По данным Регистровой книги РРР на 02.2017 в п. Санкт-Петербург приписаны 182 пассажирских судна с габаритами, позволяющими им заходить из Большой Невы в Мойку через Северную Канавку и работать на реках и каналах города. Общая пассажировместимость составляет порядка 7,5 тыс. человек, суммарная мощность главных двигателей 16,3 МВт.

Примем, что одновременная работа указанного количества судов невозможна, и одновременно в эксплуатации находятся 20% судов, суммарной мощностью ГД 3,26 МВт.

В табл. 2.4 приведены показатели выброса вредных веществ в атмосферу для упрощенной методики (современные требования РРР ППЗС 2015 для новых двигателей устанавливают более жесткие требования, однако при оценке количества выбросов учтено, что большинство двигателей поставлено до вступления в силу этих Правил).

Табл. 2.4 Значения выбросов для дизельных установок до капитального ремонта

Рассматриваемый эквивалентный дизельный двигатель относится к группе Г, таким образом, интенсивность выбросов можно приближено оценить как:

СО (оксид углерода) – 23 кг в час или 50 т за туристический сезон;

NOx (оксиды азота) – 35,2 кг в час или 76 т за туристический сезон;

CH (углеводороды) – 11,7 кг в час или 25 т за туристический сезон;

С (сажа) – 1,95 кг в час или 4,2 т за туристический сезон;

SO2 (диоксид серы) – 3,9 кг в час или 8,4 т за туристический сезон;

CH2O (формальдегид) – 0,49 кг в час или 1 т за туристический сезон;

БП (бензапирен) – 0,04 г в час или 86 г за туристический сезон.

За туристический сезон центральная часть города получает тонны ядовитых и токсичных газов, что в сочетании с выбросами от автомобильного транспорта и общей экологической ситуацией крайне негативно сказывается на здоровье людей.

Таким образом, проблема поиска альтернативного топлива для пассажирского речного транспорта, особенно центральной части Санкт-Петербурга является весьма актуальной.

1             Виды альтернативного топлива

Среди альтернатив энергетических установок на дизельном топливе в настоящее время выделяют:

- электрические источники энергии;

- компримированный и сжиженный природный газ;

- водородные двигатели;

- биодизельное топливо;

- этаноловое топливо.

Далее рассмотрим основные преимущества и недостатки перечисленных технологий.

1.1     Компримированный и сжиженный природный газ

Данное направление в настоящее время является ведущим в ключе замещения нефтяных видов топлива. Компания “Морской Инжиниринговый Центр СПб” ведет работу по созданию проектов судов с двухтопливными (дизельное топливо/СПГ) двигателями для эксплуатации на внутренних водных путях РФ, более подробное рассмотрение этого направления выходит за рамки настоящего проекта.

1.1.1   Преимущества

1. 1.Уменьшение вредных выбросов в выхлопных газах
2. 2.Сокращение затрат на моторное топливо
3. 3.Безопасность
4. 4.Положительный опыт использования газомоторного топлива
5. 5.Широкое развитие стимулирующих государственных программ в последнее время
6. 1.недостаточная инфраструктура заправок, переоборудования транспортных средств и тех обслуживания;
7. 2.необходимость криогенного оборудования (СПГ) и систем высокого давления (КПГ);
8. 1.Сгорание сопровождается меньшими выделениями вредных веществ (не считая закиси азота), чем сгорание того же количества нефтяного дизельного топлива.
9. 2.Получение из возобновляемых источников
10. 3.Ненужные отработанные растительные масла и пищевые жиры могут использоваться для производства биодизеля.
11. 4.Чистый бибдизель нетоксичен при распаде, потому что он разлагается, превращаясь в биокомпоненты. Нефтяное дизельное топливо может испортить окружающую среду при распаде в больших количествах.
12. 5.Биодизель более безопасен, чем нефтяное дизельное топливо. Он менее воспламеним при хранении и транспортировке.
13. 1.Малое распространение и как следствие большая стоимость
14. 2.Хранение, погрузка и транспортировка требуют специальной организации.
15. 3.При сгорании биодизеля выделяется больше закиси азота, чем при сгорании того же количества нефтяного дизельного топлива.
16. 4.Биодизель имеет свойства растворителя, что может вызвать проблемы в старых дизельных двигателях. Фильтры системы подачи топлива могут засориться субстанциями, образовавшимися при растворении. Могут также пострадать детали из резины.
17. 5.В большинстве применений существует незначительное ухудшение основных параметров двигателя и срока эксплуатации
18. 2.Простая конструкция.
19. 3.Бесшумность.
20. 4.КПД электродвигателя на водородном топливе намного выше, чем у ДВС.
21. 1.Дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах.
22. 2.Отсутствие водородной инфраструктуры заправок автотранспорта.
23. 3.Не разработаны стандарты транспортировки, хранения и применения топлива на водороде.
24. 4.Несовершенство технологий хранения такого топлива.
25. 5.Дорогие водородные элементы.
26. 6.Большой вес транспорта. Работа электродвигателя на водородном топливе требуют водородные преобразователи тока и мощные аккумуляторные батареи, которые весят не мало, а также обладают внушительными габаритами.

1.1.2   Недостатки

1.2    Биодизель, этаноловое топливо

1.2.1   Преимущества биодизеля и этанолового топлива в качестве топлива для двигателей:

1.2.2   Недостатки:

1.3    Водородные двигатели

1.3.1   Преимущества:

1.   Высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Конечно, при этом сгорают еще различные масла, но токсичных выбросов гораздо меньше, чем у бензиновых и дизельных выхлопов.

1.3.2   Недостатки

1.4    Заключение

Реальные перспективы альтернативного топлива сводятся к использованию КПГ/СПГ и электрических источников энергии. В рамках данного документа рассматривается перевод судна на электрические источники энергии.

2             Выбор типа аккумуляторных батарей

2.1    Обзор основных типов аккумуляторных батарей

Сравнительная характеристики предлагаемых промышленностью аккумуляторных батарей представлена в Табл. 2.1.

Табл. 2.1 Основные характеристики аккумуляторных батарей
Анализ характеристик основных типов батарей, а также опыт эксплуатации показывает что:

1. 1.Применение свинцово-кислотных аккумуляторных батарей в качестве основного источника электроэнергии на малых пассажирских судах не целесообразно из-за низкой удельной энергоемкости соответственно высокой массы и требуемого места для размещения, сложности циклов зарядки, сложностей при эксплуатации, связанных в том числе с выделением кислорода.
2. 2.Применение NiMN батарей не целесообразно из-за малого ресурса (малое количество циклов заряда/разряда), высокой скорости саморазряда, малых токов разряда, большого времени зарядки.
3. 3.Применение NiCd батарей может быть рекомендовано при условии герметичного исполнения и со специализированными системами контроля заряда/разряда (для уменьшения влияния эффекта памяти), хорошо работают в циклах полной зарядки/разрядки за относительно небольшое время – что характерно для рассматриваемых режимов эксплуатации.
4. 4.Среди Li-ion батарей выделяют LiCoO2, LiMn2O4, LiNiMnCoO2 и LiFePO4.

Благодаря оптимальному сочетанию количества циклов заряда/разряда, скорости заряда, термической стабильности и безопасности выделяется литий-феро-фосфатная группа LiFePO4. Хотя эти элементы обладают меньшей удельной энергоемкостью по сравнению с другими литий-ионными батареями, совокупная оценка всех факторов позволяет рекомендовать именно этот тип для применения на судах.

Таким образом, перспективными для использования в качестве судовых источников энергии являются герметичные NiCd и Li-ion (LiFePO4) батареи, за счет большей удельной энергоемкости (см. Рис. 2.1), меньшей стоимости, удобства в эксплуатации, высоких разрядных токов, быстрой зарядки и совокупной безопасности эксплуатации.

Рис. 2.1 – Удельная энергоемкость различных типов батарей

2.2    Расчет основных характеристик аккумуляторной системы

Проведем расчет для типового речного пассажирского судна, основные характеристики которого представлены в табл. 2.2, результаты расчета представлены в табл. 2.3.

Заключение

По результатам проведенного исследования установлено:

1. 1.Проблема загрязнения атмосферы вредными веществами от работы двигателей внутреннего сгорания речного транспорта особенно актуальна для Санкт-Петербурга. Оценочные значения выбросов составляют от единиц до десятков тонн в зависимости от вида загрязнителя за туристический сезон.
2. 2.Электрические аккумуляторные батареи являются одним из возможных вариантов замены дизельного топлива. Среди существующих типов аккумуляторов оптимальным по критериям безопасности, масса-габаритных характеристик, стоимости является применение литий-ферро-фосфатных ячеек LiFePO4. Ресурс современных ячеек позволит заменять такую аккумуляторную батарею при очередных освидетельствованиях (раз в 5 лет), осуществлять тех. обслуживание раз в год при ежегодных освидетельствованиях.
3. 3.Общее количество флота, которое необходимо будет заменить и/или модернизировать составляет порядка 150-200 ед.
4. 4.Стоимость одной зарядки с учетом ночного тарифа на электроэнергию в г. Санкт-Петербург для потребителей, приравнённых к населению составит порядка 1,5 тыс рублей до полной зарядки.
5. 5.Для целей обслуживания указанного в п.3 количества флота требуется создать сеть зарядных станций, общей мощностью порядка 15 МВт. Для снижения стоимости постройки и экономии места на судне целесообразно подавать на судно выпрямленное напряжение, для минимизации потерь энергии на участке зарядная станция – судно предлагается размещать зарядный блок на плавучих понтонах, максимально близко к заряжаемым судам.
6. 6.Для проведения периодического технического обслуживания аккумуляторных батарей необходимо разработать сеть станции обслуживания со специализированным оборудованием.
7. 7.Для экономически обоснованной себестоимости пассажирского судна пассажировместимостью 50-60 чел до 35 млн. руб за 1 ед, необходимо обеспечить себестоимость LiFePO4 ячейки в рамках 70-90 руб за АЧ (при номинальном напряжении 3,2 В). Зарядные устройства, а также оборудование для технического обслуживания батарей разрабатываются, как правило производителем батарей, что можно использовать для снижения стоимости элементов. Для этого в стоимость батарей закладывается минимальная прибыль, основной доход для производителя закладывается в обслуживание.
8. 8.Необходимо разработать инфраструктуру для утилизации и переработки аккумуляторных батарей. Мировой опыт показывает возможность переработки LiFePO4 элементов с глубиной до 90%.
9. 9.Для реализации подобного проекта необходима всесторонняя помощь городских и государственных властей, а также частных инвесторов. Для создания наглядной и более проработанной бизнес-модели необходимо разработать эскизный проект пассажирского судна, плавучей зарядной станции, выполнить технико-экономическое обоснование.