Napędy elektryczne w jachtingu rekreacyjnym

26 czerwca 2022 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 13, Technika jachtowa

Wielkość rynku elektrycznych silników zaburtowych w Europie przekroczyła 32 891,9 tys. USD w 2020 roku [1] i przewiduje się, że w latach 2021-2027 będzie się rozwijać o ponad 5,3% rocznie.

Rosnąca popularność żeglarstwa rekreacyjnego, produkcji jachtów i wysoki stopień elektryfikacji pojazdów wszelkiego rodzaju napędzają popyt na rynku. Elektryczne silniki (SE) zaburtowe zasilane z wykorzystaniem akumulatorów napędzają łodzie używane rekreacyjnie do rejsów i innych sportów wodnych, takich jak wędkarstwo, narciarstwo wodne czy nurkowanie. Konieczne są do stosowania na wszystkich akwenach, które ograniczają dostęp jednostkom spalinowym. Sprzęty wodne mogą mieć wielkość od jednoosobowych jednostek pływających po kilkunastometrowe jachty (rozmiaru granicznego nie określono).

Europa stanowi główną atrakcję turystyczną, ponieważ obejmuje różnorodne kraje, kuchnie i kultury. Te atrakcje turystyczne w znacznym stopniu przyczyniają się do rozwoju żeglarstwa rekreacyjnego w regionie. Coraz więcej osób uczestniczy w zajęciach rekreacyjnych, takich jak pływanie rekreacyjne, co stymuluje zapotrzebowanie na elektryczne silniki zaburtowe w regionach ograniczających lokalną emisję spalin. Europa została wymieniona jako drugi główny kierunek turystyczny przez Travel & Tourism Competitive Index [2]. Ponadto, w 2019 roku podróże i turystyka wygenerowały około 3% europejskiego PKB.

Rys. 1. Rozmiar rynku elektrycznych silników zaburtowych w Europie (na podstawie [1])

Rosnący dochód wraz z rosnącą liczbą zamożnych osób sprawiają, że coraz więcej osób decyduje się na aktywność rekreacyjną na świeżym powietrzu. Pandemia COVID-19 hamowała w ostatnich latach rozwój branży. Ograniczona mobilność miała poważny wpływ na sektor podróży i turystyki, czego skutki można zaobserwować na europejskim rynku elektrycznych silników zaburtowych. W 2020 roku rynek odnotował spadek o ponad 3%. Jednak w nadchodzących latach branża powraca do poprzedniego kursu wzrostu.

Silniki o mocy mniejszej niż 25 kW są najczęściej używane jako silniki zaburtowe i zdominowały ponad 74% rynku w 2020 roku. Kluczowe czynniki wspierające rozwój tego segmentu to zmniejszony nominalny hałas silnika, kompaktowe rozmiary, mobilność i efektywny wysoki moment obrotowy w stosunku do konwencjonalnych odpowiedników. Zmiana w preferencjach konsumentów, dotyczących wysokowydajnych i efektywnych kosztowo produktów do podróży na krótkich dystansach lub aktywności na łodziach, kajakach lub pontonach, dodatkowo zwiększa zapotrzebowanie na elektryczne silniki zaburtowe o mocy poniżej 25 kW. Trend ten zmusił producentów układów napędowych do opracowania zaawansowanych i aktualnych konstrukcji silników o dużej mocy, aby sprostać rosnącemu popytowi [1].

Popyt na silniki zaburtowe w Europie wynika z rosnących wydatków na działalność rekreacyjną. Z roku na rok rośnie liczba osób uprawiających takie sporty, jak wędkarstwo i sporty wodne, co napędza sprzedaż łodzi. Dodatkowo, rosnący popyt na żywność pochodzącą z akwakultury oraz wzrost produkcji rybnej w regionie zwiększają popyt na łodzie komercyjne (rys. 2).

Rys. 2. Prognozowany udział zaburtowych silników elektrycznych w zależności od przeznaczenia jednostki pływającej (na podstawie [1])

Ze względu zarówno na mnogość rodzajów silników elektrycznych (rys. 3), jak również ich przeznaczenie (rys. 4), prezentowany artykuł zostanie podzielony na kilka części, w których w przyszłości omawiane będą konstrukcje SE z większych przedziałów mocy jednostek napędowych. W obecnym opracowaniu przedstawione zostaną wybrane silniki elektryczne do mocy 10 kW. W tej kategorii uwzględnione są jednostki napędowe, których używanie nie wymaga specjalnych uprawnień zgodnie z ustawą z dnia 21 grudnia 2000 r. o żegludze śródlądowej [3]. Ustawa umożliwia używanie bez uprawnień również łodzi o większych mocach, jednak wymagają one specjalnego, konstrukcyjnego ograniczenia prędkości maksymalnej.

Rys. 3. Podstawowy podział silników elektrycznych
Rys. 4. Konfiguracje elektrycznych silników napędowych w zależności od typu łodzi

Silniki zaburtowe z tego przedziału mocy można nabyć już w cenie od ok. 600 zł dla silników stosowanych w napędach pontonów (o mocy znamionowej poniżej 0,5 kW) do ok. 60 000 zł dla silników o mocy 10 kW renomowanych producentów. Przy wyborze silnika elektrycznego należy uwzględnić również rodzaj wymaganych akumulatorów i konieczność stworzenia odpowiedniej instalacji zasilającej, która w większości przypadków będzie pracowała w zakresie napięć od 12 V do 60 V (dla specyficznych konstrukcji napięcie pracy silnika może być wyższe). Silniki napędu wewnętrznego to koszt od 25 000 do 33 000 zł w zakresie mocy od 5 do 10 kW.

Zawężając zakres mocy analizowanych silników elektrycznych, poniżej przedstawiono konstrukcje stosowane do napędu różnego rodzaju sprzętu rekreacyjnego. W artykule opisane zostaną jedynie same silniki elektryczne, z pominięciem pozostałych podstawowych elementów układu napędowego, wymaganych w procesie akumulacji energii i jej dalszego transferu. Elementy te zostały już opisane wstępnie w artykułach [4–6] i będą w przyszłości obszerniej przedstawiane na łamach „Biuletynu Techniki Jachtowej”.

Jednymi z najmniejszych, często jednoosobowymi jednostkami pływającymi, są sprzęty rekreacyjne takie jak kajaki, canoe czy deski SUP (Stand Up Paddle), które w pierwotnym założeniu są sprzętami wodnymi, których poruszanie realizowane jest przy pomocy wiosła bądź pagaja. Obecnie najmniejsze silniki elektryczne dostępne są również do konwersji przytoczonych sprzętów pływających. Rozwiązanie firmy ePropulsion Vaquita umożliwia montaż silnika na dnie kadłuba dowolnej konstrukcji (rys. 5). Silnik o mocy 0,3 kW umożliwia poruszanie się z prędkością do 11 km/h. Przy maksymalnej prędkości pływania producent deklaruje czas pracy układu przez 70 min, podczas pływania z prędkością połowiczną wzrasta on do 5 godzin. Regulacja prędkości odbywa się przy pomocy pilota zdalnego sterowania, który posiada 8 stopni regulacji. Podobne konstrukcje podkadłubowe i zaburtowe oferują również firmy Aqua-Marina (rys. 6), Bass, Torqueedo, Zray Aquajet i inni.

Rys. 5. Silnik elektryczny Vaquita firmy ePropulsion przeznaczony do zastosowań w deskach SUP [7]
Rys. 6. Silnik elektryczny Bluedrive S Power Fin firmy Aqua-Marina [8]

Przy doborze elektrycznego silnika zaburtowego, prócz prędkości łodzi, którą chcemy osiągnąć, konieczne jest również uwzględnienie pozostałych parametrów, takich jak długość, szerokość i masa łodzi, typ jej kadłuba czy inne parametry nautyczne oraz rzeczywiste określenie rejonu, w którym jednostka będzie używana (uwzględnienie wód spokojnych i wzburzonych). W doborze właściwego silnika do łodzi pomocne będą tabele, uwzględniające część powyższych parametrów (rys. 7).

Rys. 7. Przykładowa tabela doboru silnika, uwzględniająca deklarowany uciąg silnika [9]

W zależności od producentów silników i ich przeznaczenia często można spotkać się z dwojakim oznaczeniem, uwzględniającym:

Aby dobór silnika był optymalny zarówno pod względem osiągów jednostki pływającej, jak również pod względem optymalnej energochłonności, zalecany jest kontakt ze specjalistycznymi serwisami [9].

Elektryczne silniki zaburtowe do napędu łódek wędkarskich lub pontonów do poruszania się z większą prędkością i licznością załogi na pokładzie wymagają większej mocy napędowej. Przykładową jednostką napędową może być konstrukcja firmy Haibo, model R-500, którego głównym przeznaczeniem są jachty i żaglówki, ale znajdzie również zastosowanie w wymienionych wcześniej jednostkach pływających. Silnik posiada możliwość regulowania ustawienia długości kolumny, dzięki czemu może byś stosowany na różnych łodziach. W rumplu wbudowano wskaźnik napięcia akumulatora.

Rys. 8. Elektryczny silnik zaburtowy Comax N 55 firmy Haswing o uciągu 55 lbs [9]
Rys. 9. Elektryczny silnik R-500 firmy Haibo o mocy 3 kW (uciąg deklarowany 759 lbs) [10]

Niewielkich rozmiarów silniki uciągowe oferowane są również w wersji dodatkowego wyposażenia obecnie używanych konwencjonalnych silników zaburtowych, umożliwiając w ten sposób ekologiczne i ciche wyjście z portu lub przemieszczanie się w rejonach szczególnie wrażliwych na emisję hałasu bądź zanieczyszczeń (rys. 10). Podczas montażu tego typu silników dodatkowych konieczne jest uwzględnienie minimalnej głębokości płyty kawitacyjnej silnika bądź trym klap łodzi.

Rys. 10. Silniki uciągowe firmy Minn Kota zamontowane na płycie kawitacyjnej spalinowego silnika zaburtowego [11]

Coraz częściej dostępne są konstrukcje silników zaburtowych, które tak jak kiedyś silniki spalinowe wyposażone były w zbiornik paliwa, tak obecne silniki elektryczne wyposażono w zintegrowany w obudowie akumulator. Mercury Marine, jeden z największych na świecie producentów silników zaburtowych, zaprezentował swój pierwszy elektryczny silnik zaburtowy na Międzynarodowych Targach Łodzi w Miami. Pierwszy z serii pięciu silników elektrycznych, które Mercury wprowadzi na rynek konsumencki jeszcze w tym roku, nazwano Avator. Firma nie podała szczegółów dotyczących wielkości silnika lub pojemności akumulatora, wiadomo jednak, że jest on przeznaczony dla mniejszych łodzi (rys. 11). W roku 2023 firma planuje wprowadzenie również większych silników zaburtowych. Widzimy zatem podobny trend, jaki jest obecny w drogowych pojazdach osobowych. Łodzie elektryczne zaczynają się coraz częściej pojawiać w tych rejonach, w których pływanie spalinowych jednostek jest ograniczone bądź zakazane.

Rys. 11. Silnik zaburtowy Avator firmy Mercury [11]

Przykład silnika zaburtowego o maksymalnej analizowanej w artykule mocy, równej 10 kW, to model Cruise 10.0 R firmy Torqueedo (rys. 12) [12]. W zależności od konstrukcji łodzi, silnik może napędzać małą motorówkę z prędkością ok. 35 km/h. Silnik zasilany jest przez zespół akumulatorów, dostarczających bezpieczne napięcie wartości 48 V. Dzięki trzem długościom kolumny oraz możliwości sterowania zarówno z rumpla, jak i manetki, silnik może być stosowany w różnych aplikacjach, nawet w 10-tonowych łodziach żaglowych. Firma Torqueedo już w 2004 roku rozpoczęła produkcję silników elektrycznych do zastosowania w jachtingu, a impulsem do tego były wprowadzone w ówczesnych czasach ograniczenia na jeziorze Stranberg (Niemcy). Obecnie firma oferuje zarówno silniki zaburtowe, jak i stacjonarne o mocy od 0,5 do 100 kW.

Rys. 12. Silnik zaburtowy Cruise 10.0 firmy Torqueedo [12]

Do zalet elektrycznych napędów łodzi, prócz przytaczanych korzyści eksploatacyjnych, można zaliczyć również: mniejszą liczbę części ruchomych, które mogą się zużywać, brak konieczności wymiany oleju czy częstej zimowej konserwacji. Należy jednak uwzględnić również wady takich rozwiązań: w przeciwieństwie do samochodów elektrycznych, obecne napędy elektryczne stosowane w jachtingu nie mogą odzyskać części energii dzięki hamowaniu odzyskowemu (które jest obecne w pojazdach drogowych).

Dzisiejsze benzynowe silniki zaburtowe są znacznie cichsze i emitują znacznie mniej spalin niż porównywalne silniki sprzed 20 lat. Aby silniki elektryczne mogły się szeroko rozpowszechnić, technologia akumulatorów będzie musiała być nadal doskonalona. Przedstawione porównanie energii (rys. 13) wskazuje obecne możliwości akumulatorów w odniesieniu do konwencjonalnych źródeł energii. Aby nie pogarszać właściwości nautycznych łodzi napędzanych silnikami elektrycznymi (przykładowo przez konieczność zapewnienia odpowiedniej ilości energii wiążącej się z dużą masą akumulatorów), konieczny jest dynamiczny rozwój tej technologii.

Rys. 13. Gęstość energetyczna wybranych paliw i źródeł energii [14, 15]

W łodziach, których napęd jest zaprojektowany wewnątrz kadłuba, zastosowanie silnika elektrycznego umożliwia lepsze zagospodarowanie miejsca ze względu na zmniejszone gabaryty jednostki napędowej. Rozkład masy również może korzystnie wpłynąć na parametry żeglugowe, ponieważ akumulatory mogą być rozlokowane w całej przestrzeni jachtu. Firmą oferującą silniki do zabudowy wewnętrznej jest między innymi VETUS, który w obecnej ofercie przedstawił gamę silników E-Line o mocach od 5 do 10 kW (rys. 14).

Rys. 14. Silnik do zabudowy wewnętrznej (stacjonarny) E-Line firmy VETUS [16]
W ramach współpracy naukowej pomiędzy VETUS Polska a Politechniką Poznańską w laboratorium Zakładu Napędów Alternatywnych powstaje stanowisko oceny energochłonności jachtowych układów napędowych

dr inż. Wojciech Cieślik
Politechnika Poznańska

Źródła:
[1] Europe Electric Outboard Engines Market Size, https://www.graphicalresearch.com/industry-insights/1728/europe-electric-outboard-engines-market
[2] State of Global Travel & Tourism Competitiveness, https://reports.weforum.org/travel-and-tourism-competitiveness-report-2019
[3] Ustawa z dnia 21 grudnia 2000 r. o żegludze śródlądowej
https://isap.sejm.gov.pl/
[4] Cieślik W. Alternatywne napędy jednostek pływających – przegląd. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2019, 3/2019.
[5] Cieślik W. Łodzie elektryczne z własną elektrownią? Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych w jachtingu. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2020, 1/2020, 12-16.
[6] Cieślik W. Nieograniczony zasięg pływania? Możliwości napędu solarnego w łodziach rekreacyjnych. Biuletyn Techniki Jachtowej. 2020, 2/2020, 10-15.
[7] Lightweight Motor for Stand Up Paddle Boards https://www.epropulsion.com/vaquita/
[8] Aqua-Marina BLUEDRIVE S POWER FIN https://aquamarina-isup.pl
[9] Dobór i użytkowanie silników elektrycznych zaburtowych, https://mc-sklep.pl
[10] Silniki elektryczne, https://sklep.pontony.net.pl/
[11] Minn Kota engine mounted trolling motor, https://www.minnkotamotors.com
[12] Mercury Avator https://www.mercurymarine.com/en/us/land/avator-electric-outboard
[13] Torqueedo Cruise, https://www.torqeedo.com
[14] LENZ, Hans P. “Future mobility without internal combustion engines and fuels?”. Combustion Engines 155 no. 4 (2013): 3-15. doi:10.19206/CE-116972.
[15] Lisowska-Oleksiak A., Nowak A. P., Wilamowska M. Superkondensatory jako materiały do magazynowania energii. Acta Energetica, 2010
[16] VETUS E-LINE https://www.vetus-sklep.pl