Энергоэффективность на катерах и яхтах

Энергия, вырабатываемая на катере или яхте, расходуется на движение судна и на питание бортового оборудования. Вдали от береговой сети основной источник энергии — ископаемое топливо, сжигаемое двигателем внутреннего сгорания, а дополнительные —  солнечная энергия и энергия ветра.

Лодки с электромотором, но без генератора на борту, рассчитывают только на заряженные на берегу аккумуляторы, частично подзаряжая их от солнечных батарей или ветрогенератора. На парусных яхтах для зарядки аккумуляторов иногда используют гидрогенератор.

Удельный расход топлива

Удельный расход топлива определяет факторы, влияющие на эффективность работы двигателя и показывает сколько топлива необходимо потратить, чтобы выработать одну единицу энергии. Например, если мощность на валу составляет 25 лошадиных сил, и двигатель расходует в час 7 литров топлива, то удельный расход равен 7 / 25 = 0,28 л / л.с-час. В единицах СИ удельный расход измеряют в г/кВтч.

Если измерить потребление топлива при разной частоте вращения вала, от холостого хода до максимальных оборотов, и разделить полученные данные на нагрузку, то результаты позволят построить карту удельного расхода топлива. По ней для любой заданной мощности и оборотов можно узнать удельный расход в г / кВтч, а умножив его на мощность, развиваемую при выбранных оборотах, получить общий расход топлива в час. Двигатель работает экономично (у него минимальный удельный расход топлива), когда точка пересечения оборотов и нагрузки находится рядом с линией AB. Если на графике удельного расхода разместить кривую мощности винта, то видно, что винт никогда не нагружает двигатель так, чтобы тот работал с минимальным удельным расходом (230 г / кВтч), а на каждой частоте вращения оптимальный расход топлива оказывается меньше. Ближе всего к оптимальному удельный расход при 2600 об/мин, при низкой частоте вращения вала он резко возрастает до 300 г/кВт, а в реальных условиях достигает 600 г/кВтч

Зарядка аккумуляторов на якоре

Предположим, что к двигателю с помощью шкива с передаточным отношением 2:1 подсоединен 12-вольтовый генератор, оптимизированный для работы на низких оборотах. Когда двигатель запускают на стоянке для зарядки аккумуляторов, то при частоте вращения 1200 об/мин ротор генератора совершает 2400 об/мин. В начале зарядки генератор выдает ток 90 ампер, а по мере того как аккумулятор заряжается, снижает его до 30 ампер. При токе 90 ампер выходная мощность генератора составляет всего 90 ампер × 14,0 вольт = 1260 Вт = 1,26 кВт, а при токе 30 ампер она понижается до 0,42 кВт.

Измерения, проведенные в реальных условиях показывают, что удельный расход топлива при 1200 об / мин и 1,26 кВт превышает 1000 г / кВтч, а при 0,42 кВт составляет 2700 г / кВтч. Высокий расход топлива вызван низким КПД генератора при преобразовании механической энергии в электрическую (чуть выше 50%) и из-за работы двигателя в неэффективной области диаграммы расхода топлива.

Использование генератора переменного тока

Теперь предположим, что к двигателю подключен генератор переменного тока. Большинство генераторов этого типа независимо от нагрузки работают при фиксированных оборотах ротора, чтобы обеспечить правильную выходную частоту переменного тока. Генераторы, рассчитанные на американские стандарты (частота переменного тока 60 Гц) работают при 1800 об / мин или 3600 об / мин, а европейские модели (переменный ток 50 Гц) при 1500 об / мин или 3000 об / мин.

Пусковой ток у оборудования переменного тока, в особенности у электродвигателей, в шесть и более раз выше непрерывной нагрузки. Чтобы генератор не отключался, он должен быть рассчитан на кратковременные всплески тока и иметь шестикратный запас по мощности. В результате большинство генераторов переменного тока большую часть времени, работают при нагрузке в 25 или менее процентов от их номинальной мощности, а часто без нагрузки вообще.

Потери при преобразовании механической энергии в электрическую возрастают при низких нагрузках и приводят к тому, что генератор вынуждает двигатель работать с удельным расходом топлива, многократно превышающим оптимальный.  На практике не редко удельный расход составляет 1000 – 2000 г/кВтч при оптимальных значениях 230-250 г/кВтч.

Стоимость энергии

Проблемы с топливной эффективностью, возникающие при рассмотрении удельного расхода топлива, часто не самая значительная часть общей стоимости энергии. Кроме них необходимо учитывать затраты на обслуживание и ремонт двигателя и генератора. Амортизационные затраты получают разделив предполагаемый ресурс работы на стоимость нового устройства с учетом установки.

Предположим, что дизельный двигатель мощностью 55 кВт стоит 20 000 USD, а его ресурс составляет 5000 часов. В этом случае амортизационная стоимость за час работы равна 20 000 USD / 5000 часов = 4,00 USD в час.  Во время зарядки аккумуляторов на стоянке, когда генератор потребляет 1,26 кВт стоимость одного киловатт-часа составит 4 USD/1,26 кВт = 3,17 USD за кВт. Стоимость топлива, пошедшего на выработку 1 кВт 1000 г/кВт/3180 г × 4,00 USD = 1,25 USD. Общая стоимость одного киловатт-часа без учета обслуживания двигателя – 4,42 USD.

Амортизационная стоимость килловатт-часа при токе 30 А и мощности генератора 0,42 кВт равна $4.00 в час /0.42 кВт = $9.52 за кВтч, а стоимость топлива 2700 г/кВтч/3180 г × 4,00USD = 3,40 USD за кВтч. Общие затраты в этом случае – 12,92 USD за кВтч. Амортизационная стоимость в обоих случаях в два — три раза больше стоимости топлива.

Каждый раз, когда двигатель работает с неполной нагрузкой, амортизационная стоимость кВтч возрастает.

 Очевидно, что затраты отличаются для разных двигателей, разной стоимости топлива, разных ожидаемых сроках эксплуатации и разных уровней нагрузки. Однако принцип остается неизменным — стоимость электрической энергии, вырабатываемой генератором постоянного или переменного тока, работающим от двигателя, будет меньше, если двигатель работает с высокой нагрузкой.

Зарядка аккумуляторов в движении

Во время движения нагрузка от генератора добавляется к нагрузке от винта. На рисунке к кривой мощности винта добавлены нагрузки в 2 и 10 кВт от генераторов. Дополнительные нагрузки улучшают эффективность двигателя, не только с точки зрения выработки электрической энергии, но и с точки зрения эффективности движения. Однако дополнительные 10 кВт перегружают двигатель на низких и высоких оборотах, поэтому в этих точках понадобится механизм, уменьшающий влияние генератора.

Если генератор имеет КПД 50%, то при нагрузке на двигатель 2 кВт его выходная электрическая мощность составит 1 кВт, что означает выходной ток 70 ампер при напряжении 14,0 вольт или 35 А при напряжении 28,0 В. 10 кВт на двигателе превращаются 5 кВт электрической мощности, или ток 360 ампер при напряжении 14,0 вольт

Энергетический буфер

Расход топлива и стоимость энергии быстро возрастают, когда нагрузка на двигатель уменьшается. Чтобы снизить энергозатраты, необходимо нагружать двигатель до оптимального уровня в любое время его работы. Значит необходим механизм, который увеличивает нагрузку двигателя всякий раз, когда она становится ниже оптимальной, накапливает полученную избыточную энергию во временном хранилище, а затем возвращает обратно в систему. С практической точки зрения это можно сделать используя как энергетический буфер аккумуляторы с высокой скоростью приема заряда.

Расчет затрат энергии

Использование аккумуляторных батарей для поддержания высоких нагрузок двигателя увеличивает интенсивность использования аккумуляторов. Кроме этого, возникают дополнительные затраты, состоящие из двух основных компонентов:

1. Потери во время заряда и разряда, которые приходится учитывать при подсчете всех затрат энергии, прошедшей через аккумуляторы перед потреблением.
2. Амортизационная стоимость, зависящая от цены аккумуляторов и общего количества энергии, прошедшей через них за весь срок службы.

Обычно при расчете эффективности для каждого типа аккумуляторов применяют свой фиксированный коэффициент. Это грубый и неточный метод, не учитывающий изменение эффективности аккумулятора в зависимости от его состояния и скорости зарядки. Например, на заключительных этапах работы зарядного устройства, во время стадии «выравнивания» или «кондиционирования», потери в аккумуляторе возрастают, и энергия зарядки составляет всего 2% от получаемой аккумулятором.

Расчет амортизации основан на количестве циклов разряда, которые выдерживает аккумулятор в течении своего срока службы. Например, если аккумулятор емкостью 100 Ач в течении срока службы выдерживает 400 разрядов до 20% (SoC) емкости, то за все время эксплуатации через него пройдет 80 Ач × 400 = 32 000 Ач. Для 12 вольтового аккумулятора, это соответствует 32 000 Ач × 12 вольт / 1000 = 384 кВтч энергии. Если цена аккумулятора 100 USD, амортизационная стоимость составит 100 USD / 384 кВтч = 0,26 USD за кВтч проходящей через аккумулятор энергии. При эффективности аккумулятора 85%, амортизация возрастает до 0,26 / 0,85 = 0,31 USD за кВтч. Стоимость кВтч будет меняться в зависимости от цены аккумулятора, срока службы и эффективности при заданной глубине разряда.

	Стоимость кВтч емкости аккумулятора, USD
Амортизационная стоимость $/кВтч	100	150	200	250	300	350	400	450
	Количество циклов работы при разряде на 80%
0.13	962	1442	1923	2404	2885	3365	3846	4327
0.14	893	1339	1786	2232	2679	3125	3571	4018
0.15	833	1250	1667	2083	2500	2917	3333	3750
0.2	625	938	1250	1563	1875	2188	2500	2813
0.25	500	750	1000	1250	1500	1750	2000	2250
0.3	417	625	833	1042	1250	1458	1667	1875
0.35	357	536	714	893	1071	1250	1429	1607
0.4	313	469	625	781	938	1094	1250	1429
0.45	278	417	556	694	833	972	1111	1250
0.5	250	375	500	625	750	875	1000	1125
0.6	208	313	417	521	625	729	833	938
0.7	179	268	357	446	536	625	714	804
0.8	156	234	313	391	469	547	625	703
0.9	139	208	278	347	417	486	556	625
1.0	125	188	250	313	375	438	500	563

Стоимость кВтч у традиционных аккумуляторов. В каждом цикле аккумуляторы разряжаются до 80% емкости без потерь эффективности. Для любой цены аккумулятора, основанной на стоимости кВтч емкости (емкость в Ач х напряжение / 1000) в таблице приведено количество циклов, которые должен выдержать аккумулятор для стоимости киловатт-часа, указанного в левом столбце. Например, если цена аккумулятора составляет 200 USD за кВт-ч емкости и он 1250 раз разряжается на 80%, стоимость каждого кВтч энергии, прошедшего через батарею, составит 0,20 USD.

Опубликованная производительность TPPL аккумуляторов — 400 циклов при глубине разряда 80%. Это означает, что выходная стоимость кВтч для аккумулятора с ценой 200 USD за кВтч емкости составляет 0,70 USD. Даже если снизить цену аккумулятора до 100 долларов за кВтч емкости, выходная стоимость кВтч по-прежнему будет составлять 0,35 USD. Это значение – плата за использование аккумулятора, не включающая расходы на производство энергии и потери в аккумуляторах.

Из таблицы видно, что для увеличения количества циклов необходимо снижать затраты на прохождение энергии через аккумулятор. На практике это означает, что использовать литий-ионные аккумуляторы выгоднее, несмотря на то, что их цена на кВт емкости в несколько раз выше, чем у TPPL, традиционных AGM, гелевых или жидко-кислотных аккумуляторах. Однако, если циклические возможности литий ионных аккумуляторов используются полностью, то даже при текущих ценах их покупка оправдана.