Как гибридные парусные яхты постепенно становятся реальностью

[Craus]

Каждый моряк знаком с надсадным кашлем дизельного двигателя и едким запахом его выхлопа. Для некоторых это признак того, что приключение начинается, для других –  заверение в том, что на борту все в порядке. Традиционный двигатель — возможно, самая важная характеристика в безопасности вашей лодки, но его дни могут быть сочтены.

Грядет электрическая яхтенная революция. И хотя внедрение электромоторов в морском производстве идет намного медленнее, чем в автомобилестроении, прогресс достигнут.

Рынок пока относительно мал. Безусловный лидер в производстве электродвигателей, Torqeedo, в прошлом году совершил продаж на 25 миллионов евро, большинство из которых было для  паромов и небольших лодок, использующих подвесные моторы. Но компания также предлагает целый ряд двигателей для яхт водоизмещением от 2 до 50 тонн, или примерно 20-60 футов общей длины.



Torqeedo является безусловным лидером в производстве электромоторов, но пока его основные клиенты это владельцы лодок, а не яхт

Однако яхтсмены не спешат в приобретении новинок, и тому есть веская причина: если вы планируете пересечь океан и можете столкнуться с трудными условиями на воде, вы полагаетесь на свой двигатель, который поможет вам избежать опасности или пробиться через безнадегу – а иногда такие условия длятся несколько дней.


Даже при нынешнем урожае продвинутых литий-ионных батарей запас хода электрической системы измеряется десятками миль, а не сотнями. Таким образом, 35-футовый монохалл с литиевым аккумулятором в 10 кВт (четыре устройства общим весом 96 кг) имеет в своем запасе всего 24 морских мили при скорости в 3.8 узлов или менее 16 морских миль на полном «газе».

Несмотря на невероятную неэффективность двигателей внутреннего сгорания, которые рассеивают больше энергии в виде тепла и шума, чем на движение, дизель все еще остается в десять раз «энергоемнее» батарей.

«Если вы посмотрите на круизеров, бороздящих открытые моря, то, конечно, увидите у них дизель, — говорит основатель и генеральный директор Torqeedo, Кристоф Баллин. – И это нормально, что немногие моряки отдают предпочтение полностью электрическому двигателю».

Но это не означает, что электромоторы не интересуют яхтсменов – это далеко не так. Наиболее оптимальным путем для современного сейлора будет комбинирование дизеля и электричества в гибридной силовой установке.

При таком подходе традиционный двигатель заменен электромотором, подключенным к литиевому аккумулятору. Они могут быть заряжены с помощью гидрогенерации (когда ход под парусом вращает винт и создает энергию для батарей) или с помощью солнца и ветра. Но когда требуются длительные периоды работы, электроэнергию обеспечивает автономный генератор постоянного тока, который может быть установлен в любом месте на борту.



Oceanvolt AXC – система мощностью от 10 до 40 кВт, устнавливающаяся на место традиционного дизельного двигателя

Такая установка рекомендована финской компанией Oceanvolt, которая специализируется на рынке круизного сейлинга с диапазоном электродвигателей от 3.7 кВт до 15 кВт (примерно от 10 л.с. до 45 л.с. в терминах двигателя внутреннего сгорания).

«Для яхтсменов, идущих вокруг света, мы рекомендуем гибридную систему с резервной генераторной установкой для поддержки непрерывного энергообеспечения при необходимости», — говорит генеральный директор Oceanvolt Маркус Мустелин. «Винт, который вращается во время плавания и подзаряжает батареи (отбирая 0.2-0.4 узла в зависимости от лодки и условий), позволяет быть практически независимым от генератора и использовать его только для резерва».

Преимущество этой системы в том, что генератор нужен только на длинных переходах, поэтому лодка вполне бесшумно маневрирует в портах и на якорных стоянках.

А хорошо спроектированный и правильно подобранный генератор гораздо эффективнее превращает дизельное топливо в электричество, чем двигатель, изначально не предназначенный для этой цели. Некоторые моряки предпочитают встроенную гибридную систему, подобную предлагаемой Hybrid-Marine, которая монтируется к имеющемуся дизелю.

Их легче модифицировать, и многие из них имеют те же характеристики, что и полная гибридная система, но есть недостаток, заключающийся в том, что вам по-прежнему нужно место для двигателя.



Система Deep Blue от Torqeedo установленная на Moonwave

«Электромагнетизм»

До сих пор большая часть установок делалась путем переоснащения существующих яхт. Но все больше яхтостроителей стремятся включить электрическую пропульсивную установку в качестве изначального оборудования. Hanse Yachts, третий по величине в мире производитель яхт, является, пожалуй, самым передовым на сегодня, и предлагает Hanse 315 в базе с электрическим приводом на пере руля.

Система занимает меньше места, чем стандартный дизель, намного тише и не создает вибрации и выбросов. Но Hanse признает, что в целом затея оказалась пока разочаровывающей.

Технология встретила больше интереса среди тех, кто ходит по озерам. Инновационная молодая немецкая марка Bente приспосабливает моторы Torqeedo к своей успешной 24-футовой модели, изначально созданной для немецких «Зеленых озер».

Впрочем, большие гоночные яхты также интересуются пропульсивными установками с малым весом. Достаточно взглянуть на Malizia, IMOCA 60, готовящуюся к Vendee Globe 2020 года с облегченной системой от Torqeedo.

«Кругосветная гонка, не просто лишенная вредных выбросов, но и производящая собственную энергию – это очень вдохновляющая концепция», — считает шкипер  Malizia Борис Херрманн.



Шкипер Борис Херрманн готовится к участию в одиночной кругосветке Vendee Globe 2020 на яхте Malizia, использующей систему Torqeedo



Яхта Malizia

Электричество также добивается успеха на элитном рынке, где на литий-ионные аккумуляторы приходится меньшая доля общей стоимости лодки. 50-футовый катамаран Privilege 5 и лодка из карбона Gunboat 60 были модифицированы с помощью комплекта Torqeedo, в то время как установка Oceanvolt появляется на борту Swan 57 и полностью карбоновой Agile 42.

Moonwave имеет две 25кВт установки Deep Blue, способных подзаряжаться на ходу под парусами. На борту все еще есть генератор чтобы обеспечить запас электроэнергии для открытого моря, но «они практически не используют генератор, оставляя его для экстренных случаев», — говорит Баллин из Torqeedo.



Карбон и электричество: инновации Karma Agile 42

Spirit Yachts также разрабатывает электрическую установку для своего  флагмана Spirit 111, который должен быть представлен этим летом. С четырьмя большими 40-киловаттными литиевыми аккумуляторами на борту и мотором мощностью 100 кВт, яхта сможет бесшумно работать часами, хотя она также имеет в резерве дизель-генератор мощностью 100 кВт.

«Наше внимание сфокусировано не на движущей силе как таковой, — объясняет директор Spirit Найджел Стюарт, — но на гармоничной работе оборудования, от камбуза и горячей воды до отопления, кондиционирования воздуха, гидравлики и т. д.» Британская верфь также строит 65-футовик с использованием гибридной технологии Oceanvolt и 44-футовик, имеющий только электродвигатель.

Но между гонками с одной стороны и продвинутыми круизерами с другой, есть что-то вроде провала по центру. По признанию Torqeedo, яхтсмены не были в центре внимания электрической революции, но это должно измениться. «Мы немного запоздали с сейлингом, — признается Баллин, — но в ближайшие пять-восемь лет это будет исправлено».

Что это на самом деле означает? Ну, во-первых, это означает системную интеграцию. Если это не звучит достаточно революционно, то представьте себе установку на борту, где солнечные панели, гидрогенераторы, аккумуляторы, генераторы и моторы работают без сбоев, чтобы обеспечить круглосуточное снабжение яхты достаточной мощностью. «Это то, за что люди готовы платить: достаточно энергии, в т.ч. –  на обогрев или кондиционирование воздуха в течение ночи», — говорит Баллин.



Полностью интегрированная электрическая система будет использована на новом 111-футовом флагмане Spirit

Будущее гибридного сейлинга

В ближайшем будущем Torqeedo планирует использовать новый генератор постоянного тока, специально предназначенный для гибридных парусных лодок. Его существующий образец разработан WhisperPower и обеспечивает мощность 25 кВт.

Генератор будет спроектирован для работы на оптимальных оборотах, в то время как «умный» преобразователь будет отделять напряжение аккумулятора от зарядного напряжения для большей эффективности.

С лодками, как и с автомобилями, прорыв, который будет иметь решающее значение, связан с емкостью батареи. Пока запас хода на электроустановке не сравнится с дизельным, будет много скептиков. И это вряд ли произойдет в течение десяти или более лет, по словам Баллина.

«Теоретически, в лабораториях тестировались батареи, которые в десять раз эффективнее лития, – объясняет он. – И если это произойдет, то бензиновая эра закончится. Но сейчас мы пытаемся объединить долгосрочное видение с краткосрочными перспективами».



Спущенная на воду в 2018 году, Black Pearl от Oceanco – одна из самых известных суперяхт-гибридов

Между тем, распространенная технология основана на литии-марганце-кобальте, и процесс технологического развития добавляет 5-8% каждый год. Например, BMW недавно объявила о том, что ее аккумулятор i3 следующего поколения, используемый системой Deep Blue от Torqeedo, сможет поддерживать мощность в 40 кВт/ч — увеличение на 33% при том же размере, весе и почти такой же стоимости.

Другое направление развития связано с винтом. В большинстве круизеров используется складной или обычный винт, предназначенный для дизельных двигателей. Но исследование Torqeedo показывает, что высокий крутящий момент электродвигателя оптимален для винтов с изменяемым шагом.

И все же именно Oceanvolt озаботился вопросом винтов специально для электродвигателей со своей системой Servo Prop, которая, как утверждается, на 30% эффективнее при установке спереди, на 100% лучше на корме и на 300% эффективнее в режиме регенерации.

Oceanvolt говорит, что такой винт может давать около 500 Вт в аккумляторы всего при 5 узлах — средний темп 30-футовой однокорпусной яхты. При 6 узлах показатель возрастает до примерно 800 Вт, при 7 –  для более крупного океанского круизера вы получаете 1.2 кВт.

«Новая технология на своем старте редко может конкурировать по цене с уже существующей», — говорит Мустелин.

Однако мы сделали это, и сегодня электрические системы предлагаются по довольно конкурентоспособной стоимости. Если добавить к этому тот факт, что электрическая система практически не требует обслуживания, общая стоимость владения переходит в пользу электричества».

Таким образом, вы можете не слышать их «тихой поступи», но ожидайте увидеть все больше и больше лодок с электрическим приводом на воде по мере продолжения «электрической революции».



Винторулевой привод Torqeedo Cruise 2.0 FP подходит для небольших яхт до 4 тонн

Вопрос крутящего момента

Ключевая часть привлекательности электрического двигателя опирается на идею, что меньший двигатель может выполнить ту же работу, что и больший дизель. Здесь есть два момента. Во-первых, дизельный двигатель не является эффективным преобразователем энергии в тягу, создавая много тепла и шума в процессе. Во-вторых, характеристики крутящего момента у электродвигателя намного лучше, чем у дизеля.

Мустелин говорит, что 10-киловаттный двигатель Oceanvolt «легко превосходит» дизель в 30 л.с. «Как правило, максимальная скорость лодки будет несколько ниже (на 0,5 — 1,0 узел), чем при использовании сопоставимого дизельного двигателя, но в то же время лодка будет поддерживать скорость лучше в условиях неспокойного моря и встречного ветра из-за более высокого крутящего момента. Также и маневренность будет намного лучше в ограниченном пространстве марин».

Так происходит потому, что двигатели внутреннего сгорания достигают пиковой мощности (и максимального крутящего момента) только в небольшом диапазоне скоростей.  Крутящий момент является показателем силы вращения, в случае лодки – вращения винта. Дизельный двигатель развивает оптимальный крутящий момент при 1800-2000 об/мин, в то время как электродвигатели развивают его от 0 до 2000 об/мин. Это позволяет электродвигателям использовать гребные винты с более высоким КПД, которые тоньше и имеют более крутой шаг.

Альтернатор на «стероидах»

На его разработку потребовались годы и более 10 миллионов долларов, но известный эксперт по яхтам Найджел Калдер помог разработать альтернатор, настолько мощный, что он устраняет необходимость в генераторе на борту.

Установленный на двигателе, Integrel может производить мощность в пять-десять раз большую. За системой стоит не менее 10 кВт/ч свинцово-кислотных аккумуляторов (литиевые возможны опционально), а также зарядных устройств и инверторов Victron.

«Если вы используете двигатель, он заряжает батареи; если вы в нейтралке, он будет знать, что работает в автономном режиме генератора, и переключится на этот алгоритм, — объясняет Калдер. – Это, вероятно, будет дешевле, чем установка генератора, и устраняет проблему сквозных корпусов, контуров охлаждения, длительной работы и технического обслуживания».



Как гибридные парусные яхты постепенно становятся реальностью

Кейс для примера: Dufour 382 Alcyone

Построенный компанией Dufour в 2016 году, Alcyone был сразу же переоснащен двигателем SD15 Oceanvolt с литиевым аккумулятором в 14 кВт/ч. Владельцы Майкл Меллинг и Диана Колпак также получили генератор постоянного тока мощностью 8 кВт/ч для увеличения запаса хода. Расходы на оборудование составили 30 600 евро для двигателя и аккумуляторной системы, плюс дополнительно 13 744 евро для генератора, а стоимость установки составила около 8 000 евро.

Они сдают лодку в чартер недалеко от Ванкувера, чтобы исследовать места, где бесшумное, чистое движение – условие продажи. «Ничто так не портит радость от плавания или уединенную стоянку, как шум и запах дизельных двигателей», — объяснили они. – Установка системы Oceanvolt в нашей новой лодке избавила нас от этого. Это путь будущего».

Менеджер по чартерам Мерион Мартин сказала, что конверсия также оказалась популярна среди чартерных клиентов, добавив: «Основным преимуществом установки является то, что она потребляет примерно на 40% меньше топлива, чем стандартный дизельный двигатель в течение недельного чартера. Но сама система требует некоторого привыкания, а поиск и устранение неисправностей могут оказаться непростой задачей».



Созданная в 2016 яхта Dufour 382 Alcyone электрической силовой установкой используется для чартера в Британской Колумбии, Канада

Малая электрификация яхт

Между тем электродвигатели активно появляются на борту яхт. Речь идет о подвесниках Torqeedo и E-propulsion которые компания Интерпарус поставляет для яхтенных тендеров своих клиентов. По словам Саши Горона, руководителя Интерпарус Яхтинг, порядка 80% яхтсменов комплектуют свои тузики электрическими подвесными двигателями. Их устраивает легкость мотора, простота использования и тишина во время движения.



Источник