CC BY
0УДК 621.313:629.05.03:62-83
А.Н. Рак1, В.О. Гутаревич2, И.П. Арзютов1
1 Камчатский государственный технический университет,
Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]; 2 Донецкий национальный технический университет», Донецк, 283001
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПРИМЕНЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В ЭЛЕКТРОДВИЖЕНИИ МОРСКИХ СУДОВ
В статье рассмотрены основные принципы обеспечения электродвижения судна с применением конвенционных генераторов, аккумуляторных батарей и статических генераторов. Представлены различные сценарии энергопотребления для соблюдения экологических требований по выбросам с морских судов.
Ключевые слова: главный двигатель, гребная электрическая установка, аккумуляторная батарея, статический генератор.
A.N. Rak1, V.O. Gutarevich2, I.P. Arzyutov1
1 Kamchatka State Technical University,
Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected];
2 Donetsk National Technical University,
Donetsk, 283001
MODERN TRENDS OF STORAGE BATTERY USE IN MARINE VESSELS ELECTRIC PROPULSION
The basic principles of ensuring the electric propulsion of a vesselusing conventional generators, storage batteries and static generators are enumerated. Various energy consumption scenarios to meet environmental requirements for emissions from sea vessels are presented.
Key words: main engine, propulsion electric plant, storage battery, static generator.
Научно-техническое направление по перемещению морских судов было начато в 1836 г., когда профессор Санкт-Петербургского университета Б.С. Якоби продемонстрировал государственной комиссии, в состав которой входили известные ученые и мореплаватели, возможность приведения в движение морского судна при помощи электродвигателя (ЭД) постоянного тока собственной конструкции от аккумуляторных батарей (АБ). Данный эксперимент получил высокую положительную оценку и восторженные отзывы не только членов комиссии, а также и признанных ученых того времени в области электротехники, но, к сожалению, уровень развития электротехнических технологий того времени не позволил в полной степени реализовать все задуманное автором. Дальнейшее развитие электродвижение получило уже в военно-морском подводном флоте, и только в наши дни мы можем по достоинству оценить это изобретение.
Цель работы - показать возможность применения современных АБ в гребных электрических установках (ГЭУ).
В работе использованы материалы, приведенные в открытых источниках и технической документации.
Возврат в наши дни к данной технологии не случаен. Это, прежде всего, диктуется с одной стороны условиями соблюдения международной конвенции MARPOL 73/78 в части сокращения выбросов с морских судов на допустимом уровне [1], а с другой стороны стремлением обеспечить регулирование частот вращения ГЭУ в широком диапазоне именно за счет электрической части и упрощением конструкции самих генераторов.
Поскольку в эксплуатации находится еще достаточное количество морских судов с дизель-механическими пропульсивными установками (ПУ), то рассмотрим вариант с так называемой комбинированной ПУ (рис. 1).
Рис. 1. Комбинированная пропульсивная установка
Такая концепция позволяет обеспечить не только движение судна для соблюдения требований конвенции в зонах экологического контроля, но и подзарядку АБ при дальнейшей работе [1]. Оценим возможности такой системы с точки зрения потребления энергии.
Энергия, необходимая для выхода из порта на пять морских миль, оценивается в табл. 1. Общая энергия, необходимая для ускорения судна и выхода из порта ограниченна. Для контейнеровозов основное потребление энергии обусловлено электрической нагрузкой, а не фактической движущей силой. В приведенные расчеты не включены возможные изменения потребления энергии ДГ. Следует отметить, что потребление энергии при маневрировании может значительно увеличиться при сильном ветре.
Таблица 1
Энергия для выхода из порта на 5 морских миль
Типы судов Балкер Балкер Балкер Балкер Контейнеровоз Контейнеровоз Контейнеровоз Ро-ро
Размер 50К ЙУЛ 82к 200к 320к сМ 2,5001еи 14,0001еи 20,0001еи 5,000 1т
Энергия для выхода из порта, кВт-ч 314 428 873 1,324 212 665 777 198
Потребление энергии на судне, кВт-ч 230 280 340 400 1,200 5,600 8,000 1,300
Общая энергия, МВт-ч 0.5 0.7 1.2 1.7 1.4 6.3 8.8 1.5
Информация об энергии для выхода из территориальных вод (12 морских миль) от причала, представлена в табл. 2. При этом это расстояние может быть несколько больше, что зависит от расположения порта и береговой линии. Полагаем, что скорость составляет 10 узлов. Тем не менее потребление энергии для фактического движения судна ограниченно, а поэтому общее потребление энергии низкое для судов с низкой нагрузкой на судовую сеть.
Таблица 2
Энергия для выхода из территориальных вод на 12 морских миль
Типы судов Балкер Балкер Балкер Балкер Контейнеровоз Контейнеровоз Контейнеровоз Ро-оо
Размер 50к<Ш агксм 200к<М 320 к сМ 2,500 геи 14,000 1еи 20,000 геи 5,000 1т
Энергия для выхода из территориальных вод, МВт-ч 2.2 2.7 5.1 7.5 1.7 4.2 5.0 1.5
Потребление энергии на судне, МВт-ч 0.4 0.5 0.6 07 2.0 9.6 13.6 2.2
Общее потребление энергии, МВТ-ч 2.6 3.2 5.7 8,2 3-7 13.7 18.6 3.7
Движитель, питаемый от АБ, может быть вариантом для обеспечения соблюдения правил в пределах 200 морских миль, как показано в табл. 3. Здесь считается, что судно ускоряется до своей рабочей скорости за пределами территориальных вод (12 морских миль). Энергия, необходимая для покрытия 200 морских миль, в этом случае зависит от энергии, необходимой для движения судна, а не от нагрузки потребителей на борту.
Таблица 3
Энергия для выхода из 200-мильной зоны
Типы судов Балкер Балкер Балкер Балкер Контейнеровоз Контейнеровоз Контейнеровоз Ро-ро
Размеры 50кс1л^ Э2к £1УЛ 200к сМ 320к сМ 2,500 14,000 1еи 20,000 *еи 5,0001т
Энергия для выхода из экозоны, МВт ч 77 94 147 219 не 320 467 134
Судовые потребители, МВт-ч 3.6 4.2 5.0 5,7 14.6 62,1 82.0 14,4
Общее потребление энергии, МВт-ч 81 98 152 226 131 383 549 149
Анализ источников показывает, что в настоящее время значительный прогресс в развитии ПУ связан с использованием литий-ионных АБ. Но, несмотря на всю привлекательность с экологической точки зрения, такие системы имеют ограниченный характер из-за значительных массо-габаритных и ценовых показателей и могут применяться только для конкретных маршрутов [2]. Информация о массо-габаритных показателях систем с указанным выше типом АБ представлена в [2] и табл. 4.
Таблица 4
Удельная масса, объем и цена больших 1МВт-ч тяжелых литий-ионных батарей
Основные показатели Уровень системы Групповой уровень Модульный уровень Уровень элемента
Удельная масса, кг/кВт • ч 11-30 7-28 6-24 6-8
Удельный объем, 1/кВт 12-35 10-12 7-10 1,5-2,5
Удельная цена, USD/кВт • ч 500 200-250
На массу и объем батареи на системном уровне (кроме массы элемента) влияет множество факторов, например: тип изоляции между элементами и модулями, системы охлаждения (воздушное/водяное), интеграция с другими бортовыми устройствами, системами и др. Особенно метод, который применяется для тепловой изоляции отдельной АБ и модулей, для снижения риска теплового разгона, влияет на массу и объем модулей.
Это отображается в значительном увеличении удельного веса как на уровне отдельной АБ, так и на уровне модуля.
Возможная топология схем применения комбинированных установок представлена на рис. 2.
3. Конвенционная+ВГ 4. Конвенцивнная+ВГ
+ малая АБ - 2ДГ + большая АБ - 3 ДГ
11.280 кВт 11,280 кВт
105об/мин. 2x1140кВт 105 об/мин.
Рис. 2. Возможная топология схем применения комбинированных установок
Возможное снижение удельных затрат топлива на производство энергии для топологических схем, приведенных на рис. 2, представлено на рис. 3.
Следующим этапом в развитии ГЭУ с АБ можно считать так называемые системы со статическими генераторами, разработанными фирмой MAN B&W - MAN Hybrid EcoAux (рис. 4). Его технические характеристики приведены в [1] и табл. 2.
Изменение энергопотребления,%
100
Конвенционная ^ ВГ + ВГ+ АБ + ВГ+ АБ
500 кВт -ч 12000 кВт -ч
Рис. 3. Возможное снижение удельных затрат топлива на производство энергии для различных топологических схем
Рис. 4. «Твердотельный» генератор MAN Hybrid EcoAux: а - внешний вид; б - состав генератора: 1 - накопитель энергии (АБ); 2 - выключатель; 3 - система защиты; 4 - двунаправленный инвертирующий преобразователь; 5 - фильтр; 6 - разделительный трансформатор;
7 - выключатель с моторным приводом
Таблица 2
Технические характеристики «твердотельных» генераторов MAN Hybrid EcoAux
Типоразмер Напряжение сети, В Частота, Гц
625 кВт ■ ч (5С)* 400-690 50 или 60
405 кВт ■ ч (5С) 400-690 50 или 60
270 кВт ■ ч (5С) 400-690 50 или 60
135 кВт ■ ч (5С) 400-690 50 или 60
* С - скорость заряда. С = 12 мин, т. е. 5С = 5 ■ 12 = 60 мин
Такую систему можно будет использовать в качестве «горячего» резерва. Типовая конфигурация вспомогательной системы состоит как минимум из трех ДГ (рис. 5). Два ДГ работают с низкой нагрузкой (обычно ниже 40%), при этом один ДГ находится в режиме ожидания во время критических операций, таких как маневрирование или разгрузка судна, где следует избегать отключения электроэнергии. Такая конфигурация допускает внезапную остановку одного генератора. При пересечении океана один ДГ может покрывать нагрузку, второй - готов к запуску, а третий - находится на техническом обслуживании.
Рис. 5. Принцип действия системы с АБ «горячий» резерв
1. Применение комбинированных систем позволяет сэкономить до 10% потребляемой энергии на судне, поскольку вся энергия на судах производится от сжигания углеводородного топлива, и тем самым обеспечить соблюдение требований конвенции по сокращению выбросов с морских судов. Массогабаритные и энергетические характеристики батарейных систем будут зависеть прежде всего от конкретных условий их применения.
2. Применение статических генераторов в качестве «горячего» резерва позволяет существенным образом сократить удельный расход топлива и также сократить количество выбросов. Определение параметров таких систем не должно вызывать особых затруднений. Но здесь необходимо будет учесть еще один момент, связанный с согласованием заменяемых мощностей, поскольку мощности статических генераторов могут оказаться меньше мощности традиционных.
Литература
1. Труднев С.Ю., Рак А.Н., Марченко А.А. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Судовые источники электрической энергии. Часть I. [Электронный ресурс]: Учеб. пособие. - Текстовое (символьное) электронное издание. - Новокузнецк: Знание-М, 2021. - 1 электрон. опт. диск (CD-R). - С. 174-188.
2. MAN Energy Solutions. Batteries on board ocean-going vessels [Электронный ресурс]. -URL: https://www.man-es.com/docs/default-source/marmeAools/batteries-on-board-ocean-gomg-vessels.pdf/ (дата обращения: 04.10.2024).
