Alternatywne napędy jednostek pływających – przegląd

20 października 2019 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 3, Technika jachtowa

Jakość wody i powietrza w zamkniętych drogach wodnych takich jak porty, kanały, rzeki czy jeziora jest zagrożona przez emisję zanieczyszczeń z konwencjonalnych silników spalinowych. Dlatego coraz większą popularnością cieszą się alternatywne napędy łodzi motorowodnych, w szczególności te wykorzystujące silniki elektryczne, umożliwiające zniwelowanie lokalnej emisji związków toksycznych na wspomnianych akwenach (1,2).

Transport wodny umożliwia znaczne ograniczenie zużycia energii potrzebnej do przemieszczenia towarów. Jeden statek transportowy o ładowności 1500 ton jest w stanie zastąpić około 15 wagonów kolejowych lub około 37 ciężarówek o DMC 40 ton (3). Mniejsze zapotrzebowanie na energię, konieczną do przewiezienia tony ładunku umożliwia oszacowanie maksymalnego dystansu danego środka transportowego, przy tym samym nakładzie energetycznym. Statki śródlądowe osiągają największy zasięg, zakładając ten sam nakład energetyczny, który jest prawie 4-krotnie większy od transportu lądowego pojazdami ciężarowymi. W przypadku planowanych, nie ekspresowych transportów dóbr, statki powinny zacząć odgrywać znaczącą rolę również w transporcie śródlądowym, szczególnie w aspekcie zmniejszenia globalnej emisji ze źródeł transportowych.

Rys. 1. Uproszczona systematyka alternatywnych napędów jednostek pływających (1, 2, 4)

Również w ostatnich latach znaczący wzrost zainteresowania statkami motorowodnymi widoczny jest w dziedzinie rozrywki. Zwiększająca się liczba jednostek pływających wpływa na zaostrzenie przepisów panujących w okolicach portów.

Hybrydyzacja jednostek napędowych oraz napędy alternatywne są obecnie główną technologią w dziedzinie motoryzacji. Zastosowanie jednak tych technologii w innych dziedzinach rozwija się równie szybko. Stosowane obecnie konwencjonalne napędy spalinowe są modernizowane, by sprostać coraz bardziej rygorystycznym wymogom zarówno ekonomicznym, jak i komfortowym. Zarówno konstruktorzy, jak i armatorzy nowych okrętów coraz częściej chcą skorzystać z elektryfikacji układów napędowych, w szczególności dla łodzi, które służą do żeglowania w zamkniętych drogach wodnych takich jak porty, kanały, rzeki czy jeziora. Głównym wyzwaniem do osiągnięcia hybrydyzacji napędów jednostek pływających to zapewnienie dostatecznego miejsca i wyporności dla dodatkowych, ciężkich elementów w postaci komponentów elektrycznych napędu oraz akumulatorów wysokonapięciowych.

Ze względu na dużą rozpiętość rodzajów jednostek pływających w tym wstępnym artykule z serii alternatywnych napędów jednostek pływających zostanie zaprezentowany ogólny podział nowoczesnych układów napędowych, przeznaczonych do mniejszych statków rekreacyjnych. W artykule tym zostaną również zaprezentowane wybrane rozwiązania elektryfikacji statków.

W celu systematyzacji rodzajów alternatywnych napędów jednostek pływających został wykonany ogólny podział statków ze względu na rodzaj napędu (zabur­towy i wewnętrzny), a następnie podział ten został uzupełniony w oparciu o źródło energii pierwotnej dla silnika.

Podstawowym problemem łodzi z napędem elektrycznym jest dostępność źródeł prądu, w tym przypadku punktu ładowania akumulatora. Jeżeli źródłem prądu będzie standardowa sieć niskiego napięcia 230V, to naładowanie akumulatora wysokonapięciowego będzie długotrwałe. Obecnie w większości marin czy portów brakuje rozwiązań dostępnych w motoryzacji zwanych szybkimi ładowarkami, umożliwiających znaczne skrócenie czasu ładowania akumulatora. Rozwiązaniem pośrednim może być zatem hybrydyzacja układów napędowych umożliwiająca użycie energii elektrycznej w krytycznych miejscach (zamkniętych akwenach) oraz doładowanie akumulatorów bądź równoczesny napęd statku z wykorzystaniem konwencjonalnego silnika spalinowego w sytuacji tego wymagającej.

Akumulatory stosowane w statkach elektrycznych nie różnią się znacząco od rozwiązań obecnych w pojazdach samochodowych. Istnieją również rozwiązania, które wskazują użycie istniejącego już, sprawdzonego i bezawaryjnego podzespołu używanego w motoryzacji. Przykładem mogą być rozwiązania firmy Torquedo, które korzystają z akumulatorów wysokonapięciowych bezpośrednio z pojazdów BMW i3 (rys. 2). Używanie akumulatorów komercyjnych utrudnia jednak ich implementację w konstrukcję kadłuba, która musi zostać specjalnie dostosowana do gabarytów akumulatora. Tym większe znaczenie tego faktu, im mniejszych gabarytów jest jednostka pływająca. Alternatywą jest używanie specjalnych pakietów akumulatorów Li-Ion umożliwiających dostosowanie wielkości akumulatora do posiadanej w danej konstrukcji przestrzeni. Takie rozwiązanie umożliwia również lepsze rozłożenie masy elementów elektrycznych w jednostce pływającej.

Rys. 2. System napędowy Deep Blue firmy Torquedo (rozwiązania o mocy napędu 40-80 KM) (4,5)

W zależności od przeznaczenia jednostki pływającej, konieczny jest dobór odpowiedniej wielkości akumulatora wysokonapięciowego. Odpowiedni dobór akumulatora definiuje możliwy czas i zasięg poruszania się statku bez konieczności ponownego ładowania oraz osiągi układu napędowego (uciąg i prędkość maksymalna statku).

Aby zwiększyć czas użyteczności łodzi, możliwe jest również stosowanie odnawialnej energii słonecznej jako źródła zasilania. Jest to jedna z obecnie najbardziej rozwijających się technologii alternatywnych napędów jednostek pływających. Aby możliwe było efektywne wykorzystanie technologii „Eko-Energii”, konieczne jest prowadzenie badań nad ich rozwojem. Znaczącymi osiągnięciami mogą się pochwalić studenci i pracownicy Wydziału Energetyki i Paliw Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zbudowana przez nich łódź solarna zajęła znaczące miejsca w wyścigach m.in. w Monaco Solar & Energy Boat Challenge. Do napędu „Baśki” (tak nazywa się polska łódź solarna) wykorzystano silnik elektryczny BLDC (silnik bezszczotkowy o większej trwałości i niezawodności) o mocy 4 kW, zasilanie pochodzi z paneli fotowoltaicznych o mocy 1 kW, a energia gromadzona jest w akumulatorze litowo-jonowym o pojemności 1,5 kWh (6). Rozwój technologii fotowoltaicznej umożliwił powstanie takich jednostek pływających, jak np. katamaran Solliner, który w sprzyjających warunkach atmosferycznych ma nieograniczony zasięg pływania. Łodzie te używane są obecnie w Gdańsku jako alternatywne zwiedzanie miasta nie powodujące emisji w lokalnych warunkach użytkowania.

Rys. 3. a) zawody łodzi solarnych w Monaco Solar & Energy Boat Challenge, b) flota H2O LIMO składająca się z łodzi solarnych Solliner (6,7)

W przypadku, gdy szlaki żeglugowe mają ograniczony dostęp do energii słonecznej, możliwą alternatywą dla zachowania „zero emisyjnego” napędu jest zastosowanie ogniw paliwowych. Jednym z pierwszych takich projektów w rekreacyjnych łodziach jest konstrukcja Frauscher 858 Fantom. Łódź została wyposażona w 48V system ogniw paliwowych i 26-litrowy zbiornik wodoru. Zasięg tej łodzi wynosi około 80 km, jednak w przeciwieństwie do ładowania akumulatora wysokonapięciowego – tankowanie wodoru zajmuje jedynie kilka minut (8). Jako napęd użyto silnik o mocy 4 kW. Komercyjnym odpowiednikiem łodzi wykorzystującej ogniwa paliwowe do napędu jest jednostka Energy Observer, która została zwodowana w kwietniu 2017 roku. Ten 30,5-metrowy katamaran łączy w sobie zarówno technologie paneli fotowoltaicznych (o powierzchni 130 m2 i mocy 21 kW), turbin wiatrowych (2 kW), jak i ogniw paliwowych wytwarzających 22 kW (zasilane ze zbiorników mieszczących 62 kg wodoru – w porównaniu do pierwszego seryjnie produkowanego pojazdu osobowego Toyota Mirai mieszczącego zaledwie 5 kg paliwa) (9,10). Statek napędzany jest przez dwa silniki o mocy 41 kW każdy, a energia, która może być generowana ze źródeł odnawialnych, może być zgromadzona w akumulatorach litowo-jonowych o pojemności 106 kWh. Głównym problemem zarówno dla pojazdów samochodowych, jak i statków jest dostępność stacji umożliwiających tankowanie wodoru. Technologia ta w najbliższych latach będzie również znacząco rozwijana, dlatego już w kolejnych numerach Biuletynu zostanie zaprezentowana bardziej szczegółowo.

Rys. 4. Prezentacja łodzi wykorzystujących ogniwa paliwowe: otwartopokładowy Frauscher 858 Fantom (a, b)
Katamaran Energy Observer (8, 9, 10)

Zużywać mniej paliwa, oszczędzać pieniądze, zwiększać stopień elektryfikacji, zmniejszać emisję oraz zwiększać sprawność, to hasła, które towarzyszą obecnym zmianom technologicznym w każdej dziedzinie transportu. Obecne są one również w technice morskiej. Jednak nie każdy armator czy kapitan statku może sobie pozwolić na znaczącą modernizację posiadanej łodzi, ponieważ wiąże się to ze znacznymi nakładami finansowymi. Dlatego alternatywą zmniejszającą również emisję spalin jest stosowanie do zasilania konwencjonalnych silników spalinowych paliw alternatywnych. Niezależnie od wybranej metody czy technologii, nowo budowane oraz obecnie serwisowane i modernizowane jednostki pływające powinny być poddawane zabiegom, pozwalającym na zmniejszenie uciążliwości emisyjnej napędu. Pozwoli to korzystnie wpłynąć na otaczające nas środowisko. W kolejnych artykułach z serii alternatywne napędy jednostek pływających zaprezentowane zostaną szczegółowo wybrane rozwiązania obecne w technice jachtowej.

Dr inż. Wojciech Cieślik
Politechnika Poznańska

Literatura:
1 Electric & hybrid marine technology International www.ukimediaevents.com
2 Mattarelli E., Rinaldini C., Savioli T., Warey A. et al., “An Innovative Hybrid Powertrain for Small and Medium Boats,” SAE Technical Paper 2018-01-0373, 2018, https://doi.org/10.4271/2018-01-0373.
3 Bejger A., Alternatywne napędy dla jednostek żeglugi śródlądowej oraz małych jednostek pływających, z uwzględnieniem obowiązujących uwarunkowań środowiskowych, www.umwd.dolnyslask.pl
4 https://media.torque.com.sg
5 https://www.powerequipment.com.au
6 www.agh.edu.pl
7 http://www.h2olimo.pl
8 https://newatlas.com/frauscher-858-fantom
9 www.energy-observer.org
10 https://newsroom.toyota.eu