logo

Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

button_fb_GE.png

button_fb_Gelios.png

Поиск по сайту

Последние проекты

Концепция проектирования первого электрохода для Санкт-Петербурга

Авторы статьи: Мищенко В.В., Коваленко С.Ю.

Проектирование первого эелектохода для Санкт-Петербурга 

GEPVE01

Целью настоящей статьи является рассмотрение вариантов реализации проекта пассажирского судна с экологически чистой энергетической установкой для эксплуатации на реках и каналах Санкт-Петербурга, а также освещение основных вопросов необходимой инфраструктуры.

Мировая тенденция ужесточения экологических требований к выбросам в атмосферу вредных веществ при работе ДВС (МАРПОЛ, национальные стандарты) накладывает жесткие ограничения на применимые виды топлива, на структуру энергетических установок. На внутреннем водном транспорте РФ также заметна тенденция к сокращению выбросов

- ужесточаются требования Правил РРР к выбросу в атмосферу вредных веществ при работе ДВС;

- ужесточаются требования национальных и экологических стандартов;

- разрабатываются требования Технических Регламентов стран Таможенного союза

- разрабатываются государственные программы направленные на снижение вредных выбросов, такие как “Внедрение газомоторной техники с разделением на отдельные подпрограммы по автомобильному, железнодорожному, морскому, речному, авиационному транспорту и технике специального назначения 2015-2020 г”

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

Без заголовка


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

21Анализ 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

211

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.

Табл. 2.2 Основные характеристики судна

Название проекта

т/х "GE.PVE01"

Тип и назначение

Пассажирский электроход

Класс РС

X Р 1,2АЭ

Год постройки

2018

Длина наибольшая, м

16,4

Длина расчетная, м

14,4

Ширина габаритная, м

4,5

Ширина расчетная, м

4,3

Высота борта, м

1,35

Минимальный надводный борт, м

0,5

Осадка, м

0,8

Водоизмещение, т

до 40

Пассажировместимость, чел

60

Экипаж, чел

2

Статьи нагрузки (типовые)

Корпус порожнем (без батарей), т

18

Батареи с системой контроля заряда/разряда, т

До 15

Пассажиры и экипаж, т

4,65

Запас воды, сточные воды,т

0,35

Мощность гребного электродвигателя, кВт

65

Скорость хода

8 узлов


Табл. 2.3 Результаты расчета требуемого количества батарей

Тип (производитель)

LiFePO4
(IDC)

LiFePO4
(АНК)

LiFePO4
(Китай)

NiCd
(АНК)

NiCd
(АНК)

NiCd
(АНК)

Примечание

 

 

 

спеченные
электроды

удешевленный
электрод

Потребляемая мощность ГД, кВт

65

Постоянное напряжение, В

220

Автономность плавания, ч

8

Требуемая емкость, Ач

2560

Напряжение одного элемента, В

3,2

3,2

3,2

1,2

1,2

-

Емкость одного элемента, Ач

5

100

100

100

300

-

Общее число элементов, ед

35327

1766

1766

4784

1656

-

Масса сборки, кг

4747

6005

6005

20093

20700

-

Объем сборки, м. куб

3,8

4,46

4,46

10,2

8,5

-

Удельная стоимость*, руб/(Ач)

144

144

80

130

130

80

Общая стоимость, млн руб

25,4

25,4

14,1

62,2

64,6

39 ,7

* стоимость из открытых источников

 

Как видно из таблицы LiFePO4 элементы являются наиболее подходящими к применению на судах


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.

 

Табл. 2.3 Результаты расчета требуемого количества батарей

Тип (производитель)

LiFePO4
(IDC)

LiFePO4
(АНК)

LiFePO4
(Китай)

NiCd
(АНК)

NiCd
(АНК)

NiCd
(АНК)

Примечание

 

 

 

спеченные
электроды

удешевленный
электрод

Потребляемая мощность ГД, кВт

65

Постоянное напряжение, В

220

Автономность плавания, ч

8

Требуемая емкость, Ач

2560

Напряжение одного элемента, В

3,2

3,2

3,2

1,2

1,2

-

Емкость одного элемента, Ач

5

100

100

100

300

-

Общее число элементов, ед

35327

1766

1766

4784

1656

-

Масса сборки, кг

4747

6005

6005

20093

20700

-

Объем сборки, м. куб

3,8

4,46

4,46

10,2

8,5

-

Удельная стоимость*, руб/(Ач)

144

144

80

130

130

80

Общая стоимость, млн руб

25,4

25,4

14,1

62,2

64,6

39 ,7

* стоимость из открытых источников