Будущее дизельных двигателей: инновации в гибридных и электрических системах

Морская промышленность стоит на перепутье. Более века морские дизельные двигатели были бесспорной рабочей лошадкой глобального судоходства, питая все от массивных контейнеровозов до прибрежных паромов. Однако растущие экологические нормы, волатильные цены на топливо и глобальный толчок к декарбонизации приводят к глубокому сдвигу. Инновации в гибридных и электрических морских двигательных установках становятся наиболее перспективным путем вперед, предлагая потенциал для сокращения выбросов, снижения эксплуатационных расходов и улучшения производительности судов. В этой статье исследуются технологии, текущее состояние игры и дорога вперед для этих преобразующих систем.

Необходимость инноваций в морских двигателях

Традиционные морские дизельные двигатели, хотя и надежные и мощные, производят значительные парниковые газы (CO2, NOx, SOx) и твердые частицы. По оценкам Международной морской организации (IMO), на долю судоходства приходится почти 3% глобальных выбросов CO2 - цифра, которая может возрасти, если ее не остановить. В 2023 году ИМО приняла пересмотренные цели сокращения выбросов парниковых газов, направленные на чистые нулевые выбросы к 2050 году или около этого, и сокращение интенсивности выбросов углерода на 40% к 2030 году (по сравнению с уровнями 2008 года). Эти цели, наряду с региональными правилами, такими как система торговли выбросами для судоходства и более строгие правила качества воздуха в зонах контроля выбросов (ECAs), создают подавляющее давление для принятия более чистых технологий.

Волатильность стоимости топлива еще больше стимулирует инновации. Цены на дизельное топливо в последние годы резко колебались, а внедрение топлива с низким содержанием серы и СПГ добавило сложности. Гибридные и электрические системы позволяют судам оптимизировать использование энергии: работать на аккумуляторной батарее в чувствительных зонах, использовать дизель-генераторы для пиковых нагрузок и даже восстанавливать энергию за счет рекуперативного торможения. Результатом является более гибкая, эффективная и перспективная силовая установка.

Гибридные морские двигательные системы

Гибридные системы сочетают в себе обычный дизельный двигатель (или генератор) с электродвигателем и аккумуляторной батареей. Они не единая конструкция, а спектр конфигураций, каждая из которых подходит для различных типов судов и эксплуатационных профилей.

Гибридная конфигурация серии

В серии гибридных двигателей дизельный двигатель приводит в действие генератор, который либо заряжает батареи или подает питание непосредственно на электродвигатель, который поворачивает винт. Дизельный двигатель отделяется от вала винта, что позволяет ему работать на его наиболее эффективной RPM независимо от скорости судна. Эта конфигурация идеально подходит для судов с переменными нагрузками, такими как буксиры или морские суда поддержки. Она также позволяет полностью нулевой эмиссии работы на коротких расстояниях, когда батарея достаточно заряжена.

Параллельная гибридная конфигурация

В параллельном гибриде дизельный двигатель и электродвигатель могут как механически управлять винтом, часто через коробку передач или сцепление. Это позволяет судну использовать только дизельную, электрическую или комбинированную мощность по мере необходимости. Параллельные системы проще и компактнее серийных систем, что делает их популярным выбором для модернизации существующих судов. Паромы и рабочие катера часто принимают параллельные гибриды для снижения расхода топлива во время низкоскоростных маневров или портовых подходов.

Преимущества гибридных систем

Гибридная тяга предлагает измеримые преимущества. Экономия топлива на 10-30% распространена, особенно на судах с циклическими моделями нагрузки (например, буксиры, паромы, дноуглубительные машины). Выбросы NOx, SOx и пропорциональное падение твердых частиц. Шум и вибрация значительно снижаются, что приносит пользу комфорту экипажа и морской жизни. Кроме того, батареи могут обеспечить «спиннинговый резерв» - мгновенную мощность по требованию - уменьшая потребность в нескольких работающих генераторах и их связанное обслуживание.

Проблемы гибридных систем

Гибридные системы более сложны, чем обычные, и требуют передового программного обеспечения для управления питанием. Первоначальные затраты выше - обычно на 20-40% больше, чем установка только на дизельном топливе - хотя экономия жизненного цикла часто оправдывает инвестиции. Деградация батареи, управление тепловой энергией и необходимость зарядки на берегу (если подзарядка батареи желательна через сетевую мощность) являются дополнительными проблемами, которые необходимо решить.

Электрические двигательные системы

Полностью электрические сосуды полностью устраняют дизельный двигатель, полагаясь на батареи или топливные элементы для питания.В то время как в настоящее время ограничены более короткими маршрутами из-за плотности энергии батареи, электрическая тяга набирает силу в нескольких сегментах.

Корабли с батарейным питанием

Наиболее заметный успех — это паромы с аккумуляторной батареей. Ampere , автомобильный паром, эксплуатируемый в Норвегии с 2015 года, использует большой литий-ионный аккумулятор и может перевозить 120 автомобилей и 360 пассажиров через 6-километровый фьорд. Это исключает примерно 1 миллион литров дизельного топлива в год. С тех пор десятки аккумуляторных электрических паромов вошли в эксплуатацию по всему миру. Концепт аккумуляторных электрических буксиров, такой как Zeus от Damen или полностью электрический E-Tug от HaiSea Marine, также доказал свою жизнеспособность для низкоскоростных, мощных приложений.

Топливные элементы

Водородные топливные элементы являются дополнительной электрической технологией. Они производят электричество из водорода и кислорода, испуская только водяной пар. Топливные элементы обеспечивают более высокую плотность энергии, чем батареи, и могут поддерживать более длительные плавания. В настоящее время эксплуатируется несколько прототипов судов, включая Energy Observer и Hydra — электропаром с топливными элементами, разрабатываемый Fincantieri и другими. Проблемы включают хранение водорода (в виде сжатого газа или жидкости), бункеровочную инфраструктуру и эффективность производства зеленого водорода. Тем не менее, топливные элементы рассматриваются как перспективное решение для глубоководных перевозок, где одних только батарей недостаточно.

Береговая зарядная инфраструктура

Электрические суда должны иметь доступ к надежной, мощной береговой зарядке. Это разрабатывается в портах по всему миру — от Норвегии до Китая и Соединенных Штатов. Стандартизация разъемов и уровней мощности (таких как мегаваттная система зарядки MCS) имеет решающее значение для функциональной совместимости. Порты должны инвестировать в модернизацию сетей, системы хранения аккумуляторов и, возможно, местную возобновляемую генерацию, чтобы гарантировать, что используемая электроэнергия действительно зеленая.

Технологические достижения усыновления за рулем

Производительность и экономичность гибридных и электрических систем быстро улучшаются благодаря инновациям в нескольких ключевых областях.

Химия аккумуляторов

Литий-ионные батареи доминируют в морских применениях, но появляются новые химические вещества. Литий-железофосфатные (LFP) ] Аккумуляторы с высокой термостойкостью и длительным сроком службы по более низкой цене, чем никель-марганцево-кобальтовые (NMC)] Аккумуляторы с твердым состоянием , все еще находящиеся на стадии прототипа, обещают более высокую плотность энергии и улучшенную безопасность — критически важные для морской среды. Производители, такие как Corvus Energy и Leclanché разрабатывают морские аккумуляторные системы с надежным управлением тепловой энергией и сертификацией от классификационных обществ, таких как DNV и Lloyd's Register.

Системы управления электроэнергетикой

Расширенное программное обеспечение для управления энергией оптимизирует распределение мощности между дизель-генераторами, батареями и электродвигателями в режиме реального времени. Современные системы используют прогностические алгоритмы, основанные на данных маршрута GPS, прогнозах погоды и исторических профилях нагрузки, чтобы минимизировать потребление топлива и деградацию батареи. Бортовая сеть постоянного тока ABB и HY Efficient Power Module являются примерами интегрированных решений, которые упрощают архитектуру системы и повышают эффективность.

Легкие материалы

Снижение веса судна имеет решающее значение для электрической тяги, поскольку более тяжелые суда нуждаются в большем количестве энергии батареи. Композитные материалы, алюминиевые сплавы и усовершенствованные марки стали используются в конструкции корпуса и надстройках. Легкие пропеллеры, валы и даже электродвигатели (с использованием высокопрочных постоянных магнитов) способствуют общей экономии веса. Например, концепция Veroce от Seaspan и другие используют легкий корпус тримарана для увеличения дальности действия батареи.

Текущие применения в типах судов

Паромы и пассажирские суда

Паромы являются низко висящими плодами для электрификации. Короткие фиксированные маршруты с частой стыковкой позволяют регулярно заряжать. Один только флот E-ferry в Норвегии включает в себя десятки судов, а маршруты в Дании, Швеции, Финляндии и Канаде следуют этому примеру. Паромы FLT:0 в Финляндии используют гибридную электрическую систему, которая сокращает выбросы CO2 на 90% по сравнению с их дизельными предшественниками. Пассажирские суда на городском водном транспорте, такие как FLT:2 в Париже, также принимают электроэнергию для соблюдения городских зон качества воздуха.

Буксиры и рабочие лодки

Большую часть времени буксиры проводят либо на холостом ходу, либо работают при большой нагрузке во время помощи на судне. Гибридные и электрические буксиры могут переключаться на питание от батареи в периоды ожидания с низкой нагрузкой, резко сокращая выбросы вблизи портов. Концепция Rotor Tug и Elektra — полностью электрический буксир от немецкой компании Elektra — демонстрируют, что высокая мощность может быть поставлена без дизельного двигателя. Несколько гибридных буксиров уже эксплуатируются в европейских и азиатских портах.