Концептуальная модель судна с гибридным пневмоэлектрическим двигателем

Международное судоходство является источником примерно 3% мировых выбросов парниковых газов, и согласно данным Международной морской организации (IMO), этот показатель может увеличиться до 18% к 2050 году. Согласно целям Парижского соглашения в рамках Рамочной конвенции ООН по изменению климата (UNFCCC), страны Европейского союза и Европарламент приняли новый климатический закон, согласно которому в Евросоюзе до 2030 года планируется сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, по меньшей мере, на 55%, по сравнению с уровнем на конец 2020 года [1]. Кроме того, Приложение VI к Конвенции МАРПОЛ предусматривает существенное усиление норм выбросов отработанных газов судовых энергетических установок для окислов серы (SOx) и азота (NOx). Определены особые районы контроля выбросов — Emission Control Areas (ECA), к которым сегодня относятся: Балтийское и Северное моря (ECA 1), прибрежные воды США и Канады (ECA 2), Средиземное море (ECA 3), побережье Японии (ECA 4) и ряд других акваторий. Процесс создания экологических зон является необратимым и в будущем будет распространяться на другие регионы мира, моря и реки.

Анализ предыдущих исследований и публикаций. Как и другие технологии, не использующие сжигание топлива, использование транспортных средств на сжатом воздухе позволяет снизить выбросы за счет отсутствия сгорания топлива, благодаря накоплению сжатого воздуха на централизованных электростанциях или на ветроэлектростанциях [2], что значительно облегчает процесс утилизации выбросов.

Транспортные средства, использующие сжатый воздух в качестве двигательной силы, применяются достаточно давно. Известен шахтный локомотив на сжатом воздухе [3]. У него есть аккумулятор сжатого воздуха объемом 25 м³ и рабочим давлением 20 МПа. Рабочее давление перед пневмодвигателем составляет 2,0÷1,4 МПа. При мощности двигателя в 51,5 кВт на одной зарядке обеспечивается пробег в 6 км. КПД машины оценивался примерно в 24%.

Технология накопления сжатого воздуха широко применяется в воздушно-аккумуляторных газотурбинных установках [4]. На большом количестве транспортных средств сжатый воздух используется для запуска основного двигателя. Благодаря высокой удельной работе сжатого воздуха запуск мощного двигателя (ДВС, ГТУ) оказывается более эффективным с использованием сжатого воздуха, чем электропривода. Так, при начальном давлении в 12 МПа и конечном 2 МПа теоретическая работа расходуемого 1 м³ при изотермическом расширении достигает примерно 22000 кДж.

Известны современные модели городских малолитражек с пневмодвигателями: MDI One Flow Air (Франция), Peugeot 2008 Hybrid Air, OneCAT (Индия) и т. д. Инженеры продолжают исследования по совершенствованию применения пневмодвигателей в автостроении. Например, в статье [5] рассмотрены различные факторы, влияющие на надежность пневмодвигателя для использования в транспорте в связи с различными условиями эксплуатации и при использовании его в режиме рекуперативного торможения. При торможении автомобиля пневмодвигатель может работать в режиме компрессора, таким образом пополняя запас сжатого воздуха в баллонах. Возможно, эту возможность пневмодвигателя можно использовать при инерционном торможении судна.

Также проводятся исследования по усовершенствованию конструкции пневмодвигателя для применения в транспорте. В статье [6] проведено исследование характеристик роторно-поршневого пневмодвигателя при использовании в составе энергетической установки транспортного средства. Для повышения эксплуатационных и экономических показателей транспортной энергетической установки, использующей энергию сжатого воздуха, предложено регулирование рабочего давления воздуха в впускном ресивере роторно-поршневого пневмодвигателя.

Несмотря на то, что первые попытки оборудовать морской транспорт двигателем, работающим на сжатом воздухе, были предприняты еще в начале прошлого века [7], дело так и не пошло вперед. Кроме того, пневматические двигатели также применялись в приводе морских торпед [8], однако они перестали использовать сжатый воздух во время Второй мировой войны, так как вахтовым было слишком легко обнаруживать пузырьки на поверхности.

Поскольку задача снижения выбросов отработанных газов в судоходстве с использованием энергии сжатого воздуха является актуальной, мы предложили продолжить исследования в этом направлении.

Основной материал исследований. В концептуальной модели судна с гибридным пневмоэлектрическим двигателем в качестве основного двигателя применяется пневмоэлектрический двигатель (ПЭД), состоящий из пневмодвигателя, работающего на энергии сжатого воздуха, которая восстанавливается компрессорами с приводом от электродвигателя. Накопление электрической энергии в аккумуляторах осуществляется с помощью солнечных батарей, установленных на судне. Применение ПЭД, вероятно, позволит существенно снизить выбросы продуктов сгорания в атмосферу по сравнению с другими типами главных судовых двигателей, не использующих пневматическое аккумулирование [9,10].

Использование преимуществ пневматического аккумулирования неизбежно сталкивается с рядом технических трудностей. Системы пневматического аккумулирования для водных транспортных средств ограничены временем использования и очень высокой мощностью разряда. Кроме того, при расширении воздуха в пневмоэлектрической установке от давления в аккумуляторе до атмосферного возможно выпадение влаги и даже обмерзание деталей двигателя. 

Для предотвращения выпадения влаги необходимо подогревать воздух перед пневмодвигателем. Это можно сделать несколькими способами:

— подогревом на береговой компрессорно-заправочной станции с последующим хранением сжатого воздуха в теплоизолированных баках (резервуарах, баллонах);

— подогревом за счет тепла окружающего воздуха или бортовой воды.

Упрощенную концептуальную структурную схему судовой энергетической установки (СЭУ) на основе пневмоэлектрического двигателя представлено на рис. 1.

Концептуальная модель судовой энергетической установки на основе ПЭД следующая. С береговой или плавучей компрессорной станции, которая накапливает в резервуарах большие объемы сжатого воздуха, в основном используя энергию из возобновляемых источников (солнечная, ветровая, гидроэнергетика), горячий сжатый воздух закачивается в теплоизолированный баллон основного запаса (БОЗ) судна, также часть электрической энергии передается в электрические аккумуляторы, установленные на судне. Из БОЗ воздух поступает в редуктор давления (РТ) и далее воздух с давлением 8 бар подогревается бортовой водой для предотвращения возможного обмерзания и поступает в расходный баллон (ВБ). На выходе из ВБ установлено маневровое устройство (МП), которое регулирует расход сжатого воздуха для изменения мощности установки. На основе ПЭД в СЭУ (судовой энергетической установке) возможно восстановление запаса сжатого воздуха электрокомпрессором (ЭК), который работает от аккумуляторов, заряженных с помощью солнечных батарей, установленных на палубе, с давлением и расходами, достаточными для обеспечения минимальной скорости судна.

На рис. 2 показан термодинамический процесс работы установки с «горячим» запасом сжатого воздуха в БОЗ.

В термодинамическом процессе линии: 1-2 – наполнение резервуара сжатого воздуха судна с компрессорно-накопительной станции, 2-3 – дросселирование сжатого воздуха с БОЗ до ВБ, 3-4 – поступление воздуха через МП в пневмодвигатель (ПД), 6-7 – сжатие воздуха в компрессоре (кривая условная, с учетом охлаждения компрессора при сжатии воздуха), 7-3 – охлаждение воздуха, 4-5 – работа ПД, преобразование потенциальной энергии в механическую энергию вращения гребного вала (линия условная и не отображает непосредственно цикл работы пневмодвигателя).

Для определения целесообразности применения ПЭД необходимо определить возможный диапазон мощности установки, удельного расхода рабочего воздуха, размеров БОЗ и КПД СЭУ.

Для расчета приняты следующие данные: автономность плавания – 10 миль; скорость судна – 20 узлов; мощность главной установки – 500 кВт; давление в БОЗ – 30 МПа; температура воздуха в БОЗ – 200 °С; давление перед ПД – 0,6 МПа; температура воздуха перед пневмодвигателем +10 °С (следует отметить, что значение температуры подтверждено исследованиями гибридной пневмоустановки для автомобиля [11], где при практически таком же диапазоне рабочих давлений температура на входе в пневмодвигатель была положительной); давление на выходе из ПД – 0,11 МПа.

Теоретические исследования цикла поршневого пневмодвигателя [12] установили ориентировочный удельный расход воздуха в пределах 42÷57 кг/ч на 1 кВт, при давлении воздуха на входе в пневмодвигатель 0,8 МПа и различных значениях степени наполнения. Экспериментальные исследования работы поршневого пневмодвигателя [13] показали значения удельного расхода воздуха на поршневой пневмодвигатель 70÷140 кг/ч на 1 кВт при давлении воздуха на входе в пневмодвигатель 0,6÷0,9 МПа, что с учетом давления (30 МПа) и температуры воздуха (200 °С) в БОЗ, ориентировочно составит 0,3÷0,6 м3/ч. Согласно принятым данным расход воздуха будет: bв = 500 кВт·(0,3÷0,6 м³/ч) = 150÷300 м³/ч.

Количество воздуха, которое будет израсходовано на автономное плавание, определяется формулой (1):

где, L – автономность, мили;

с – скорость судна, мили/ч.

При прохождении судном с мощностью пневмодвигателя 500 кВт расстояния 1 миля со скоростью 20 миль необходимый объем БОЗ составит 7,5÷15 м³.

С учетом формулы объема цилиндра примерно 11 м³ – это баллон с радиусом 0,8 м и длиной 5,5 м. Цилиндрический баллон с запасом на 10 миль должен иметь радиус 1,7 м и длину 12,5 м.

где, η_др – КПД процесса дросселирования от БОЗ до ВБ (в среднем 90%);

η_гидр – КПД, учитывающий гидравлические потери (в среднем 90%);

η_ут – КПД, учитывающий утечки (в среднем 95%);

η_дв – КПД пневмодвигателя (50%);

η_эд– КПД электроустройств (95%).

Таким образом, полный КПД ПЭД, рассчитанный по формуле (2), будет на уровне 37%, но следует также учесть КПД компрессорной станции, который также оказывается достаточно низким (на уровне 40%). Суммарный КПД ПЭД в этом случае составит примерно 14,6%.

Учитывая низкую эффективность (КПД) современных солнечных батарей (12÷15%) и ветрогенераторов [14], КПД всего процесса преобразования энергии в гибридной установке кажется очень низким. Однако, принимая во внимание тот факт, что в СЭУ с ПЭД не используется органическое (ядерное или другое не восстанавливаемое) топливо, обеспечивается высокая экологическая чистота, полученные значения КПД могут оказаться приемлемыми с учетом перспектив дальнейшего совершенствования.

Применение СЭУ с ПЭД на «экологически чистых суднах» требует комплексного, масштабного технического подхода. Необходима соответствующая техническая инфраструктура, разработка сложных инженерных проектов. Это явно дорогие и с повышенным сроком окупаемости инвестиции. Но это неизбежная плата за экологическую чистоту морского транспорта. 

Как мы видим сегодня, в современном мире технологии не стоят на месте. В ближайшей перспективе сжатый воздух можно получать только с использованием «зеленой» энергии, значительно увеличится его давление и температура, появятся новые, более дешевые и более емкие аккумуляторы. На наш взгляд, КПД установки может достичь приемлемых значений, и СЭУ, работающие на пневмоэлектрическом аккумулировании, будут использоваться на судах прибрежного и внутреннего плавания.

Выводы и перспективы исследований. 
Диапазон применения СУЭ с ПЭД охватывает суда, способные работать в портовых акваториях, на реках, каналах, где существуют повышенные требования к возможным выбросам. Скорее всего, это будут паромные суда, пассажирские катера, речные трамваи, суда экологического направления, служебные катера, портовые сборщики и топливозаправщики. При определенных условиях СУЭ с ПЭД может быть эффективной силовой установкой для небольших плавучих средств (водоизмещение не более 500 т) с невысокой автономностью плавания (не более 20 миль), что позволяет на 100% сократить выбросы по сравнению с традиционными двигателями. Низкая эффективность СУЭ с ПЭД связана с более высоким энергопотреблением при сжатии, нагреве рабочего тела и потерями, связанными с утечкой и дросселированием воздуха. 

Для увеличения автономности плавания и КПД СУЭ с ПЭД необходимо: увеличивать скорость судна за счет разработки специальной конструкции корпуса (например, катамаран с гондолами-баллонами); повышать температуру и давление в БОЗ; 

использовать баллоны из современных углеродных материалов; применять перед пневмодвигателем современные «экологические» технологии для подогрева воздуха.

Просянок Виталий Викторович
канд. техн. наук, доцент 
Азовский морской институт Национального университета
«Одесская морская академия» (АМИ НУ «ОМА»), Одесса  
Email:  [email protected] 

Берестовой Иван Олегович
канд. техн. наук, доцент 
Дунайский институт Национального университета
«Одесская морская академия» (ДИ НУ «ОМА»), Измаил  
Email: [email protected]
ID ORCID: 0000-0002-3843-570X

Литература:

1. Механізми зменшення викидів СО2. Економічна правда. URL: https://www.epravda.com.ua/projects/ekonomika-bez-vykydiv/2021/03/31/672462/ 

2. Energy Bags Under The Sea To Be Tested To Store Off-Shore Wind URL: https://cleantechnica.com/2011/04/18/energy-bags-under-the-sea-to-be-tested-to-store-off-shore-wind/

3. Beckmann G., Gilli P.V. Thermal Energy Storage: Basics-design-applications to Power Generation and Heat Supply. New York: Springer-Verlag. 1984. 232 p.

4. Мокін Б. І., Чепурний М. М., Мокін О. Б. Повітряна акумулююча електростанція з двома повітросховищами різного тиску. Наукові праці ВНТУ, 2008, №1. С. 79 – 85.

5. Яцина М.М. Забезпечення надійності функціювання та підвищення ефективності  пневмодвигунів на транспорті з рекуперацією енергії. Вісник КрНУ імені Михайла Остроградського. 2018. Вип. 3 (110). С. 1– 7.

6. Ткач М.Р., Митрофанов О.С., Проскурін А.Ю., Познанський А.С. Дослідження параметрів роботи роторно-поршневого пневмодвигуна транспортної енергетичної установки. Науково-технічний журнал Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» «Двигуни внутрішнього згоряння» . 2020. № 1. С. 3 – 8.

7. Le sous – marin le plongeur.

8. Тhe 1/20th scale naval model – torpedoes. URL: https://www.bluebird-electric.net/Bluebird_Boats_Ships_Systems/Torpedoes_Model_Electric_Radio_Controlled_Making_Firing_Systems.htm .

9. Просянок В.В. Оценка эффективности применения пневматического аккумулирования в качестве рабочего тела судовых турбоагрегатов. Науковий вісник Херсонської державної морської академії. 2013. № 1(8). С. 54 – 61.

10. Просянок В.В. Пневматическое аккумулирование для гидрореактивного эжекционного двигателя. Науково-технічний збірник Національного університету «Одеська морська академія» «Суднові енергетичні установки». 2015. №35. С. 153 – 162.

11. О выборе параметров поршневого пневмодвигателя, работающего в составе гибридной энергоустановки автомобиля. А.Н. Туренко, В.А. Богомолов, Ф.И Абрамчук, А.И. Харченко, А.И. Шилов. Збірник науких праць Харьківського національного  автомобільно — дорожного університу «Автомобільний транспорт». 2008. № 22. С. 7 – 16.

12. Нечипорук М.В. Визначення показникiв пневмодвигуна для гiбридної силової установки мiського легкового автомобіля. М.В. Нечипорук., Ю.А. Воробйов, В.Б. Пода. Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету. 2019. Вип. 85. С. 83 – 92

13. Стенд для випробування і дослідження пневмодвигунів. Ф. І. Абрамчук, О. І. Воронков, А. І. Харченко та ін. Двигуни внутрішнього згоряння. 2011. № 2. С. 110 – 117.

14. Twidell J. Renewable Energy Resources: 4th Edition. London: Routledge, 2021. 774 p.

Источник: Журнал «Суднові енергетичні установки»: науково-технічний збірник.

_______________________________________________________________________________________

Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
Читайте нас на Яндекс Дзен

У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
Прислать статью [email protected]