрические буксиры могут в таком случае быть переведены на роль эскортного флота. Таким образом, будет осуществлена диверсификация буксирных мощностей по назначению в соответствии с оптимальным применением характеристик как судов на аккумуляторах, так и судов с дизель-электрической пропульсией.
4.3. Экономический эффект
Данные, которые приведены в исследовании Ш. Деварапали и Р. Хаямим [33], показывают, что начальная стоимость электрического буксира приблизительно в 2 раза превышает стоимость аналогичного буксира с конвенционной энергетической установкой. Оцененная эксплуатационная стоимость электрического буксира, напротив, в 2 раза меньше, чем дизельного. Оцененный срок окупаемости электрического буксира относительно дизельного составит 10-11 лет при условии отсут-
ствия обязательств по кредиту на покупку судна. Сравнительный расчет затрат на энергоноситель при эксплуатации дизельного и электрического буксиров, приведенный в табл. 8, показывает, что электрический буксир только на нем позволяет экономить около 4 млн руб. в год, не считая экономии от обслуживания и потенциально меньшей численности экипажа.
С учетом выплат по кредиту, дисконтированная стоимость электрического буксира будет меньше, чем стоимость буксиров с гибридной и конвенционной энергетическими установками при условии, что процентная ставка кредита не превышает 6 % годовых.
Несмотря на то, что абсолютное значение стоимостей строительства и эксплуатации буксиров в России могут отличаться от использованных авторами статьи, можно утверждать, что электрические буксиры могут быть выгоднее дизельных при условии их покупки без привлечения кредитных средств, при привлечении дотационных средств или при процентной ставке кредита, значительно меньшей, чем существующая в настоящий момент в России.
Выводы
Conclusion
Внедрение электрических буксиров в обеспечение современных морских портов и верфей перспективно для дальнейшего рассмотрения. Важную роль в принятии решений о строительстве серии портовых электрических буксиров играет модель использования буксиров в конкретном порту и опыт эксплуатации головного судна.
Таблица 8. Сравнение затрат на энергоноситель дизельного и электрического буксиров Table 8. Comparison of energy costs: diesel engine tug vs battery tug
Режим эксплуатации Ед. изм. Буксир-кантовщик Эскортный буксир
ЭУ Дизельная Электр.-я Дизельная Электр.-я
Рабочее время / сут. ч 12 12
Простаивание - 35 % 10 %
Продолжительность ч 4,2 1,2
Мощность ГД + ВДГ кВт 0 0
Кол-во энергии кВт-ч 0 0
Затраты топлива т 0 - 0 -
Малый ход (6 уз) - 25 % 20 %
Продолжительность ч 3 2,4
Мощность ГД + ВДГ кВт 527,3 527,3
Кол-во энергии кВт-ч 1581,9 1265,5
Затраты топлива т 0,373 - 0,262 -
Эксплуатационная скорость (10 уз) - 10 % 50 %
Продолжительность ч 1,2 6
Мощность ГД + ВДГ кВт 1487,3 1487,3
Кол-во энергии кВт-ч 1784,76 8923,8
Затраты топлива т 0,401 - 1,915 -
Тяговое усилие 20 % - 15 % 10 %
Продолжительность ч 1,8 1,2
Мощность ГД + ВДГ кВт 1679,3 1679,3
Кол-во энергии кВт-ч 3022,7 2015,2
Затраты топлива т 0,663 - 0,424 -
Тяговое усилие 50 % - 8 % 5 %
Продолжительность ч 0,96 0,6
Мощность ГД + ВДГ кВт 1430 1430
Кол-во энергии кВт-ч 1372,8 858,0
Затраты топлива т 0,311 - 0,185 -
Тяговое усилие 75 % - 5 % 3%
Продолжительность ч 0,6 0,36
Мощность ГД + ВДГ кВт 1679,3 1679,3
Кол-во энергии кВт-ч 1007,6 604,5
Затраты топлива т 0,221 - 0,127 -
Тяговое усилие 100 % - 2 % 2 %
Продолжительность ч 0,24 0,24
Мощность ГД + ВДГ кВт 1967,3 1967,3
Кол-во энергии кВт-ч 472,2 472,2
Расход топлива г/кВт-ч 194 - 194 -
Затраты топлива т 0,100 - 0,097 -
Стоимость энергии руб./т руб./кВт-ч 50 000 10 50 000 10
Стоимость восполнения запаса энергии в год млн руб. 37 747,41 33 732,00 54 926,95 49 742,78
При планировании развития электроэнергетики в сфере портовой буксировки следует учитывать не только характеристики электрического судна, но и энерговооруженность причальных стенок. Помимо технических характеристик системы, на ход внедрения электрических буксиров может влиять традиционно скептическое отношение специалистов отрасли к применению АКБ в качестве основного источника энергии.
Так же, как это произошло с пассажирскими прогулочными судами на аккумуляторах, демонстрация возможностей аккумуляторного буксира на практике покажет целесообразность продолжения развития данных идей или, напротив, их несоответствие требованиям оператора.
Список использованной литературы
1. Международная конвенция по предотвращению загрязнения с судов 1973 г., измененная протоколом 1978 г. к ней : МАРПОЛ 73/78 : В 3 кн. Санкт-Петербург : ЦНИИМФ, 2017. 3 т.
2. Batteries on board ocean-going vessels. Copenhagen : MAN Energy solutions, 2019. 35 p.
3. Roy J., van. Chinese Cosco launches world's first battery-electric container ship // Newmobility.news : [site]. 2024. May 6. URL: https://newmobility.news/2024/05/ 06/chinese-cosco-launches-worlds-first-battery-electric-container-ship/ (Accessed: 15.06.2024).
4. Morris C. Chinese firm launches fully electric container ship with massive 50,000 kWh battery capacity // Charged EV : [site]. 2024. May 2. URL: https://chargedevs.com/ newswire/chinese-firm-launches-fully-electric-container-ship-with-massive-50000-kwh-battery-capacity/ (Accessed: 15.06.2024).
5. Doll S. A fully-electric 10,000 ton container ship has begun service equipped with over 50,000 kWh in batteries // Electrec : [site]. 2024. May 2. URL: https://electrek.co/2024/05/02/fully-electric-10000-ton-container-ship-begun-service50000-kwh-batteries/ (Accessed: 15.06.2024).
6. Речной аква-электробус проекта ТФРП.401 // Cruiseinform.ru : [сайт]. URL: https://cruiseinform.ru/ catalog/05/3/tfrp401/ (дата обращения: 15.06.2024).
7. Электросудно Ecovolt - перспективный водный транспорт для городов с водными путями // НПК Морсвязьавтоматика : [сайт]. 2019. 1 окт. URL: https://unicont.com/news/elektrosudno-ecovolt/ (дата обращения: 15.06.2024).
8. Электрические суда - новая реальность для водных путей // Emperium : [сайт]. Санкт-Петербург, 2024. URL: https://emperium.ru/#vessels (дата обращения: 15.06.2024).
9. Пассажирский электрический катамаран. Проект L1100H // Sea Tech : [сайт]. URL: http://www.seatech.ru/ rus/project/passengers/l1100/design.htm (дата обращения: 15.06.2024).
10. Moore R. Bast0 Electric: a milestone for sustainable shipping // Riviera Maritime : [site]. 2021. 19 Apr. URL: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/bastoslash-electric-a-milestone-for-sustainable-shipping-65049 (Accessed: 15.06.2024).
11. MF Ampere: The world's first all-electric car ferry // Corvus Energy : [site]. [S. l.], 2024. URL: https://corvus-energy.com/projects/mf-ampere/ (Accessed: 15.06.2024).
12. World's Most Powerful E-Ferry Delivers Exceptional Results According to EU Report // Leclanche : [site]. [2024]. Mar. 31. URL: https://www.leclanche.com/worlds-most-powerful-e-ferry-delivers-exceptional-results-according-to-eu-report/ (Accessed: 15.06.2024).
13. Среднемагистральный автомобильно-пассажирский паром на электроходу проекта 19411 // Нордик Инжиниринг : [сайт]. Москва, 2023. URL: https://nordic-kb.ru/ proect02 (дата обращения: 15.06.2024).
14. HakirevicPrevljakN. World's 1st zero-emission all-electric tanker launched in Japan // Offshore Energy : [site]. 2021. Dec. 27. URL: https://www. offshore-energy .biz/worlds-1 st-zero-emission-all-electric-tanker-asahi-launched/ (Accessed: 15.06.2024).
15. Mandra J.O. World's 2nd zero-emission pure battery tanker makes historic bunkering debut // Offshore Energy : [site]. 2023. Apr. 19. URL: https://www.offshore-energy.biz/worlds-2nd-zero-emission-pure-battery-tanker-makes-historic-bunkering-debut/ (Accessed: 15.06.2024).
16. MajumderR. Cosco Shipping's "Green Water 01" redefines maritime sustainability standards // AL Circle : [site]. 2024. 6 May. URL: https://www.alcircle.com/news/ cosco-shipping-s-green-water-01-redefines-maritime-sustainability-standards-110764 (Accessed: 15.06.2024).
17. MV Yara Birkeland // Yara International : [site]. Oslo, 2024. URL: https://www.yara.com/news-and-media/ media-library/press-kits/yara-birkeland-press-kit/ (Accessed: 15.06.2024).
18. World's First All Electric Bunker Tanker Enters Service in Japan // The Maritime Executive : [site]. 2022. Apr. 27. URL: https://maritime-executive.com/article/ world-s-first-all-electric-bunker-tanker-enters-service-in-japan (Accessed: 15.06.2024).
19. Fully electric U.S. tugboat eWolf propelled by Schottel // Schottel : [site]. 2021. Dec. 08. URL: https://www.schottel.de/en/media-events/press-releases/ press-detail/fully-electric-us-tugboat-ewolf-propelled-by-schottel (Accessed: 15.06.2024).
20. Vessel review. Sparky - All-electric tug delivered to New Zealand's Auckland port // Baird Maritime : [site].
2022. 06 Oct. URL: https://www.bairdmaritime.com/ tugs/harbour-tugs-and-operation/vessel-review-sparky-all-electric-tug-delivered-to-new-zealands-auckland-port (Accessed: 15.06.2024).
21. US Type Azimuthing Thruster // Kongsberg Maritime: [site]. [S. l.], 2024. URL: https://www.kongsberg.com/ maritime/products/propulsors-and-propulsion-systems/ thrusters/us-azimuthing-thruster/ (Accessed: 15.06.2024).
22. ElectRA 2300 SX // Sanmar Shipyards : [site]. URL: https://www.sanmar.com.tr/en/products/electric-tugboats-electra/electra-2300-sx (Accessed: 15.06.2024).
23. BahticF. SAAM Towage's first electric tugs reach Canada // Offshore Energy : [site]. 2024. Mar. 1. URL: https://www.offshore-energy.biz/saam-towages-first-electric-tugs-visit-canada/ (Accessed: 15.06.2024).
24. Sparky - Empowering a Fully Electric Full-sized Tugboat // ComAP : [site]. 2023. 29 Nov. URL: https://www.comap-control.com/insights/sparky-empowering-the-first-fully-electric-full-sized-tugboat-in-the-world/ (Accessed: 15.06.2024).
25. What batteries are used in Sparky the tugboat? // Echan-dia : [site]. 2022. 12 Oct. URL: https://echandia.se/ insights/article/what-batteries-are-used-in-sparky-the-tugboat/ (Accessed: 15.06.2024).
26. Стали известны планы «Водохода» по строительству серии гибридных прогулочных судов «Москва 2.0» // Sudostroene.info : [сайт]. 2023. 18 нояб. URL: https://sudostroenie.info/novosti/40905.html (дата обращения: 15.06.2024).
27. КГТУ изменил проект электропарома и рассчитывает на возобновление строительства : [беседа с ректором Калининградского технического университета (КГТУ) В. Волкогоном] // Интерфакс : [сайт]. 2024. 31 мая. URL: https://academia.interfax.ru/ru/news/articles/13085/ (дата обращения: 15.06.2024).
28. Tugboats... for all reasons // Robert Allan : [site]. [S. l.], 2024. URL: https://ral.ca/designs/tugboats/ (Accessed: 15.06.2024).
29. Damen : oceans of possibilities : [site]. Gorinchem, 2024. URL: https://www.damen.com (Accessed: 15.06.2024).
30. Большой порт Санкт-Петербург : схема // Росморпорт : [сайт]. Москва, 2024. URL: https://www.rosmorport.ru/ filials/ spb_seaports/#SCHEMES_4648-1 (дата обращения: 15.06.2024).
31. Изотов О.А. Организация работы буксирной компании на акватории порта «Большой порт Санкт-Петербург» // Системный анализ и логистика. 2020. Вып. 2(24). С. 3-12.
32. Hertog V. den, Harford K., Stapleton R. RAptures: Resolving the Tugboat Energy Equation // Tugnology'09 : [conference proceedings]. [S. l.], 2009. P. 3 (p. 1-9).
33. Electric tugboat deployment in maritime transportation: detailed analysis of advantages and disadvantages / S. Devarapali, A. Manske, R. Khayamim [et al.] // Maritime Business Review. 2024. Aug. 29 p. DOI: 10.1108/ MABR-12-2023-0086.
References
1. International Convention for the Prevention of Pollution from Ships of 1973 as modified by the Protocol of 1978: MARPOL 73/78: [in 3 books]. Book 3. St. Petersburg: TsNIIMF, 2017. 3 vol. (in Russian).
2. Batteries on board ocean-going vessels. Copenhagen : MAN Energy solutions, 2019. 35 p.
3. Roy J., van. Chinese Cosco launches world's first battery-electric container ship // Newmobility.news : [site]. 2024. May 6. URL: https://newmobility.news/2024/05/ 06/chinese-cosco-launches-worlds-first-battery-electric-container-ship/ (Accessed: 15.06.2024).
4. Morris C. Chinese firm launches fully electric container ship with massive 50,000 kWh battery capacity // Charged EV : [site]. 2024. May 2. URL: https://chargedevs.com/ newswire/chinese-firm-launches-fully-electric-container-ship-with-massive-50000-kwh-battery-capacity/ (Accessed: 15.06.2024).
5. Doll S. A fully-electric 10,000 ton container ship has begun service equipped with over 50,000 kWh in batteries // Electrec : [site]. 2024. May 2. URL: https://electrek.co/ 2024/05/02/fully-electric- 10000-ton-container-ship-begun-service50000-kwh-batteries/ (Accessed: 15.06.2024).
6. River aqua bus of TFRP.401 // Cruiseinform.ru : [site]. URL: https://cruiseinform.ru/catalog/05/3/tfrp401/ (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
7. Electric ship Ecovolt - advanced water-borne transport for cities with waterways // NPK Morsvyazavtomatica: [site]. 2019. 1 October. URL: https://unicont.com/news/elektro-sudno-ecovolt/ (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
8. Electric ships - new reality for waterways // Emperium : [site]. St. Petersburg, 2024. URL: https://emperium.ru/ #vessels (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
9. Electric passenger catamaran. Project L1100H // Sea Tech : [site]. URL: http://www.seatech.ru/rus/project/passengers/ l1100/design.htm (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
10. Moore R. Bast0 Electric: a milestone for sustainable shipping // Riviera Maritime : [site]. 2021. 19 Apr. URL: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/bastoslash-electric-a-milestone-for-sustainable-shipping-65049 (Accessed: 15.06.2024).
11. MF Ampere: The world's first all-electric car ferry // Corvus Energy : [site]. [S. l.], 2024. URL: https://corvusenergy.com/ projects/mf-ampere/ (Accessed: 15.06.2024).
12. World's Most Powerful E-Ferry Delivers Exceptional Results According to EU Report // Lec lanché : [site].
[2024]. Mar. 31. URL: https://www.leclanche.com/ worlds-most-powerful-e-ferry-delivers-exceptional-results-according-to-eu-report/ (Accessed: 15.06.2024).
13. Medium range car-and-passenger ferry with electric propulsion, Project 19411 // Nordic Engineering : [site]. Moscow, 2023. URL: https://nordic-kb.ru/proect02 (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
14. HakirevicPrevljakN. World's 1st zero-emission all-electric tanker launched in Japan // Offshore Energy : [site]. 2021. Dec. 27. URL: https://www.offshore-energy.biz/worlds-1st-zero-emission-all-electric-tanker-asahi-launched/ (Accessed: 15.06.2024).
15. Mandra J.O. World's 2nd zero-emission pure battery tanker makes historic bunkering debut // Offshore Energy : [site]. 2023. Apr. 19. URL: https://www.offshore-energy.biz/worlds-2nd-zero-emission-pure-battery-tanker-makes-historic-bunkering-debut/ (Accessed: 15.06.2024).
16. MajumderR. Cosco Shipping's "Green Water 01" redefines maritime sustainability standards // AL Circle : [site]. 2024. 6 May. URL: https://www.alcircle.com/ news/cosco-shipping-s-green-water-01-redefines-maritime-sustainability-standards-110764 (Accessed: 15.06.2024).
17. MV Yara Birkeland // Yara International : [site]. Oslo, 2024. URL: https://www.yara.com/news-and-media/ media-library/press-kits/yara-birkeland-press-kit/ (Accessed: 15.06.2024).
18. World's First All Electric Bunker Tanker Enters Service in Japan // The Maritime Executive : [site]. 2022. Apr. 27. URL: https://maritime-executive.com/article/ world-s-first-all-electric-bunker-tanker-enters-service-in-japan (Accessed: 15.06.2024).
19. Fully electric U.S. tugboat eWolf propelled by Schottel // Schottel : [site]. 2021. Dec. 08. URL: https://www.schottel.de/en/media-events/press-releases/ press-detail/fully-electric-us-tugboat-ewolf-propelled-by-schottel (Accessed: 15.06.2024).
20. Vessel review. Sparky - All-electric tug delivered to New Zealand's Auckland port // Baird Maritime : [site]. 2022. 06 Oct. URL: https://www.bairdmaritime.com/tugs/ harbour-tugs-and-operation/vessel-review-sparky-all-electric-tug-delivered-to-new-zealands-auckland-port (Accessed: 15.06.2024).
21. US Type Azimuthing Thruster // Kongsberg Maritime: [site]. [S. l.], 2024. URL: https://www.kongsberg.com/ maritime/products/propulsors-and-propulsion-systems/thrusters/us-azimuthing-thruster/ (Accessed: 15.06.2024).
22. ElectRA 2300 SX // Sanmar Shipyards : [site]. URL: https://www.sanmar.com.tr/en/products/electric-tugboats-electra/electra-2300-sx (Accessed: 15.06.2024).
23. Bahtic F. SAAM Towage's first electric tugs reach Canada // Offshore Energy : [site]. 2024.
Mar. 1. URL: https://www.offshore-energy.biz/saam-towages-first-electric-tugs-visit-canada/ (Accessed: 15.06.2024).
24. Sparky - Empowering a Fully Electric Full-sized Tugboat // ComAP : [site]. 2023. 29 Nov. URL: https://www.comap-control.com/insights/sparky-empowering-the-first-fully-electric-full-sized-tugboat-in-the-world/ (Accessed: 15.06.2024).
25. What batteries are used in Sparky the tugboat? // Echan-dia : [site]. 2022. 12 Oct. URL: https://echandia.se/ insights/article/what-batteries-are-used-in-sparky-the-tugboat/ (Accessed: 15.06.2024).
26. Vodohod plans to build a series of hybrid pleasure boats "Moscow 2.0"// Sudostroene.info : [site]. 2023. 18 November. URL: https://sudostroenie.info/novosti/ 40905.html (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
27. KSTU has changed the electric ferry design and counts on resumption of construction: [talk with the Rector of Kaliningrad State Technical University (KSTU) V. Volkogon] // Interfax : [site]. 2024. 31 May. URL: https://academia.interfax.ru/ru/news/articles/13085/ (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
28. Tugboats... for all reasons // Robert Allan : [site]. [S. l.], 2024. URL: https://ral.ca/designs/tugboats/ (Accessed: 15.06.2024).
29. Damen : oceans of possibilities : [site]. Gorinchem, 2024. URL: https://www.damen.com (Accessed: 15.06.2024).
30. Big Port of St. Petersburg : scheme//Rosmorport : [site]. Moscow, 2024. URL: https://www.rosmorport.ru/ filials/spb_seaports/#SCHEMES_4648-1 (Accessed: 15.06.2024) (in Russian).
31. Izotov O.A. Work organization of a tug operating company in the Big Port of St. Petersburg // System analysis and logistics. 2020. Vol. 2(24). P. 3-12 (in Russian).
32. Hertog V. den, HarfordK., Stapleton R. RAptures: Resolving the Tugboat Energy Equation // Tugnology'09 : [conference proceedings]. [S. l.], 2009. P. 3 (p. 1-9).
33. Electric tugboat deployment in maritime transportation: detailed analysis of advantages and disadvantages / S. Devarapali, A. Manske, R. Khayamim [et al.] // Maritime Business Review. 2024. Aug. 29 p. DOI: 10.1108/MABR-12-2023-0086.
Сведения об авторах
Афанасьева Серафима Юрьевна, инженер-конструктор 2 категории ООО ПКБ «Петробалт». Адрес: 199106, Россия, Санкт-Петербург, ул. Карташихина, д. 1-3, лит. А. E-mail: [email protected].
Кошелев Антон Викторович, главный конструктор по перспективному проектированию ООО ПКБ «Петробалт».
Адрес: 199106, Россия, Санкт-Петербург, ул. Карташихина, д. 1-3, лит. А. E-mail: [email protected]. Чернев Петр Викторович, ведущий конструктор по автоматике ООО ПКБ «Петробалт». Адрес: 199106, Россия, Санкт-Петербург, ул. Карташихина, д. 1-3, лит. А. E-mail: [email protected].
About the authors
Serafima Yu. Afanasieva, 2nd category Design Engineer, Petrobalt Design Bureau. Address: Kartashikhina st., 1-3,
lit. A, St. Petersburg, Russia, post code 199106. E-mail: [email protected].
Anton V. Koshelev, Chief Designer, Advanced Design, Petrobalt Design Bureau. Address: Kartashikhina st., 1-3, lit. A, St. Petersburg, Russia, post code 199106. E-mail: [email protected].
Petr V. Chernev, Lead Designer, Automation, Petrobalt Design Bureau. Address: Kartashikhina st., 1-3, lit. A, St. Petersburg, Russia, post code 199106. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 05.07.24 Принята в печать / Accepted: 15.11.24 © Афанасьева С.Ю., Кошелев А.В., Чернев П.В., 2024
