Сколько топ­лива эко­но­мит ката­маран Burgus?

Солнечные модули на борту

Roman Rubanovich, NENCOM

В 2021 году мы при­няли уча­стие в стро­и­тель­стве тури­сти­че­ского ката­ма­рана для общины Бургас. Перед нами была постав­лена задача раз­ра­бо­тать фото­воль­та­и­че­скую (PV) систему резерв­ного пита­ния для кри­ти­че­ских нагру­зок корабля.

После трёх лет успеш­ной экс­плу­а­та­ции судна, мы собрали деталь­ную ста­ти­стику и допол­нили нашу статью «Солнеч­ная энер­гия для ката­ма­рана» новыми дан­ными. За этот период фото­воль­та­и­че­ская система про­из­вела 9 MW·h элек­три­че­ской энер­гии, что соста­вило 80% от всего потреб­ле­ния на кри­ти­че­ской линии. Осталь­ные 20% обес­пе­чили дизель­ный гене­ра­тор и бере­го­вое пита­ние.

Данные из системы мони­то­ринга

Как обычно, мы опуб­ли­ко­вали ссылку на эту статью на нашей стра­нице в Фейсбуке, что при­влекло боль­шое вни­ма­ние к этому нестан­дарт­ному про­екту. Среди ком­мен­та­риев был и такой: «На фоне топ­лива это 0.0001% энер­гии».

Мы попро­сили автора этого ком­мен­та­рия пока­зать целое вычис­ле­ние, а не только резуль­тат, ведь это было бы полезно для всех. Но ком­мен­та­тор отка­зался делать рас­чёты, пред­ло­жив нам само­сто­я­тельно этим заняться. Хорошо, давайте посчи­таем.

Доля сол­неч­ной энер­гии

Двигатели ката­ма­рана исполь­зуют дизель­ное топ­ливо, чтобы пре­об­ра­зо­вы­вать энер­гию его сго­ра­ния в меха­ни­че­скую энер­гию для дви­же­ния судна. КПД дизель­ного дви­га­теля около 40%.

Фотоволь­та­и­че­ские модули исполь­зуют фотоны света, чтобы пре­об­ра­зо­вы­вать сол­неч­ную энер­гию в элек­три­че­скую, кото­рая питает кри­ти­че­ские нагрузки на борту корабля. КПД сол­неч­ных моду­лей около 20%.

Строитель­ство ката­ма­рана

По инфор­ма­ции судо­стро­и­тель­ной ком­па­нии «Галера 07», ката­ма­ран Burgus рас­хо­дует около 100 литров солярки в час при крей­сер­ской ско­ро­сти 9 узлов. Он пла­вает в сред­нем 5 часов в день,120 дней в году. Таким обра­зом, дви­га­тели ката­ма­рана потре­били около 180 тысяч литров дизель­ного топ­лива за 3 года экс­плу­а­та­ции.

Энерге­ти­че­ская плот­ность дизель­ного топ­лива состав­ляет около 10 kW·h на литр. Получа­ется, что за 3 года дви­га­тели ката­ма­рана потре­били ~1 800 MW·h энер­гии топ­лива, обес­пе­чив при этом ~720 MW·h меха­ни­че­ской энер­гии для дви­же­ния судна.

За это же время PV система ката­ма­рана, как напи­сано в нашей статье, про­из­вела 9 MW·h элек­три­че­ской энер­гии для пита­ния кри­ти­че­ских нагру­зок на борту судна, что состав­ляет 1.25% от меха­ни­че­ской энер­гии дви­га­те­лей.

Оценка ком­мен­та­тора в 0.0001% отли­ча­ется от фак­ти­че­ского зна­че­ния в 12.5 тысяч раз. Если при­нять пользу пра­виль­ного ком­мен­та­рия за 100%, то чисто мате­ма­ти­че­ски польза такого ком­мен­та­рия состав­ляет ничтож­ные 0.008%. Но на самом деле этот ком­мен­та­рий очень важен, так как поз­во­ляет наши под­пис­чи­кам узна­вать больше о работе фото­воль­та­и­че­ских систем.

Почему мы срав­ни­ваем коли­че­ство элек­три­че­ской энер­гии, про­из­ве­дён­ной PV систе­мой, с меха­ни­че­ской энер­гией дви­га­те­лей ката­ма­рана, а не с энер­гией сго­рев­шего топ­лива?

Потому что топ­ливо явля­ется источ­ни­ком энер­гии для дви­га­те­лей, кото­рые нужны нам для дви­же­ния, так же как Солнце явля­ется источ­ни­ком энер­гии для PV системы, кото­рая нужна нам для про­из­вод­ства элек­три­че­ства.

Ранее мы упо­мя­нули, что КПД сол­неч­ных моду­лей состав­ляет около 20%. Получа­ется, что для про­из­вод­ства 9 MW·h элек­три­че­ской энер­гии, мы «потра­тили» 45 MW·h сол­неч­ной энер­гии, а это уже 2.5% от энер­гии потреб­лён­ного топ­лива.

Ключевая раз­ница такого потреб­ле­ния заклю­ча­ется в том, что:

1. Солнце явля­ется неис­чер­па­е­мым источ­ни­ком энер­гии в мас­шта­бах чело­ве­че­ства;

2. Солнце явля­ется бес­плат­ным источ­ни­ком энер­гии (даже доставка бес­плат­ная);

3. Исполь­зуя сол­неч­ную энер­гию, мы не нару­шаем теп­ло­вой баланс пла­неты.

Экономия топ­лива

Также мы можем посчи­тать, сколько топ­лива допол­ни­тельно израс­хо­до­вал бы дизель­ный гене­ра­тор ката­ма­рана, если бы не было нашей PV системы.

Чтобы про­из­ве­сти 9 MW·h элек­три­че­ской энер­гии с эффек­тив­но­стью 40%, гене­ра­тору потре­бо­ва­лось бы 22.5 MW·h энер­гии топ­лива. Мы уже знаем, что энер­ге­ти­че­ская плот­ность дизель­ного топ­лива состав­ляет около 10 kW·h на литр. Это значит, что нам потре­бо­ва­лось бы сжечь допол­ни­тельно 2 250 литров топ­лива, потра­тив на это около 2 800 €, не считая зна­чи­тель­ного уве­ли­че­ния рас­хо­дов на обслу­жи­ва­ние гене­ра­тора.

Получа­ется, что наша PV система не только выпол­няет свою основ­ную задачу — бес­пе­ре­бой­ное пита­ние кри­ти­че­ских нагру­зок корабля, но и каждый день воз­вра­щает вло­жен­ные в неё инве­сти­ции, хотя такая задача вообще не ста­ви­лась.

Кроме того, как мы напи­сали в статье, при замене малень­ких AGM бата­рей на LFP бата­реи боль­шей ёмко­сти, про­из­во­ди­тель­ность PV системы суще­ственно воз­рас­тёт. В этом случае, по нашим оцен­кам, система будет про­из­во­дить не менее 14 MW·h элек­три­че­ской энер­гии за ана­ло­гич­ный трёх­лет­ний период, что соста­вит около 2% от меха­ни­че­ской энер­гии дви­га­те­лей.

Потенциал фото­воль­та­ики

Раз уж мы заня­лись рас­чё­тами, то давайте ещё посчи­таем, сколько при­бли­зи­тельно энер­гии могла бы про­из­во­дить PV система, если бы сол­неч­ные модули пред­став­ляли собой навес над кор­пу­сом ката­ма­рана, как на этом фото:

Солнеч­ный ката­ма­ран © Mobicat

В случае с ката­ма­ра­ном Бургус, с учётом допол­ни­тель­ных поверх­но­стей по бокам, мы могли бы исполь­зо­вать около около 140 m², уста­но­вив 70 сол­неч­ных моду­лей по 440 Wp. Таким обра­зом, инстал­ли­ро­ван­ная мощ­ность PV системы соста­вила бы 30.8 kWp, что ровно в 7 раз больше нынеш­ней системы (4.4 kWp).

Такая «пла­ва­ю­щая элек­тростн­ция» могла бы про­из­во­дить более 100 MW·h за 3 года, обес­пе­чи­вая около 15% от всей энер­гии, необ­хо­ди­мой судну как для дви­же­ния, так и для работы элек­тро­при­бо­ров. Конечно, в этом случае нашему ката­ма­рану потре­бо­ва­лись бы гибрид­ные дви­га­тели, но с этим нет ника­ких про­блем. Солнеч­ный ката­ма­ран Mobicat, напри­мер, вообще пол­но­стью элек­три­че­ский.

Фотоволь­та­ика на водном транс­порте — очень пер­спек­тив­ное направ­ле­ние. Она может быть осо­бенно выгодна при исполь­зо­ва­нии на паро­мах и водном такси; во время пауз между рей­сами запас энер­гии в бата­реях будет авто­ма­ти­че­ски вос­пол­няться, в отли­чии от топ­лива, кото­рое само в резер­ву­а­рах, к сожа­ле­нию, не появ­ля­ется.

Мы в NENCOM явля­емся сто­рон­ни­ками элек­три­че­ского транс­порта. Благодаря стре­ми­тель­ному раз­ви­тию тех­но­ло­гий в этой обла­сти, эффек­тив­ность дви­же­ния на элек­тро­тяге посто­янно растёт. КПД совре­мен­ных син­хрон­ных элек­тро­мо­то­ров с посто­ян­ными маг­ни­тами (PMSM) состав­ляет 94-97%, в то время как общая эффек­ти­ность лучших серий­ных дизель­ных дви­га­те­лей нахо­дится в диа­па­зоне 40-45%.

Слабым звеном в системе элек­три­че­ской тяги явля­ются бата­реи, энер­ге­ти­че­ская плот­ность кото­рых хотя и растёт с каждым годом, пока ещё зна­чи­тельно усту­пает горю­чему топ­ливу. Однако для таких про­ек­тов как ката­ма­ран Burgus, этот недо­ста­ток можно было бы ком­пен­си­ро­вать исполь­зо­ва­нием пол­но­стью пор­гу­жён­ных под­вод­ных кры­льев, сни­жа­ю­щих гид­ро­ди­на­ми­че­ское сопро­тив­ле­ние на 80%.

Подвод­ные крылья © Candela

Современ­ные PMSM настолько ком­пактны и надёжны, что могут встра­и­ваться непо­сред­ственно в под­вод­ные крылья элек­три­че­ской лодки или ката­ма­рана. Эта тех­но­ло­гия поз­во­ляет суще­ственно сни­зить расход энер­гии, уве­ли­чить ско­рость, а также обес­пе­чить ком­форт пас­са­жи­ров бла­го­даря системе актив­ной ста­би­ли­зации.