Уже не первый год идет объявленная борьба за экологическую безопасность планеты, в которую включился ряд отраслей промышленности, в том числе судостроение. К движению по сокращению вредных выбросов присоединились и яхтенные верфи, выпускающие как парусные, так и моторные прогулочные суда. Но если парусные яхты в отношении экологии почти безупречны, то с моторными не все так хорошо: там есть о чем беспокоиться. Одно из направлений решения проблемы — электродвижение. Попытаюсь оценить реальное положение дел и перспективы этого сегмента яхтостроения, чтобы понять: камо грядеши?
Говорящие цифры
Мы наблюдаем быстрый рост мирового парка электромобилей, а вот в сфере яхтинга динамика электрификации не столь заметна, на что есть свои причины. Любое судно при движении испытывает сопротивление сред, водной и воздушной, намного превышающее сопротивление движению сухопутного транспорта. Чем тяжелее судно, тем выше его сопротивление, что особенно существенно для электродвижения, так как источники электрической энергии весят немало и отнимают значительную долю полезной нагрузки.
Важный показатель — энергоемкость. При широкой номенклатуре выпускаемых батарей у этого параметра присутствует разброс, но, к примеру, для батареи LiFePO4 его «устойчивая рыночная» величина — 150 Вт/кг. Если взять батарею 12 В емкостью 200 А·ч (2,4 кВт·ч), то весить она будет всего 16 кг при цене 45–50 тыс. руб.
Посмотрим, как далеко мы сможем уехать с этой батареей на лодке длиной 5 м и весом 600 кг с четырьмя пассажирами на борту. Расчеты показывают, что для движения в водоизмещающем режиме со скоростью 10 км/ч потребуется мощность около 9 кВт, и лодка сможет пройти 2,7 км. Или меньше, поскольку даже у лидеров рынка потери электроэнергии на дистанции от батареи до гребного винта достигают 20%.
Разнообразные прогулочные суда оснащаются электромоторами довольно давно. Что дальше?
«Пожертвуем» одним пассажиром, чтобы установить батарею весом 90 кг. Емкость такой батареи будет уже 13,5 кВт·ч, запас хода у лодки с тремя пассажирами — почти 12 км. А сопротивление глиссирующей лодки растет по экспоненте, и запас хода падает соответственно. Таковы реалии: лодка — это не электросамокат, который с батареей 20 А·ч может проехать 60 км.
.jpeg)
Вывод: путь к повышению эффективности электрической пропульсии, помимо увеличения емкости накопителей, лежит через радикальное снижение сопротивления движению за счет снижения веса корпуса судна и применения подводных крыльев там, где это целесообразно. Кто‑то остроумно заметил: «Чисто технически решаемо почти все. Дело лишь в том, есть ли в нашем распоряжении техника для таких решений.»
Классификация судов с электродвижением
Условно прогулочные суда с электродвижением можно разделить на четыре группы.
Первая группа — паромы или пассажирские катера, которые ходят в водоизмещающем режиме и в закрытых акваториях. В качестве накопителей энергии на них применяют современные литиевые аккумуляторные батареи, в частности на базе LiFePO4‑технологии (литий-феррум-фосфат). Эти накопители имеют сложные зарядные контроллеры, обеспечивающие оптимальный заряд каждой ячейки. Энергия поступает на маршевые электродвигатели, которые в свою очередь также управляются специальными контроллерами, обеспечивающими оптимальный момент мощности на гребном валу — в зависимости от требуемой частоты вращения. Вот тут сказывается высокая эффективность электропропульсии по сравнению с ДВС: эффективность современного электродвигателя на постоянных магнитах или с обмотками возбуждения достигает 90% практически во всем диапазоне оборотов.
Для судов, эксплуатация которых значительную часть времени не требует полного хода, это дает ощутимое преимущество в плане расхода энергии, поскольку у ДВС максимум КПД располагается в районе 50–70% от максимальных оборотов (как известно, коробки переключения передач у них нет). Суда этой группы ходят в основном в закрытых акваториях «от розетки до розетки», и в случае внезапного коллапса накопителя энергии им можно быстро оказать помощь. А коллапс возможен. Этот коренной недостаток литиевых батарей вызван нестабильностью процессов заряда/разряда ячеек с высокой энергоэффективностью. Основная опасность — возгорание. В ячейках используется горючий электролит, а условия заряда и эксплуатации оказываются далекими от идеальных. Дело в том, что батареи LiFePO4 при физически малом объеме сохраняют довольно много энергии, которая может быстро извлекаться, например, при резком повышении нагрузки.
Приводящий к пожару внутренний разогрев могут вызывать разные факторы, включая быструю зарядку, причем горящий аккумулятор очень трудно потушить. Поэтому литиевые батареи требуют повышенного внимания на всех этапах: от проектирования систем до их использования.
Конечно, системы управления имеют различные предохранители, но они не могут ограничивать эксплуатационное потребление/получение энергии, и тут существует тонкая грань, переход которой часто приводит к пожарам накопителей энергии. Кроме того, во время эксплуатации при температуре элемента около +60 °C начинаются необратимые процессы. За отметкой +80 °C ускоряются процессы газообразования, и ячейки вздуваются. Идет прогрессивная деградация элемента, и число заявленных циклов «заряд/разряд» вместо 3000 доходит до уровня свинцово-кислотных батарей, то есть ниже в 10 раз.
Мне довелось проектировать «электричку» с использованием самых прогрессивных ячеек, и выяснилось, что в процессе эксплуатации батарей число циклов 3000 сохраняется при соблюдении внешней и внутренней температуры ячейки лишь тогда, когда заряд не превышает 80% максимальной емкости, а разряд не опускается ниже 20%. Это, естественно, приводило к значительному увеличению/удорожанию накопителя по сравнению с данными из рекламы. Иными словами, при среднем сроке службы речного «трамвайчика» 25 лет и его зарядке трижды в день в идеале придется три раза за это время менять накопитель энергии, стоимость которого составляет примерно 40% от стоимости судна. Для справки: литиевые батареи в четыре раза дороже свинцово-кислотных, плюс надо учесть стоимость контроллера, сопоставимую со стоимостью примерно двух свинцовых батарей.
Тем не менее на маршрутах «от розетки до розетки» чистые «электрички» множатся и растут в размерах. Например, верфь Damen Shipyard (Нидерланды) построила по заказу германской компании Reederei Norden-Frisia электрический катамаран Frisia Е‑1 для перевозки 150 человек между портом Норддайх и островом Норденай. Время в пути составляет полчаса, длительность зарядки в порту — примерно 28 минут, и так восемь раз за день…
Компания X-Shore (Швеция) выпускает семейные лодки разных модификаций из стеклопластика. Модель X-Shore Pro с электромотором (длина 8 м) имеет вполне резонные эксплуатационные параметры для отдыха выходного дня. Запас хода на скорости пять узлов составляет 100 миль, а при глиссировании со скоростью 28 узлов — 29 миль. При этом производитель сообщает, что годовые эксплуатационные расходы такой лодки сокращаются в cемь раз по отношению к версии с ДВС.
.jpeg)
Вторая группа судов — это «электрички» на подводных крыльях. У таких конструкций резко снижается сопротивление движению, и процесс перевода на электромоторы с батареями выглядит оправданным. Число компаний, выпускающих такие суда, растет. Пока «на крыло встают» сравнительно небольшие корпуса: в модельный ряд известной шведской компании Candela входят прогулочные крылатые лодки С‑7 с электромотором (длина 7,7 м, электромотор 55 кВт, максимальная скорость 30 узлов) и С‑8 (8,5 м, 45/50 кВт, 27 узлов). Объем выпуска — до 200 корпусов, дальность плавания довольно скромная, но компания уже представила более серьезную модель — пассажирский электрокатамаран на крыльях. При вместимости 31 человек он имеет запас хода 40 миль на скорости 25 узлов. Сколько времени уходит на перезарядку, не сообщается.
Третья группа, наиболее многочисленная, — лодки с гибридными силовыми установками. Многие полагают, что у таких яхт ДВС просто вращает генератор, а генератор передает ток на гребной электродвигатель. Однако это относится только к дизель-электроходам, которые существуют уже больше века. На самом деле гибридная пропульсия — это прежде всего гибридная «коробка передач» со встроенными электромоторами, которая работает в трех режимах. Первый — прямая передача крутящего момента от ДВС на гребной вал с отсоединенным электродвигателем. Второй режим — передача крутящего момента от встроенного электродвигателя с отсоединением ДВС. При этом электромотор работает от внутреннего накопителя энергии. Третий режим — передача крутящего момента с подсоединенным электродвигателем, который работает как генератор и передает энергию в накопитель.
Среди ведущих компаний на рынке гибридной пропульсии следует назвать Greenline (Словения) и E-Motion (Италия). Последняя выпускает как дизель-электрические установки, так и классические гибридные для широкого диапазона судов по водоизмещению.
Довольно часто на судах с гибридными установками применяют устройства, позволяющие пополнить запас электричества без использования ДВС, — солнечные панели и ветрогидрогенераторы. Например, на парусных яхтах, когда основную тягу создают паруса, опущенная в воду турбина, вращаясь, подзаряжает накопитель энергии. При несомненной пользе все это требует довольно сложного и дорогого оборудования, приводящего к удорожанию лодки.
Четвертая группа — суда с электродвижением, не требующие подзярядки, то есть теоретически — с «бесконечным» запасом хода. Таких яхт появляется все больше, а наиболее заметными компаниями в этой области являются Silent-Yachts и Sunreef. Silent-Yachts выпускает электрические катамараны из композитных материалов длиной 60, 80 и 120 футов. Их отличительная особенность — большие наружные поверхности солнечных панелей, которые часто являются трансформерами, позволяя при благоприятных условиях разворачивать панели на полную площадь (как у космических аппаратов). Энергосхема подразумевает и накопители энергии, не такие большие, как на «электричках» первой группы, но достаточные для движения в крейсерском режиме и в ночное время. Яхта Silent 64 (длина 19,4 м, водоизмещение 32 т) уже неоднократно пересекала Атлантику и получила множество призов, включая Best of Boats Awards. Ее солнечные панели способны за световой день вырабатывать до 100 кВт·ч энергии, накопитель емкостью 348 кВт·ч и два электромотора по 180 кВт обеспечивают крейсерскую скорость 6–7 узлов.
По заказу Севастопольского морского порта я спроектировал электрический катер для перевозки 200 пассажиров в бухтах Севастополя. В этом проекте с солнечными панелями, снимающими необходимость подзарядки от берегового питания, использовались комплектующие исключительно российского производства, включая двигатели, собственно солнечные панели (площадь 180 кв. м) и литиевые батареи. Корпус был оптимизирован «по парусному» принципу: в водоизмещающем режиме имел предельно низкое сопротивление и, соответственно, ничтожное волнообразование.
При ясной погоде с нормальной солнечной радиацией на пяти узлах (разрешенная скорость в акватории — шесть узлов) катеру не требовалась бы ночная зарядка от розетки. В зимнее время с пониженной солнечной радиацией ночная зарядка (примерно 105 кВт·ч) стоила всего 527 руб.; ночной «добор» 6,31 кВт·ч (плохая погода) занимал бы не более 15 мин. К сожалению, проект, несмотря на одобрение порта, не получил развития по ряду причин, не относящихся к технике.
.jpeg)
Что впереди?
Так что же нас ждет в будущем? Тотальная электрификация прогулочного флота? Не берусь предсказывать, но, без сомнения, «электрички» будут совершенствоваться, а их стоимость — снижаться. Появятся новые устройства, аккумулирующие электроэнергию, новые электродвигатели. Тем более что в мире постоянно растет число акваторий с «голубыми точками», и снимать запрет (или ограничения) на использование там двигателей с вредными выбросами никто не собирается. Напротив, требования будут ужесточаться, как, например, на Боденском озере, где давно действуют строгие нормы в отношении лодок с конвенциональными ДВС.
Сегодня немало фирм предлагают замену подвесных ДВС на электрические подобия. Безусловным лидером в этой области является компания Torqeedo (Германия), выпускающая широкий спектр довольно дорогих подвесных электромоторов с контроллерами и батареями. Им наступают на пятки китайские производители с их двигателями на постоянных магнитах на основе редкоземельных металлов. Цена китайского подвесника мощностью 2 кВт примерно вдвое ниже европейских или американских аналогов. В России тоже занимаются проблемами электродвижения. Например, московская Ellisabeth Electric, где, по словам представителей компании, разрабатывают и выпускают подвесные электромоторы на основе оригинальных комплектующих, плат управления и собственного программного обеспечения. Переходят на электричество и те, кто традиционно специализировался на конвенциональных ДВС. У шведской Volvo Penta появилось предложение для гибридной пропульсии.
Безусловно, электродвижение выглядит весьма привлекательно, особенно потому, что лодка в водоизмещающем режиме идет почти бесшумно. Однако у сравнительно крупных яхт при повышении скорости шум от вызванных волн, винтов и собственно корпуса может превышать звучание двух мощных ДВС. Кроме того, замечу следующее: отчего‑то нередко «забывается» такой фактор, как разрушительное воздействие на экологию собственно производства накопителей электроэнергии — аккумуляторов, многократно перекрывающее вред от выхлопа судовых ДВС. То есть, заботясь о море, мы игнорируем сушу!
А будущее, я полагаю, все‑таки за газомоторной техникой, в том числе водородной: она проще и надежнее. Водород — замечательное топливо, при сгорании выделяющее только воду. Стоит отметить, что один литр солярки при сгорании выдает до 9,9 кВт тепловой энергии, тогда как сжиженный газ дает 12,8 кВт и без вредных выбросов. Один килограмм водорода дает 120 МДж или 33 кВт·ч энергии. Вопрос только в получении водорода и его хранении.
Для работы на водороде годятся конвенциональные ДВС. Во время блокады Ленинграда военный техник Б. И. Щелищ предложил использовать для заправки автотранспорта водород, предназначенный для аэростатов ПВО. Всего за неделю бригада техников переоборудовала под работу на водороде 600 грузовиков. После войны, когда производство водорода для аэростатов потеряло актуальность, автомобили перевели обратно на бензин. Недавно тот же ход решили сделать японцы из Yamaha, разработав подвесной лодочный мотор на водороде.
Известно, что многие автопроизводители уже трудятся над внедрением водородного топлива и даже выпускают пилотные модели. Они идут двумя путями: прямого использования водорода в качестве топлива и применения водородных ячеек. Судя по презентации мотора Yamaha, там используют водород как топливо напрямую, однако детали технологии пока не раскрываются.
Отмечу гибридную концепцию, предложенную инновационной компанией Daedalus (США). Они придумали парусно-моторный катамаран, в котором в качестве накопителей энергии применяются не только традиционные LiFePO4-батареи (кстати, есть накопители, использующие и другие технологии), но и емкости с водородом. Судно позиционируется как экологически чистое, использующее возобновляемые источники энергии (солнце, ветер, воду). Катамаран претендует на класс суперкомфортабельного экспресс-круизера с соответствующими бытовыми сервисами, которые потребляют много энергии. В постоянной борьбе за вес применение водородных накопителей энергии, безусловно, решает многие проблемы.
Водородной темой также занимается британская Cox Marine, о которой журнал Y Magazine уже писал. Компания представила двухтопливную (дизель + водород) модификацию своего подвесника CXO300.
.jpeg)
По моему мнению, проблема недорогого извлечения водорода решится быстрее, чем будут разработаны безопасные накопители электричества, а, может статься, и одновременно. Тогда перед пользователями встанет только «проблема кошелька», и тут, уверен, победит водородная энергетика, у которой нет скрытых экологических проблем и прочих опасностей.
