Моторный отсек будущего

Моторы и приводы
Следующая статья

Владимир Зинченко и Герман Щедринский —  о гибридных и электрических лодках Greenline Yachts

Предыдущая статья

Вниз по матушке-Волге, или Моряк на реке

Крупные частные яхты проводят без пассажиров порядка 300 дней в году, при этом все их основные системы работают круглосуточно. Топливо улетает в трубу, энергия тратится впустую, и с этим давно пора что-то делать.

Нет ничего проще, чем использовать на борту оборудование с высоким коэффициентом технической готовности, ведь оно давно стоит на вооружении и не требует ничего, кроме грамотного подбора и монтажа. Выбрать маршевые дизели понадежнее, генераторы помощнее, топливные танки побольше, чтобы запас хода непременно был трансокеанский… а там хоть трава не расти! Не нужно оплачивать из своего кармана дополнительные инженерные изыскания и гадать, не подведут ли новаторские энергетическая и пропульсивная системы в самый неподходящий момент. Так поступали в течение многих лет, но пришло время постепенно выходить из зоны комфорта и строить яхты с принципиально новыми энергетическими установками. Что для этого нужно и что уже есть? Вместе с профессионалами яхтенной индустрии мы рассказываем о том, каким может стать моторный отсек суперяхт в недалеком будущем.

Иво Велдхайс, Mayfair Marine

Строители суперяхт давно научились делать так, чтобы на борту круглосуточно было электричество, но почти всегда достигают этого за счет слишком больших генераторов с чрезмерным запасом невостребованной мощности, которые работают не в оптимальном режиме. Возможности использования береговой энергии у яхт длиной более 80 м весьма ограничены, поэтому они практически всю жизнь «тянут» на генераторах, а значит, постоянно коптят небо — в прямом смысле! — у побережья и в маринах. Сейчас яхтенная индустрия пытается решить эту проблему и найти максимально тихие и чистые источники энергии на борту, в идеале — с нулевыми выбросами. Вариантов много: это и батареи, и водород, — но без совместного усилия верфей, марин, поставщиков топлива и электроэнергии и, разумеется, без самих заказчиков яхт ничего не выйдет.
Например, производители топливных ячеек готовы заходить на морской рынок с адаптированными для судов решениями, но вот регуляторные механизмы пока не сформированы. Если в коммерческом судоходстве процесс перехода на жидкий водород идет достаточно быстро, и масштабный переход может произойти уже в ближайшие десять лет, то в яхтенной индустрии все иначе. Ведутся разговоры, обсуждаются разные идеи, есть даже активные проекты, но все они упираются в нормативные барьеры, поскольку классификационные общества пока не готовы «менять мир», а конструкторы и дизайнеры не привыкли к тому, что для хранения новых видов топлива требуются очень большие объемы пространства.
Срок жизни топливных ячеек составляет 25−30 тысяч часов, именно поэтому существующие системы суммарной мощностью 3−5 МВт построены из модулей, которые можно менять поодиночке, не прекращая выработку энергии на борту. В будущем такие модули можно будет арендовать, и это не просто хорошая бизнес-модель, но очень здравая идея, поскольку водородные технологии достаточно сложны, и не стоит надеяться, что механик на 80‑метровой яхте разберется со всем этим оборудованием.
С одной стороны, яхтенная индустрия очень инновационная, но с другой — сильно отстает. Когда речь идет о пропульсии, мы по-прежнему держимся за старые проверенные решения. И вполне понятно, почему верфи так поступают: они связаны контрактами, где цена риска крайне высока. Именно поэтому нам нужно сотрудничать, вместе устраняя хотя бы часть этих барьеров, чтобы инновации проникали в яхтенную индустрию и постепенно вытесняли дизельные двигатели. Если почти все новые крупные яхты сейчас уже дизель--электрические, то на лодках длиной 35−65 м в основном используются традиционные силовые установки. При этом существует масса возможностей повысить эффективность таких яхт, и нам нужно лишь убедить заказчиков и верфи в том, что это можно сделать уже сейчас. Другое дело, что для яхт длиной 100+ м относительная стоимость «зеленой» силовой установки не очень высока, тогда как у 30−50‑метровых лодок она нарушает баланс бюджета и сильно удорожает проект.
В итоге все эти неопределенности заставляют потенциальных клиентов отложить решение о строительстве яхты: они ждут, когда внутренние разногласия в индустрии разрешатся, чтобы не понести убытки в том случае, если через пять лет потребуется вложить в лодку массу денег для замены энергетических установок. Заказчики регулярно задают такие вопросы и, услышав ответ, выбирают чартер, что еще больше тормозит принятие новых технологий.

Питер Риггер (Rolls-Royce)

За последние два года у нас не было ни одной встречи с верфями, где бы не заходила речь об альтернативных источниках энергии. Если известны эксплуатационные профили яхт, то под них можно корректно масштабировать любые носители, будь то батареи или топливные элементы. У MTU и Rolls--Royce уже есть технологии, позволяющие использовать аккумуляторы вместе или вместо генераторов и берегового питания в порту. Таким образом, если в марине недостаточно электричества, а нагрузка невысока, можно обойтись батареями.
У индустрии сейчас появилась удачная возможность стимулировать переход на водород и помогать маринам с идеями того, как организовать новую инфраструктуру. К сожалению, процесс пока идет недостаточно быстро, но важно понимать, что никто не сделает этого за нас. И дело не только в причинах, о которых справедливо упомянул Иво, но и в том, что нам самим предстоит сформировать этот рынок. В ближайшие десять лет Евросоюз планирует инвестировать в водородную «тему» 450 млрд евро, и строителям суперяхт было бы глупо игнорировать такой шанс. А пока самый сложный вопрос: как перевести проект из бумаги в реальный заказ?

Ян-Виллем Виссерс, Volvo Penta

Излишне мощные генераторы, работающие под низкой нагрузкой, представляют проблему прежде всего для самих владельцев яхт, поскольку влекут повышенные расходы на обслуживание и прочие сложности. Сейчас, когда начали действовать новые требования IMO Tier III, о малоэффективных агрегатах не может быть и речи, поэтому выбирать маршевые дизели и генераторы нужно очень ответственно. Стоит отдавать предпочтение моделям, которые соответствуют потребностям или способны регулировать частоту вращения коленвала так, чтобы всегда работать под относительно высокой нагрузкой, когда температура выхлопных газов такова, что топливо сгорает максимально полно.
Стандартный пакет адаптации генератора мощностью 200−500 кВт под стандарты Tier III повышает его стоимость всего на 20−30 тысяч евро, и не стоит верить широко распространенному заблуждению, что модели с очисткой выхлопа будто бы слишком громоздки: на рынке представлены весьма компактные системы, легко умещающиеся в углу моторного отсека.
Первая «революция» для судовых механиков случилась, когда двигатели внутреннего сгорания получили «мозги», а вторая произойдет во время массового перехода на гибриды и альтернативное топливо — у таких систем существенно больше компонентов и электроники плюс сложные системы управления энергией. Этот процесс будет непростым, и, возможно, на борту крупных лодок понадобятся специалисты нового типа. Так или иначе, на какой бы источник энергии в будущем ни перешли яхты, я убежден, что сейчас нужно строить лодки с модульными силовыми блоками, которые со временем можно будет легко заменить на более экологичные.

О чем следует помнить?

Стоимость эксплуатации оборудования на протяжении всего жизненного цикла судна — важный параметр, о котором зачастую забывают. Кроме того, нередко верфи просто не хотят связываться со сложными расчетами, помогающими определить оптимальные для данного судна системы.

«Когда заказчика приглашают за стол переговоров и начинают интересоваться, какую яхту он хотел бы построить, его почти никогда не спрашивают, сколько денег он планирует потратить на нее за следующие 20 лет,  — говорит Иво Велдхайс.  — А потом вдруг выясняется, что эксплуатационная эффективность яхты или стоимость выполнения ее ключевых функций — это критический параметр».

По идее, верфи и производители силовых установок должны лучше информировать клиентов, чтобы те могли принимать взвешенные решения, но в реальности это происходит далеко не всегда. Принято думать, будто владельцам суперяхт совершенно неважно, что установлено «под капотом» их лодок, хотя на самом деле многие из них стремятся узнать о технической начинке как можно больше.

«Рано или поздно ситуация изменится, ведь приходят новые технологии,  — уверен Ян-Виллем Виссерс.  — Скоро общество начнет рассматривать суперяхты как прожигатели энергии, и в -какой-то момент власти портовых городов вообще могут перестать пускать недостаточно „зеленые“ лодки в свои марины».

Что делать сейчас?

Проектировать силовые и энергетические системы по модульному принципу, ибо простое соответствие требованиям Tier III не обеспечит готовности к будущему. Модульность позволит защитить инвестиции, так как с появлением новых технологий оборудование в моторном отсеке можно будет обновить с меньшими затратами. А если заказчик будущей яхты решил пропустить промежуточные стадии «эволюции» и сразу «играть в зеленую», то вокруг уже немало проектов, которые предлагают перспективные разработки и готовые модульные решения.

Так, в ганноверском Университете Лейбница действует спонсируемый немецким правительством проект MultiSchIBZ, в рамках которого изучают возможность использования твердооксидных топливных элементов (SOFC) и создания децентрализованной модульной системы производства электроэнергии.

Лукас Кистнер, MultiSchIBZ

В одном модуле-контейнере помещаются два блока по шесть SOFC, установка парового риформинга и аппаратная комната. По стоимости подобная система сопоставима с двигателями внутреннего сгорания, но превосходит их по экологичности. Выход по энергии у SOFC на 54% больше, нет выбросов CO, NOx и твердых частиц. К тому же у этих установок меньше вибрация, и для них не требуется специальная инфраструктура, так как паровые риформеры могут работать на дизельном топливе и природном газе. Сами же SOFC также принимают аммиак и метанол, если вдруг в будущем индустрия перейдет на них. Децентрализация системы не влияет на суммарную энергоэффективность, а разнесение модулей по разным противопожарным зонам крупного судна обеспечивает надежное дублирование. При этом использование SOFC не требует полного отказа от ДВС.

При очевидных плюсах твердооксидных топливных элементов есть у них и ряд минусов, которые, впрочем, можно компенсировать. Во-первых, необходимо постоянно поддерживать заданную температуру SOFC и катализаторов (+700−1000 °C). Для этого требуется соответствующая изоляция и непрерывная работа системы в режиме как минимум половинной нагрузки. Кроме того, SOFC-системы ограничены по энергетическому градиенту из-за термомеханического напряжения и преобразования топлива в риформере. Это значит, что непрерывное производство энергии не гарантировано, поскольку нагрузка постоянно меняется. Решить эту проблему можно, добавив в каждый модуль блок батарей, которые обеспечат бесперебойную подачу энергии, замедлят деградацию топливных ячеек и позволят срезать пиковую нагрузку. Чтобы организовать связь между модулями в штатном режиме и при выходе из строя, необходима соответствующая управляющая система (EMS), которая сможет распределять потоки энергии и предотвращать ее потери.

Против модульных систем SOFC играют их габариты (требуют на 40% больше места, чем ДВС) и стоимость, но, по словам Лукаса Кистнера, твердооксидные топливные элементы постепенно дешевеют, и эта тенденция сохранится. Если сейчас SOFC не может конкурировать с дизельными системами по стоимости, то по мере снижения цен экономическая целесообразность будет увеличиваться, и в точке 2000 евро за киловатт экономия достигнет 100%. Зато ежегодные эквивалентные выбросы CO2 снижаются в полтора раза по сравнению с дизельными ДВС, и ради этого можно пойти на такой компромисс.

Контейнер с батарейками

Теус ван Бек, Wartsila

По оценкам университета Лаппеенранты, альтернативные виды топлива из-за высокого спроса будут в 2−3 раза дороже, чем сегодня энергия мазута (31 евро за мегаватт-час), так почему бы сразу не перейти на электричество, которое обходится 24 евро за мегаватт-час?

Именно это и предлагает проект Zero Emission Services (ZES), идея которого возникла в 2017 году по инициативе Heineken. Тогда знаменитый пивоваренный гигант начал искать способы доставки своей продукции в порт Роттердама с нулевыми вредными выбросами. ZES стартовал в прошлом году при поддержке Министерства инфраструктуры и водных путей Нидерландов.

Предложенная модель не нова и выглядит достаточно просто. На борт судна помещают стандартные 20‑футовые контейнеры с запасом энергии (сейчас это литиевые батареи, которые заряжаются «зеленым» электричеством, но могут быть и водородные ячейки), оплата осуществляется «по счетчику», а пустые контейнеры меняют на новые в терминалах по ходу следования. Емкость одного модуля ZES превышает 2000 кВт·ч, мощность достигает 1000 кВт, а напряжение — 700−1000 В (постоянный ток, соединение держит 1500 А). Полная зарядка модуля на береговой станции занимает всего два часа, и, что важно, обеспечивающая безопасность EMS уже интегрирована в контейнер, поэтому на судне необходимо оборудовать лишь разъемы для подключения контейнеров и надежный крепеж. Конечная стоимость энергии с учетом замены контейнеров составляет 25 евроцентов за киловатт-час — столько же, сколько в случае дизельного топлива, и на треть дешевле, чем у биотоплива. И абсолютно никаких вредных выбросов в атмосферу.

Можно ли рассматривать модель ZES в приложении к суперяхтам? По всей видимости, да, но с некоторыми оговорками. Во-первых, необходима развитая сеть зарядных терминалов и особая логистическая система, способная гарантировать получение заряженных контейнеров по первому требованию. Если оборудовать достаточное число обменных пунктов вдоль побережья Итальянской и Французской Ривьер, на Балеарских островах, Сардинии и Сицилии, то можно говорить, например, о «зеленом» чартерном флоте яхт длиной 40−60 м. Во-вторых, эти яхты должны быть сконструированы так, чтобы оперативно принимать на борт модули ZES и иметь аварийную силовую установку — просто на всякий пожарный.

Ограниченные регионы плавания, необходимость по-стоянно заходить в марины, опасение внезапно остаться «без света»… Все это напоминает аргументы противников Tesla, которые, впрочем, не мешают множиться поголовью электрокаров. Смотреть на эволюцию яхт со стороны или активно в ней участвовать — личное дело каждого, но уже давно ясно: качественные перемены нужны не только в моторных отсеках, но и в наших головах.

Дата:

12.04.2021

Текст

Антон Черкасов-Нисман

Иллюстрации

Андрей Андреев, Франсиско Мартинес

Следующая статья

Владимир Зинченко и Герман Щедринский —  о гибридных и электрических лодках Greenline Yachts

Предыдущая статья

Вниз по матушке-Волге, или Моряк на реке

Новые материалы
Похожие статьи