Nieograniczony zasięg pływania?

22 maja 2020 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 5, Technika jachtowa

Możliwości napędu solarnego w łodziach rekreacyjnych

Do Ziemi dociera około 36 000 terawat energii słonecznej [1-3], jest to ponad 2000 razy więcej, niż wynosi globalne zapotrzebowanie (rys. 1). Konieczne jest stworzenie możliwości przekształcenia części tej energii w użyteczną formę. W praktyce wiąże się to z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych, które umożliwiają zamianę widzialnego światła słonecznego w prąd elektryczny. Energia słoneczna jest jednym z najczystszych i najobfitszych źródeł energii na całym świecie. Potencjał wykorzystania energii słonecznej w zastosowaniach długoterminowych okazuje się bardziej zrównoważony ze względu na jego niekończące się zasoby (w porównaniu do energii ze źródeł konwencjonalnych, np. ropy naftowej czy węgla kamiennego).

Rys. 1. Dostępność i potencjał energii słonecznej jako źródła energii odnawialnej [1–3]

Początki wykorzystywania energii słonecznej

Wykorzystywanie energii słonecznej przeszło długą drogę, odkąd ludzie odkryli, że światło słoneczne można przekształcić w energię użyteczną. Początki wykorzystania energii słonecznej szacuje się na VII wiek p.n.e., kiedy zaczęto rozpalać ogień używając szkła jako lupy. Kluczowe wydarzenia zostały wskazane na linii czasu (rys. 2), która obejmuje fakty od odkrycia efektu fotowoltaicznego przez francuskiego naukowca Edmunda Becquerela w 1839 r., aż do ustanowienia rekordu świata podczas okrążenia globu na łodzi MS Tûranor PlanetSolar w 2010 r.

Rys. 2. Linia czasu wynalazków i wydarzeń kluczowych dla wytwarzania energii słonecznej [4–6]

Ogniwa fotowoltaiczne są urządzeniami służącymi do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego (rys. 3) na energię elektryczną. Zasada działania paneli fotowoltaicznych polega na tym, że ogniwa fotowoltaiczne, z których składają się panele, zamieniają energię słoneczną w energię elektryczną. W tym celu foton (czyli minimalna jednostka światła) pada na płytkę krzemową, z której zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne (rys. 4). Jednostka światła (foton) jest pochłaniana przez ten krzem i wybija elektron ze swojej pozycji, zmuszając go do ruchu. Ruch ten to właśnie przepływ prądu elektrycznego. Dzięki zastosowaniu złącza półprzewodnikowego typu p-n (złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n) możliwe jest połączenie tego procesu z obiegiem elektronów w sieci energetycznej. Energia świetlna zostaje przekształcona na energię elektryczną.

Rys. 3. Bilans energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi [7, 8]
Rys. 4. Uproszczona zasada działania paneli fotowoltaicznych [9-11]

Panele fotowoltaiczne produkują prąd stały, czyli jeżeli chcemy korzystać z energii elektrycznej do napędu silnika musimy zainstalować falownik (inwerter), który zamienia prąd stały paneli fotowoltaicznych na prąd zmienny. Wytworzony prąd możemy również zgromadzić w akumulatorze.

Energia słoneczna w technice jachtowej

Wskazane we wcześniejszych publikacjach różnorodności systemów napędowych [10] oraz źródeł energii pozwalają na rozwój korzystnych kombinacji pomiędzy wykorzystywaną energią a modułami jej konwersji i magazynowania oraz różnorodnymi układami napędowymi. Również w technice jachtowej obserwuje się wykorzystanie alternatywnych źródeł energii do wspomagania lub całkowitego zastąpienia konwencjonalnego źródła energii i napędu. Ze względu na dużą różnorodność statków, w artykule dokonano ich klasyfikacji (rys. 5), a następnie na przykładzie różnorodnego ich przeznaczenia omówiono przykłady i możliwości zastosowania ogniw fotowoltaicznych.

Rys. 5. Klasyfikacja i różnorodność podziału statków [12]

Według raportu przygotowanego przez Polski Związek Żeglarski ponad 70% obywateli naszego kraju miało styczność z żeglarstwem [13, 14], z czego ponad 4,3 mln osób posiada patent żeglarski. Polskie stocznie produkują ponad 15 tys. jachtów rocznie. Zatem potencjał wykorzystywania alternatywnych napędów jest duży (należy również założyć, że będzie on nieustannie wzrastał wraz z rozwojem innych gałęzi motoryzacji alternatywnej). Pomoże to w ograniczeniu emisji oraz umożliwi poruszanie się po akwenach zamkniętych dla jednostek pływających wyłącznie z silnikiem spalinowym. Mając na uwadze powyższe, w artykule w głównym stopniu zostaną przedstawione rozwiązania napędu solarnego dla jednostek rekreacyjnych.

Polskie łodzie rekreacyjne z napędem solarnym

Termin rekreacja może być postrzegany w różnoraki sposób: zarówno powolne przemieszczanie się po jeziorze dwuosobowym katamaranem, przemieszczanie się po rzece w mieście 21-stopową łódką mieszczącą 10 osób jak i wyruszenie na otwarte wody jachtem z kabiną do spania może nosić znamiona rekreacji. W każdym z tych rodzajów łodzi dostępne są obecnie wersje z całkowitym napędem solarnym.

Zaczynając przegląd obecnych polskich konstrukcji łodzi rekreacyjnych od jednej z najmniejszych jednostek wyposażonych w napęd solarny warto zwrócić uwagę na dwuosobowy katamaran firmy Sunsailer przeznaczony do poruszania się po jeziorach (rys. 6). Statek skonstruowano z myślą o wypoczynku nad wodą. Producent również planuje budowę houseboata, który energię będzie pozyskiwał z promieniowania słonecznego.

Rys. 6. Dwuosobowy katamaran Sunsailer wykorzystujący napęd solarny [15, 16]

Ciekawym projektem odnoszącym sukces na całym świecie jest łódź polskiego projektu z gdańskiej stoczni Solliner (rys. 7), która ma wymiary 6,2 metra długości, 2,3 szerokości, zabiera do 10 osób na pokład i rozpędza się do 14 km/h. W pochmurny dzień możemy nią pływać do 18 godzin, w słoneczny nie ma żadnych ograniczeń. Co ważne, układ napędowy umożliwia doładowanie akumulatora praktycznie w każdej marinie podłączając się do zwykłego gniazdka. Katamarany tego producenta obecnie pływają już w Abu Dhabi, Gdańsku, Szczecinie, Wrocławiu, Sevilli, Szwecji, Australii czy na Teneryfie. Panele fotowoltaiczne umieszczone są na dachu łodzi, który ma możliwość sterowania wysokością. Przydatne jest to zarówno podczas transportu, dokowania czy przepływania przez kanały nawet pod niskimi mostami.

Rys. 7. Dziesięcioosobowy katamaran Solliner [17, 18]

Jednymi z najbardziej luksusowych jachtów umożliwiających w pełni pływanie z wykorzystaniem energii solarnej są statki ze stoczni Silent-Yachts. Po przeprowadzonych w 2010 r. czteroletnich testach energetycznej autonomiczności jachtu firma przystąpiła do produkcji czterech różniących się wielkością łodzi (rys. 8). W większości przypadków energia wytwarzana w panelach fotowoltaicznych o mocy od 10 do 26 kWp (w zależności od modelu) umożliwia jednoczesne ładowanie akumulatorów litowo-jonowych oraz zapewnianie energii potrzebnej do napędu jednostki i zapewnienia komfortu na pokładzie. Pojemność akumulatorów na poziomie od 70 do 240 kWh zapewnia możliwość całonocnego użytkowania jachtu z prędkością podróżną na poziomie 6–8 węzłów (11–15 km/h). Prędkość maksymalna jachtów wynosi 17 węzłów (ponad 31 km/h). Istnieje również możliwość wyposażenia jachtów w zapasowy generator z silnikiem spalinowym o mocy 100 kW oraz w żagiel umożliwiający zmniejszenie energochłonności napędu, jednak jak zapewniają producenci, statek przy odpowiednim użytkowaniu umożliwia poruszanie się wyłącznie dzięki energii wyprodukowanej z wykorzystaniem paneli solarnych. Jednym z najważniejszych elementów na statku jest system kontroli przepływu energii, który w zależności od sytuacji panujących w trakcie rejsu umożliwia automatyczne włączenie zapasowego generatora w przypadku spadku poziomu naładowania akumulatora poniżej 30%. Ceny tych łodzi zaczynają się od 1,5 mln USD (w przypadku modelu Silent 55) do ponad 5,3 mln USD (dla modelu 24 m – 80 stóp). Producent udziela dożywotniej gwarancji na silniki elektryczne, 25 lat na panele słoneczne i 8 lat na akumulatory.

Rys. 8. Luksusowe jachty ze stoczni Silent-Yachts, wraz z schematem przepływu energii w trakcie słonecznego dnia [19]

Zwiększenie powierzchni statku powinno prowadzić do równoczesnego zwiększenia powierzchni paneli solarnych, a co za tym idzie do zwiększenia zasięgu napędu w trybie elektrycznym. Niestety należy pamiętać, że wraz ze wzrostem powierzchni rośnie też masa okrętu, możliwe jest też zwiększenie jego oporów, co przyczynia się do zwiększonej energochłonności napędu. Zgromadzenie większej energii w akumulatorach również powoduje znaczny wzrost masy układu. Swojego rodzaju rozwiązaniem był opisany w poprzednim artykule statek Energy Observer, który energię wytworzoną z paneli solarnych magazynował w wytworzonym podczas konwersji wodorze [20].

Dynamiczny rozwój badań

Powyższe przykłady jednostek rekreacyjnych udowadniają możliwość zastosowania paneli solarnych nie tylko, jak obecnie ma to miejsce, do wspomagania urządzeń pokładowych, ale również jako główne źródło generowania energii do napędu statku. Firma Wärtsilä zakłada wykorzystanie omawianej energii również w statkach wielkogabarytowych (handlowych) [21]. Paolo Topic, masowiec o nośności ponad 60 tys. ton, ma być wyposażony w nowej generacji układ hybrydowy (rys. 9). Ten 200-metrowy okręt obecnie wyposażony jest w 9000 kW silnik Mitsui MAN 50ME-B9.3, jednak w przyszłości planowane jest doposażenie pokładu w panele solarne, które będą produkowały energię elektryczną do wspomagania głównego napędu. Głównym wyzwaniem przed projektem jest stworzenie jednostki sterującej (EMS – Energy Management System), która w odpowiedni sposób będzie zarządzała przepływem energii umożliwiając w ten sposób redukcję zużycia paliwa nawet o 15%.

Rys. 9. Propozycja modernizacji masowców przez firmę Wärtsilä [21]

Monaco Solar & Energy Boat Challenge to jedne z najbardziej prestiżowych zawodów łodzi solarnych na świecie. Podczas wyścigów łodzie z całego świata startują w trzech kategoriach – V20, Open Class oraz A Class, w tej ostatniej sukcesywne zwycięstwa zdobywa polski zespół AGH Solar Boat. Podczas zawodów sprawdzane były m.in. zwrotność, szybkość i efektywność energetyczna. Rywalizacja składała się z trzech oddzielnie punktowanych konkurencji. W slalomie o długości 400 m łodzie zmierzyły się pojedynczo, a konkurencja ta przede wszystkim sprawdzała zwrotność łodzi, umiejętności sternika oraz zastosowane systemy stabilizacji. Z kolei fleet race to wspólny wyścig wszystkich łodzi, w którym liczona była liczba przebytych okrążeń toru w ciągu trzygodzinnego rejsu. W tej konkurencji kluczowa była minimalizacja oporów, a jej celem – sprawdzenie efektywności zastosowanych rozwiązań w układzie panele fotowoltaiczne – akumulatory – napęd. W najważniejszej konkurencji championship race dwie łodzie ścigały się burta w burtę w teście prędkości na specjalnym torze o długości 600 m. Szanse na sukces w tym wyścigu zwiększały konstrukcje podnoszące prędkość i zwrotność łodzi, takie jak hydro skrzydła (elementy umożliwiające unoszenie się łodzi nad powierzchnię wody zmniejszając przy tym znacząco opory). Zawody tego typu są motorem napędowym do rozwijania technologii, która w przyszłości zostanie zaimplementowana w konwencjonalnych statkach zarówno handlowych jak i rekreacyjnych. W czasie trwania zawodów studenci z AGH wykonywali pomiary, między innymi mocy generowanej przez zamontowane na łodzi panele solarne (rys. 10). Kluczowe w generacji tej energii są warunki atmosferyczne. W zależności od nasłonecznienia i temperatury panele fotowoltaiczne generowały minimum 30% deklarowanej energii.

Rys. 10. Baśka – sportowy katamaran zbudowany przez studentów AGH [22, 23]

Ładowanie akumulatorów energią ze słońca

Wiele łodzi nie posiada jednak dużej powierzchni, którą mogłaby przeznaczyć na montaż paneli fotowoltaicznych. W takim przypadku możliwość czerpania energii z promieni słonecznych można ograniczyć do zaplecza portowego. Wariantem wartym rozważenia przy posiadaniu jachtu typowo rekreacyjnego, którego częstotliwość użytkowania ograniczona jest do pojedynczych weekendów, jest pozostawienie napędu elektrycznego z powiększonym akumulatorem zapewniającym zwiększony zasięg / czas pływania. Energia potrzebna do ładowania tych akumulatorów może być wtedy zapewniona przez panele słoneczne zamontowane zarówno na budynkach, jak i na pomostach znajdujących się w porcie lub marinie (rys. 11).

Rys. 11. Alternatywne możliwości czerpania energii elektrycznej z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych: a) pomosty PowerDocks firmy Blue Isles, b) port Frihamnen w Sztokholmie [24, 25]

Należy pamiętać, że energia słoneczna jest energią odnawialną dostępną praktycznie w każdym miejscu, dlatego jej potencjał wykorzystania z roku na rok rośnie. Również, jak wskazują ostatnie trendy w budowie jachtów, dużym zainteresowaniem cieszą się statki „zeroemisyjne”. Umożliwiają one nie tylko lokalne zmniejszenie emisji na używanych akwenach, ale również korzystanie z miejsc wcześniej niedostępnych dla jednostek motorowodnych.

Ciągły rozwój tej technologii skupia się na zwiększaniu jej sprawności, która w zależności od wielu czynników, takich jak pora roku, miejsce montażu, zapewnienie czystości czy sposób gromadzenia energii, obecnie osiąga sprawność na poziomie około 25%.

Prowadzone są również liczne badania nad innowacyjnymi materiałami wykazującymi właściwości fotowoltaiczne przy zachowaniu użyteczności różnych powierzchni. Przykładem mogą być szyby montowane w dachach pojazdów osobowych, które pomimo zachowania przezroczystości potrafią generować energię elektryczną (rys. 12). Również tego typu rozwiązania będą mogły być wykorzystane w technice jachtowej.

Rys. 12. Integracja półprzezroczystych panoramicznych dachów słonecznych w celu zwiększenia wydajności w pojazdach Hyundai [26]

Dr inż. Wojciech Cieślik
Politechnika Poznańska

Symbole i skróty:
kWp – moc instalacji fotowoltaicznej dla warunków STC (maksymalna moc instalacji)
Li-Ion – Lithium-ion battery – akumulator litowo-jonowy
NREL – National Renewable Energy Laboratory – Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej
SE – Silnik elektryczny
STC – Standard Test Conditions – określone warunki testu dla paneli fotowoltaicznych
typ „n” – negative – ujemny
typ „p” – positive – dodatni

Bibliografia:
[1] What is the Potential of Solar Energy?https://energyinformative.org/potential-of-solar-energy/
[2] Photovoltaics (PV) has become the cheapest source of electrical power https://www.evwind.es/2020/02/02/
[3] Solar: One of Many Renewable Solutions for Our Energy Needs http://www.icsusa.org/
[4] Planetsolar: the first solar powered boat around the world
https://www.designboom.com/technology/
[5] A Brief History of Solar https://solect.com/wp-content/uploads/2016/06/HOSbackground-1.png
[6] History of Solar Energy https://www.superiorsolar.com.au/
[7] AGH students build boat powered by solar panels https://www.agh.edu.pl/en/science/info
[7] Zasada działania instalacji fotowoltaicznej https://max-energy.pl/fotowoltaika/
[8] Solar energy to the Earth https://energyeducation.ca/encyclopedia
[9] The Sun’s Energy http://solarcellcentral.com/solar_page.html
[10] Cieślik W. Alternatywne napędy jednostek pływających – przegląd. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2019, 3/2019.
[11] Propulsion and Battery Technology https://www.torqeedo.com
[12] Przepisy klasyfikacji i budowy statków https://www.prs.pl/
[13] Popularność żeglarstwa w Polsce https://twistczarter.pl/
[14] Polski rynek żeglarski https://sailing.org.pl/
[15] Katamaran SUNSAILER http://sunsailer.eu/marketing/folder_sailer_2019.pdf
[16] Silnik elektryczny haswing osapian 55 lbs https://www.boatpoland.com
[17] Solliner boat specification http://www.greendreamboats.com
[18] Cieślik W. Alternatywne napędy jednostek pływających – przegląd. Biulteyn Techniki Jachtowej. 2019, 3/2019.
[19] https://www.silent-yachts.com/vision-technology/
[20] Cieślik W. Łodzie elektryczne z własną elektrownią? Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w jachtingu. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2020, 1/2020
[21] Complete control hybrid propulsion by Wärtsilä https://electrichybridmarinetechnology.com
[22] W. Kapucik et al 2019 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 214 012143
[23] AGH Solar Boat kolejny raz na podium w zawodach łodzi solarnych w Monako https://www.agh.edu.pl
[24] PowerDocks https://www.blue-isles.com
[25] Solar cel systems https://www.portsofstockholm.com
[26] Jung, H., Song, M., and Kim, S., “A Development of Energy Management System with Semi-Transparent Solar Roof and Off-Cycle Credit Test Methodology for Solar Power Assisted Automobile.,” SAE Int. J. Commer. Veh. 10(1):2017, doi:10.4271/2017-01-0388.