Колко гориво спе­стява ката­ма­ранът Burgus?

Соларни модули на борда

Roman Rubanovich, NENCOM

През 2021 година участвахме в изграж­да­нето на тури­сти­че­ски ката­ма­ран за община Бургас. Пред нас беше поста­вена задача да раз­ра­бо­тим фото­вол­та­ична (PV) система за резервно захран­ване на кри­тич­ните товари на кораба.

След три години успешна екс­пло­ата­ция на пла­ва­тел­ния съд, съб­рахме подробна ста­ти­стика и допъл­ни­хме нашата статия «Слънчева енер­гия за ката­ма­ран» с нови данни. През този период фото­вол­та­ич­ната система про­из­веде 9 MW·h елек­три­ческа енер­гия, което пред­став­ля­ваше 80% от цялото потреб­ле­ние на кри­тич­ната линия. Остана­лите 20% бяха оси­гу­рени от дизе­лов гене­ра­тор и бре­гово захран­ване.

Данни от систе­мата за мони­то­ринг

Както обик­но­вено, пуб­ли­ку­вахме линк към тази статия на нашата стра­ница във Фейсбук, което при­влече голямо вни­ма­ние към този нестан­дар­тен проект. Сред комен­та­рите имаше и такъв: «На фона на гори­вото това е 0.0001% енер­ги­ята».

Помолихме автора на този комен­тар да пред­стави цялото изчис­ле­ние, а не само резул­тата, защото това би било полезно за всички. Но комен­та­торът отказа да направи пре­смя­та­ни­ята, пред­ла­гайки сами да се заемем с това. Добре, нека да смет­нем.

Дял на слън­че­вата енер­гия

Двигате­лите на ката­ма­рана използ­ват дизе­лово гориво, за да пре­об­ра­зу­ват енер­ги­ята от горе­нето му в меха­нична енер­гия за дви­же­ни­ето на съда. КПД на дизело­вия дви­га­тел е около 40%.

Фотовол­та­ич­ните модули използ­ват фотони на свет­ли­ната, за да пре­об­ра­зу­ват слън­че­вата енер­гия в елек­три­ческа, която захранва кри­тич­ните товари на борда на кораба. КПД на солар­ните модули е около 20%.

Строител­ство на ката­ма­рана

Според инфор­ма­ци­ята от кора­бо­стро­и­тел­ната ком­па­ния «Галера 07», ката­ма­ранът Burgus кон­су­мира около 100 литра нафта на час при крей­сер­ска ско­рост от 9 възела. Той плава средно 5 часа на ден, 120 дни в годи­ната. Така дви­га­те­лите на ката­ма­рана са кон­су­ми­рали около 180 хиляди литра дизе­лово гориво за 3 години екс­пло­ата­ция.

Енергий­ната плът­ност на дизе­ло­вото гориво е около 10 kW·h на литър. Получава се, че за 3 години дви­га­те­лите на ката­ма­рана са кон­су­ми­рали ~1 800 MW·h енер­гия на гори­вото, оси­гу­ря­вайки ~720 MW·h меха­нична енер­гия за дви­же­ние на съда.

През същото време PV систе­мата на ката­ма­рана, както е напи­сано в нашата статия, е про­из­вела 9 MW·h елек­три­ческа енер­гия за захран­ване на кри­тич­ните товари на борда на съда, което пред­став­лява 1.25% от меха­нич­ната енер­гия на дви­га­те­лите.

Оценката на комен­та­тора от 0.0001% се раз­ли­чава от фак­ти­че­с­ката стой­ност 12.5 хиляди пъти. Ако при­е­мем пол­зата от пра­вил­ния комен­тар за 100%, то чисто мате­ма­ти­че­ски пол­зата от такъв комен­тар е нищож­ните 0.008%. Но всъщ­ност този комен­тар е много важен, тъй като поз­во­лява на нашите после­до­ва­тели да научат повече за рабо­тата на фото­вол­та­ич­ните системи.

Защо срав­ня­ваме коли­че­ството елек­три­ческа енер­гия, про­из­ве­дена от PV систе­мата, с меха­нич­ната енер­гия на дви­га­те­лите на ката­ма­рана, а не с енер­ги­ята на изго­ря­лото гориво?

Защото гори­вото е източ­ник на енер­гия за дви­га­те­лите, от които се нуж­даем за дви­же­ние, точно както Слънцето е източ­ник на енер­гия за PV систе­мата, която ни е необ­хо­дима за про­из­вод­ството на елек­три­че­ство.

По-рано спо­ме­на­хме, че КПД на слън­че­вите модули е около 20%. Получава се, че за про­из­вод­ството на 9 MW·h елек­три­ческа енер­гия, сме «похар­чили» 45 MW·h слън­чева енер­гия, а това вече е 2.5% от енер­ги­ята на израз­ход­ва­ното гориво.

Ключовата раз­лика в такова потреб­ле­ние е в това, че:

1. Слънцето е неиз­чер­паем източ­ник на енер­гия в маща­бите на чове­че­ството;

2. Слънцето е без­пла­тен източ­ник на енер­гия (дори достав­ката е без­платна);

3. Използ­вайки слън­че­вата енер­гия, не нару­ша­ваме топ­лин­ния баланс на пла­не­тата.

Икономия на гори­вото

Също така можем да изчис­лим колко гориво допъл­ни­телно би израз­ход­вал дизело­вият гене­ра­тор на ката­ма­рана, ако нямаше нашата PV система.

За да про­из­веде 9 MW·h елек­три­ческа енер­гия с ефек­тив­ност 40%, на гене­ра­тора ще му тряб­ват 22.5 MW·h енер­гия на гори­вото. Вече знаем, че енер­гий­ната плът­ност на дизе­ло­вото гориво е около 10 kW·h на литър. Това озна­чава, че ще трябва да изго­рим допъл­ни­телно 2 250 литра гориво, израз­ход­вайки за това около 2 800 €, без да се отчи­тат зна­чи­тел­ното уве­ли­че­ние на раз­хо­дите за под­дръжка на гене­ра­тора.

Получава се, че нашата PV система не само изпъл­нява основ­ната си задача — непрекъ­сва­емо захран­ване на кри­тич­ните товари на кораба, но и всеки ден въз­връща вло­же­ните в нея инве­сти­ции, въпреки че такава задача изобщо не беше поста­вена.

Освен това, както напи­са­хме в ста­ти­ята, при под­мяна на мал­ките AGM бате­рии с LFP бате­рии с по-голям капа­ци­тет, про­из­во­ди­тел­но­стта на PV систе­мата зна­чи­телно ще се уве­личи. В този случай, по нашите оценки, систе­мата ще про­из­веде не по-малко от 14 MW·h елек­три­ческа енер­гия за същия три­го­ди­шен период, което ще пред­став­лява около 2% от меха­нич­ната енер­гия на дви­га­те­лите.

Потенци­алът на фото­вол­та­и­ката

Щом вече сме се захва­нали с изчис­ле­ни­ята, нека да смет­нем и колко при­бли­зи­телно енер­гия би могла да про­из­вежда PV систе­мата, ако слън­че­вите модули пред­став­ля­ваха навес над кор­пуса на ката­ма­рана, както е на тази снимка:

Соларен ката­ма­ран © Mobicat

В случая с ката­ма­рана Бургус, с оглед на допъл­ни­тел­ните повърх­но­сти отстрани, бихме могли да използ­ваме около 140 m², инста­ли­райки 70 соларни модула по 440 Wp. По този начин инста­ли­ра­ната мощ­ност на PV систе­мата би била 30.8 kWp, което е точно 7 пъти повече от насто­я­щата система (4.4 kWp).

Такава «пла­ваща елек­тро­стан­ция» би могла да про­из­вежда повече от 100 MW·h за 3 години, оси­гу­ря­вайки около 15% от цялата енер­гия, необ­хо­дима на пла­ва­тел­ния съд както за дви­же­ние, така и за работа на елек­три­че­с­ките уреди. Разбира се, в този случай на нашия ката­ма­ран биха били необ­хо­дими хибридни дви­га­тели, но с това няма ника­кви про­блеми. Слънче­вият ката­ма­ран Mobicat, напри­мер, е напълно елек­три­че­ски.

Фотовол­та­и­ката във водния транс­порт е много пер­спек­тивна посока. Тя може да бъде осо­бено изгодна при използва­нето ѝ на фери­боти и водни так­сита; по време на пау­зите между рей­со­вете запа­сът от енер­гия в бате­ри­ите авто­ма­тично ще се попъ­лва, за раз­лика от гори­вото, което, за съжа­ле­ние, не се появява само в резер­во­арите.

Ние в NENCOM сме при­вър­же­ници на елек­три­че­ския транс­порт. Благода­ре­ние на бър­зото раз­ви­тие на тех­но­ло­ги­ите в тази област, ефек­тив­но­стта на дви­же­ни­ето на елек­три­ческа тяга посто­янно нараства. КПД на съвре­мен­ните син­хронни елек­тро­мо­тори с посто­янни маг­нити (PMSM) е 94-97%, докато общата ефек­тив­ност на най-добрите серийни дизе­лови дви­га­тели е в диа­па­зона 40-45%.

Слабото звено в систе­мата на елек­три­че­с­ката тяга са бате­ри­ите, чиято енер­гийна плът­ност, макар и да нараства с всяка година, все още зна­чи­телно изо­става от гори­вото. Обаче за такива про­екти като ката­ма­ранът Burgus, този недо­статък може да бъде ком­пен­си­ран чрез използва­нето на напълно пото­пени под­водни крила, които нама­ля­ват хид­ро­ди­на­мич­ното съпро­тив­ле­ние с 80%.

Подводни крила © Candela

Съвремен­ните PMSM са тол­кова ком­пактни и надеждни, че могат да бъдат вгра­дени директно в под­вод­ните крила на елек­три­че­с­ката лодка или ката­ма­рана. Тази тех­но­ло­гия поз­во­лява зна­чи­телно да се намали раз­ходът на енер­гия, да се уве­личи ско­ро­стта и да се оси­гури ком­форт на паса­же­рите бла­го­да­ре­ние на систе­мата за активна ста­би­ли­зация.