Введение
Литий-ионные батареи представляют собой технологическое новшество, способное кардинально трансформировать различные отрасли, включая морские перевозки и добычу ресурсов на шельфе. Использование гибридных и полностью электрических судов, оснащённых системами накопления энергии (BESS) и улучшенными энергетическими управляющими системами, способствует снижению уровня выбросов вредных веществ и уменьшению расхода топлива. Внедрение подобных решений также приводит к уменьшению затрат на техническое обслуживание, улучшению маневренности и эксплуатационных характеристик судов, а также повышению уровня их безопасности.
С января 2023 года вступают в силу новые строгие правила, такие как CII, EEXI и SEEMP (часть III). SEEMP, часть III, является ключевым элементом стратегии ИМО по снижению углеродного следа от судоходства, с целью уменьшения углеродоёмкости международных перевозок на 40% к 2030 году и на 70% к 2050 году по сравнению с уровнем 2008 года. Ожидается, что к 2030 году объём рынка электрических судов достигнет $15,6 миллиардов, с ежегодным ростом на 13,2% начиная с 2020 года.
Европейский Союз предложил включить судоходство в Систему торговли квотами на выбросы (EU ETS) и разработал Морской регламент FuelEU, направленный на увеличение использования углеродно-нейтральных видов топлива. В соответствии с новыми нормами, операторы судов будут обязаны внедрять современные технологии и альтернативные виды топлива для уменьшения выбросов. Процесс декарбонизации судоходства приведёт к значительным изменениям в производстве и доступности судового топлива.
По данным на 2023 год, суда, использующие альтернативное топливо, в основном работают на сжиженном природном газе (СПГ) и гибридных двигательных установках. Из 1349 судов, использующих альтернативные источники энергии, 926 работают на СПГ, а 396 на гибридных и аккумуляторных двигателях. В целом, электрификация морских судов становится важным направлением развития отрасли.
Установка аккумуляторов на судах приносит значительное число преимуществ. Помимо того, что они позволяют судам двигаться на ограниченные расстояния, ключевым является повышение общей энергоэффективности и производительности судна [1].
В связи с чем целью данной статьи является рассмотрение вызовов и перспектив электросудоходства.
1. Общетеоретические аспекты
В условиях глобального изменения климата и стремления к устойчивому развитию, морская индустрия сталкивается с необходимостью перехода на экологически чистые технологии. В связи с этим вопросы повышения эффективности и внедрения инновационных решений становятся особенно актуальными [2]. В свою очередь благодаря достижениям в области электротехники и появлению новых материалов с высокими удельными характеристиками, активно развиваются и внедряются на морском транспорте СИЭ нового поколения. Эти инновационные решения включают аккумуляторные батареи на новой элементной базе, суперконденсаторы, солнечные батареи, топливные элементы и генераторы прямого преобразования тепловой энергии [3].
Электрификация судов занимает лидирующие позиции среди решений, способствующих повышению устойчивости морской и речной отрасли. Преимущества применения электрических судов очевидны: это значительное снижение эксплуатационных затрат, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду и повышение уровня безопасности. В перспективе, по мнению экспертов, число электрических и гибридных судов в мировом флоте существенно возрастет [4]. В силу того, что морские перевозки играют ключевую роль в глобальной торговле, перенося около 80% мировых товаров, согласно данным Конференции ООН по торговле и развитию (UNCTD). Ожидается, что начиная с 2022 года, объемы морских перевозок будут расти на 3,8% ежегодно. Международная морская организация отмечает, что мировая индустрия морского транспорта производит около 1 миллиарда тонн CO2 в год, что составляет почти 2,5% всех выбросов парниковых газов.
Исследование, проведенное компанией IDTechEx One, показало, что одно крупное судно за период своей эксплуатации выбрасывает в атмосферу столько же углекислого газа, сколько 70 000 автомобилей, а по количеству выбросов оксидов азота эквивалентно 2 миллионам автомобилей. Кроме того, выбросы пыли и канцерогенных частиц от такого судна сопоставимы с выбросами 2,5 миллиона автомобилей [5]. Что приводит к значительным выбросам оксида серы и углекислого газа. По данным Европейского парламента, морские перевозки могут стать источником почти 20% глобальных выбросов CO2 к 2050 году [5].
На территории Российской Федерации с целью минимизации негативного воздействия морских судов разработана транспортная стратегия, в которой определено, что при текущих темпах модернизации транспортного парка, доля электрического и альтернативного топлива в мировом автотранспорте к 2035 году может составить от 5 до 25 процентов, а для водного транспорта — около 3-5 процентов. Особенно перспективными считаются проекты по созданию судов, оснащенных электродвигателями. В настоящее время около сотни таких судов уже построены и активно используются.
В свою очередь именно европейский регион занимает лидирующую позицию на мировом рынке электросудов, с долей более 48%. Северная Америка, с долей около 25%, идет следом. Электросуда получили наибольшее развитие в скандинавских странах, таких как Норвегия, Финляндия и Дания. В этих странах электрические суда постепенно заменяют паромы, работающие на традиционных источниках энергии.
К числу ведущих компаний в области производства и разработки электрических судов относятся норвежские компании Kongsberg, Norwegian Electric Systems AS и Vard, а также швейцарские ABB и Leclanché SA. Финская компания Wartsila, немецкие MAN Energy Solutions SE и Siemens, голландская PortLiner, канадская Corvus Energy, американская General Dynamics Electric Boat и японская Kawasaki Heavy Industries также занимают значительные позиции в данной отрасли.
Основные ограничения для широкого внедрения электрического водного транспорта включают грузоподъемность и предельную дальность плавания на одном заряде. Первое полностью электрическое грузовое судно, построенное в Китае в 2018 году, способно преодолеть лишь 80 километров с грузом в 2,2 тысячи тонн. В то время как обычные контейнеровозы класса Handymax и выше могут перевозить грузы в десятки раз большей массы.
В качестве перспективы развития данной отрасли является внедрение комбинированных дизельно-электрических систем, которые позволяют гибко регулировать мощность судна в зависимости от эксплуатационных потребностей.
Гибридные инверторы представляют собой устройства, сочетающие функции традиционных двигателей внутреннего сгорания и электрических моторов. Это позволяет использовать электроэнергию в режимах низкого энергопотребления, переключаясь на топливные двигатели при необходимости выполнения сложных задач или длительных переходов. В результате такой гибридизации достигается оптимальный баланс между мощностью и экономичностью.
Одним из основных преимуществ применения гибридных инверторов является значительное снижение затрат на топливо. Суда и грузовые автомобили, оборудованные этими устройствами, могут функционировать на электроэнергии в зонах с жесткими экологическими нормами, таких как порты и городские районы, что существенно снижает выбросы вредных веществ в атмосферу. Это не только способствует выполнению экологических требований, но и улучшает устойчивость бизнеса в условиях нарастающего экологического регулирования.
Также важно отметить, что гибридные инверторы значительно снижают уровень шума и вибраций, что положительно сказывается на комфорте и безопасности как экипажа, так и перевозимого груза. Эти аспекты особенно актуальны для пассажирских судов и городских грузовых перевозок, где требования к комфорту и безопасности особенно высоки.
Гибридные инверторы также способствуют увеличению надежности работы судов и транспортных средств. Они обеспечивают стабилизацию параметров работы двигателя, что предотвращает перегрузки и снижает риск поломок. Интеллектуальные системы управления автоматически переключают режимы работы в зависимости от текущих условий, что повышает общую надежность транспортных средств.
Кроме того, использование гибридных инверторов позволяет значительно сократить вредные выбросы в атмосферу за счет применения возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветрогенераторы. Это существенно снижает зависимость от традиционных видов топлива и способствует сохранению природных ресурсов [6].
В свою очередь возвращаясь к преимуществам полностью электрических судов, следует отметить их ключевые достоинства, которыми являются компактность электрических судов, что позволяет им заходить в порты, недоступные для крупных судов, что способствует снижению перегрузок и обеспечению доставки товаров непосредственно к потребителю. Электрификация водного транспорта также открывает новые возможности для развития автономных судов, которые не требуют постоянного обслуживания сложных двигателей, работающих на традиционном или альтернативном топливе.
Кроме того, при создании и производстве малых электросудов применяются самые современные научные достижения, что ускоряет внедрение инноваций в этой отрасли. Небольшие электрические суда быстрее окупаются и оказываются более устойчивыми к колебаниям рынка, чем традиционные крупные суда, которые могут требовать нескольких лет до начала получения прибыли [7].
2. Практические примеры
В Германии уже применяются гибридные технологии на четырех паромах, курсирующих между Германией и Данией. Эти суда, используя комбинированный привод, уменьшают выбросы CO2 на 15%. В 2019 году норвежская компания Hurtigruten представила первое круизное судно с гибридным электрическим двигателем, способное использовать электричество на протяжении 30 минут. Ниже на рисунке 1 будет представлен пример датского электрического парома Ellen.
Рис. 1. Ellen – датский полностью электрический паром [7]
В Китае появился первый полностью электрический контейнеровоз, предназначенный для работы на внутренних водных путях. Этот корабль, оснащенный 1000 литий-ионными аккумуляторами, может преодолеть расстояние до 80 километров на одном заряде. Далее будет представлен пример проект e5 японского полностью электрического танкера.
Рис. 2. Проект e5 – японский полностью электрический танкер [7]
Голландская компания Port-Liner также разрабатывает электрические грузовые суда для внутренних водных путей, которые смогут работать до 34 часов на одном заряде благодаря сменным аккумуляторным контейнерам [8] (рис. 3.).
Рис. 3. PortLiner – голландская электрическая баржа для внутреннего плавания [7]
Так первый в мире контейнеровоз, функционирующий полностью на электричестве и не наносящий ущерба экологии, под названием Yara Birkeland, успешно завершил свой дебютный рейс в Норвегии, прибыв в Осло. Хотя пройденное расстояние составило лишь 14 км, этот шаг символизирует важный сдвиг в логистике для компании Yara, которая ежегодно осуществляет до 40 000 рейсов грузовиков для транспортировки удобрений в порт Бревик. Введение этого судна в эксплуатацию уже в текущем году позволит заменить часть наземных перевозок, что, по прогнозам экспертов, уменьшит ежегодные выбросы углекислого газа на 1000 тонн.
Длина контейнеровоза составляет 80 метров, а его стоимость оценивается в 15 миллионов долларов. Судно рассчитано на транспортировку 103 контейнеров за один рейс и оснащено аккумуляторной батареей емкостью 7 МВт·ч, которая позволяет ему развивать скорость до 15 узлов. Оснащенное передовыми сенсорами, судно способно обнаруживать даже небольшие объекты, такие как байдарки, и подготовлено для выполнения автономных операций. По данным агентства Reuters, после завершения двухлетних испытаний судно сможет самостоятельно загружать и разгружать контейнеры, заряжать аккумуляторы и осуществлять навигацию без вмешательства человека.
В дополнение к сокращению углеродного следа за счет отказа от использования грузовиков, компания Yara планирует производить экологически чистый аммиак, который будет использоваться в качестве топлива для судов. Этот подход, основанный на 100% возобновляемой энергии, позволит существенно уменьшить выбросы углерода в атмосферу [9].
Заключение
Электросудоходство, несмотря на существующие технологические и экономические вызовы, представляет собой важный шаг в направлении устойчивого развития морского транспорта. Введение в эксплуатацию электрических судов открывает новые возможности для снижения выбросов и повышения энергоэффективности судоходства, что соответствует глобальным экологическим тенденциям и регуляторным требованиям. Для успешного перехода на электросудоходство необходимо продолжать развитие технологий накопления и хранения энергии, а также инвестировать в создание инфраструктуры для зарядки и технического обслуживания судов. Устойчивый рост рынка электрических судов и успех пилотных проектов в различных странах подтверждают перспективность этого направления, что делает его центральным элементом будущего судоходства.
