Электрическое движение
Уже не первый год идет объявленная борьба за экологическую безопасность планеты, в которую включился ряд отраслей промышленности, в том числе судостроение. К движению по сокращению вредных выбросов присоединились и яхтенные верфи, выпускающие как парусные, так и моторные прогулочные суда. Но если парусные яхты в отношении экологии почти безупречны, то с моторными не все так хорошо: там есть о чем беспокоиться. Одно из направлений решения проблемы — электродвижение. Попытаюсь оценить реальное положение дел и перспективы этого сегмента яхтостроения, чтобы понять: камо грядеши?
Говорящие цифры
Мы наблюдаем быстрый рост мирового парка электромобилей, а вот в сфере яхтинга динамика электрификации не столь заметна, на что есть свои причины. Любое судно при движении испытывает сопротивление сред, водной и воздушной, намного превышающее сопротивление движению сухопутного транспорта. Чем тяжелее судно, тем выше его сопротивление, что особенно существенно для электродвижения, так как источники электрической энергии весят немало и отнимают значительную долю полезной нагрузки.
Важный показатель — энергоемкость. При широкой номенклатуре выпускаемых батарей у этого параметра присутствует разброс, но, к примеру, для батареи LiFePO4 его «устойчивая рыночная» величина — 150 Вт/кг. Если взять батарею 12 В емкостью 200 А·ч (2,4 кВт·ч), то весить она будет всего 16 кг при цене 45–50 тыс. руб.
Посмотрим, как далеко мы сможем уехать с этой батареей на лодке длиной 5 м и весом 600 кг с четырьмя пассажирами на борту. Расчеты показывают, что для движения в водоизмещающем режиме со скоростью 10 км/ч потребуется мощность около 9 кВт, и лодка сможет пройти 2,7 км. Или меньше, поскольку даже у лидеров рынка потери электроэнергии на дистанции от батареи до гребного винта достигают 20%.
«Пожертвуем» одним пассажиром, чтобы установить батарею весом 90 кг. Емкость такой батареи будет уже 13,5 кВт·ч, запас хода у лодки с тремя пассажирами — почти 12 км. А сопротивление глиссирующей лодки растет по экспоненте, и запас хода падает соответственно. Таковы реалии: лодка — это не электросамокат, который с батареей 20 А·ч может проехать 60 км.
Вывод: путь к повышению эффективности электрической пропульсии, помимо увеличения емкости накопителей, лежит через радикальное снижение сопротивления движению за счет снижения веса корпуса судна и применения подводных крыльев там, где это целесообразно. Кто‑то остроумно заметил: «Чисто технически решаемо почти все. Дело лишь в том, есть ли в нашем распоряжении техника для таких решений.»
Классификация судов с электродвижением
Условно прогулочные суда с электродвижением можно разделить на четыре группы. Первая группа — паромы или пассажирские катера, которые ходят в водоизмещающем режиме и в закрытых акваториях. В качестве накопителей энергии на них применяют современные литиевые аккумуляторные батареи, в частности на базе LiFePO4‑технологии (литий-феррумфосфат). Эти накопители имеют сложные зарядные контроллеры, обеспечивающие оптимальный заряд каждой ячейки. Энергия поступает на маршевые электродвигатели, которые в свою очередь также управляются специальными контроллерами, обеспечивающими оптимальный момент мощности на гребном валу — в зависимости от требуемой частоты вращения. Вот тут сказывается высокая эффективность электропропульсии по сравнению с ДВС: эффективность современного электродвигателя на постоянных магнитах или с обмотками возбуждения достигает 90% практически во всем диапазоне оборотов.
Для судов, эксплуатация которых значительную часть времени не требует полного хода, это дает ощутимое преимущество в плане расхода энергии, поскольку у ДВС максимум КПД располагается в районе 50–70% от максимальных оборотов (как известно, коробки переключения передач у них нет). Суда этой группы ходят в основном в закрытых акваториях «от розетки до розетки», и в случае внезапного коллапса накопителя энергии им можно быстро оказать помощь. А коллапс возможен. Этот коренной недостаток литиевых батарей вызван нестабильностью процессов заряда/разряда ячеек с высокой энергоэффективностью. Основная опасность — возгорание. В ячейках используется горючий электролит, а условия заряда и эксплуатации оказываются далекими от идеальных. Дело в том, что батареи LiFePO4 при физически малом объеме сохраняют довольно много энергии, которая может быстро извлекаться, например, при резком повышении нагрузки. Приводящий к пожару внутренний разогрев могут вызывать разные факторы, включая быструю зарядку, причем горящий аккумулятор очень трудно потушить. Поэтому литиевые батареи требуют повышенного внимания на всех этапах: от проектирования систем до их использования.
Конечно, системы управления имеют различные предохранители, но они не могут ограничивать эксплуатационное потребление/получение энергии, и тут существует тонкая грань, переход которой часто приводит к пожарам накопителей энергии. Кроме того, во время эксплуатации при температуре элемента около +60 °C начинаются необратимые процессы. За отметкой +80 °C ускоряются процессы газообразования, и ячейки вздуваются. Идет прогрессивная деградация элемента, и число заявленных циклов «заряд/ разряд» вместо 3000 доходит до уровня свинцово-кислотных батарей, то есть ниже в 10 раз.