Analysis of design characteristics of battery-powered cargo ships

Толық мәтін

Введение

Создание грузовых судов с полностью электрической энергетической установкой находится в фокусе внимания современной морской техники. Это связано с ужесточением международных экологических норм, таких как IMO 2020 [1] (ограничение содержания серы в судовом топливе до 0.5%) и Стратегией Международной морской организации IMO от 2023 года [2] (достижение «нулевых» выбросов примерно к 2050 году, учитывая национальные обстоятельства). Кроме того, введены зоны контроля выбросов, где допустимое содержание оксидов серы (SOₓ) и азота (NOₓ) снижено до 0.1%, что, в связи с введение штрафов, делает применение традиционных дизельных установок экономически невыгодным.

Аккумуляторные суда позволяют полностью исключить выбросы вредных веществ при эксплуатации, что особенно актуально для портовых городов и охраняемых акваторий. Перспективное ужесточение норм CII (Carbon Intensity Indicator) и EEXI (Energy Efficiency Existing Ship Index) будет стимулировать переход на альтернативные энергетические установки, включая аккумуляторные системы. Однако их внедрение требует пересмотра проектных характеристик судна, чтобы компенсировать изменения, вызванные использованием нового вида энергетической установки, сохранив дальность хода.

Внедрение полностью аккумуляторных энергетических установок в грузовом судоходстве сопряжено с рядом существенных технологических ограничений, требующих глубокой научной проработки. Ключевой проблемой остается низкая удельная энергоемкость современных аккумуляторных систем по сравнению с традиционными углеводородными энергоносителями. Так, если для литий-ионных батарей этот показатель не превышает 300 Вт•ч/кг, то для судового дизельного топлива он достигает 12000 Вт•ч/кг [3]. Такое принципиальное отличие приводит к необходимости размещения на борту значительных по массе и объему аккумуляторных батарей, что в свою очередь существенно сокращает полезную грузоподъемность судна и требует пересмотра традиционных подходов к проектированию корпусных конструкций.

Поскольку данный тип судов является новым, в их проектировании сохраняется весомая степень неопределенности. Различные компании экспериментируют с архитектурой судов и типами аккумуляторных систем. Цель данной работы — проанализировать существующие проекты и выявить ключевые особенности их разработки.

Актуальность исследования

Согласно ряду исследований, использование полностью аккумуляторной энергетической установки позволяет на ~100 % декарбонизировать судно в процессе его эксплуатации. В связи с этим наблюдается довольно большой интерес к исследованию возможности применения аккумуляторов в качестве единственного источника энергии на судне.

В работах [4, 5] рассматриваются архитектурные и компонентные решения полностью электрических судов, включая системы генерации, распределения и управления электроэнергией, а также силовые приводы на основе мощной преобразовательной техники. Подчёркивается ключевая роль силовой электроники как технологической основы интеграции энергетических систем.

Экономические аспекты внедрения электрических судов детально анализируются в исследованиях [6, 7]. Показано, что на коротких и средних маршрутах электрические суда демонстрируют конкурентоспособность за счёт снижения эксплуатационных расходов, несмотря на более высокие первоначальные инвестиции. На протяжённых маршрутах преимущество сохраняется за судами с традиционными видами топлива.

Экологическая эффективность электрических судов с применением метода оценки жизненного цикла выполнена в публикации [3]. Установлено, что использование аккумуляторных систем способствует существенному сокращению выбросов углекислого газа, оксидов азота и серы, однако итоговый экологический эффект определяется структурой генерации электроэнергии.

Вопросы оптимизации проектирования корпусов и энергетических установок для высокоскоростных электрических судов рассмотрены в работах [8, 9, 10]. Особое внимание уделено поиску баланса между модульностью конструкции и гидродинамическим совершенством, а также применению оптимизационных алгоритмов для расчёта параметров систем хранения энергии.

Возможности модернизации существующих судов с использованием альтернативных видов топлива и технологий декарбонизации, таких как аммиак, метанол, аккумуляторные системы и системы улавливания углекислого газа, проанализированы в исследовании [11].

Перспективы внедрения аккумуляторных систем в Российской Федерации, в особенности для портовых буксиров и судов речного плавания, освещены в работе [12]. Отмечается потенциал снижения вредных выбросов в акваториях портов и необходимость развития соответствующей инфраструктуры.

Таким образом, следует заключить, что рассматриваемая тема актуальна. Однако в указанных работах не затронуты темы начальных стадий проектирования судна, оборудованных только аккумуляторной системой хранения энергии. Анализу проектных характеристик существующих судов для последующей разработки алгоритмов начальных стадий и посвящена работа.

Основные проектные характеристики грузовых судов с полностью аккумуляторной энергетической установкой

Для анализа проектных характеристик судов с полностью аккумуляторной энергетической установкой была собрана база данных [13-23]. База данных включает 13 проектов грузовых судов: 10 контейнеровозов, два балкера и один танкер-бункеровщик.

Выборка охватывает выявленные в ходе исследования полностью аккумуляторные грузовые суда на момент проведения исследования (2025 г.). Суда с гибридной энергетической установкой сознательно исключены из анализа для сохранения однородности сравнительных параметров.

Технические характеристики судов приведены в таблице 1. В таблице 1 введены следующие условные обозначения: Loa – максимальная длина судна, м; Lpp – длина между перпендикулярами, м; B – ширина судна, м; T – осадка по КВЛ, м; DWT – дедвейт, т; TEUпр – проектное количество грузовых 20-футовых контейнеров, шт; TEUст – количество грузовых 20-футовых контейнеров в пересчёте на стандартную массу 14 т, шт; E – энергоёмкость аккумуляторов, кВт•ч; N – мощность главного двигателя, кВт; vmax – максимальная скорость, уз; R – дальность плавания, морские мили; nэк – количество экипажа, чел; Fr – число Фруда.

Таблица 1. Тактико-технические характеристики полностью аккумуляторных грузовых судов

№	Название	Тип судна	Loa	Lpp	B	T	DWT	TEUпр	TEUст
1	Yara Birkeland	Контейнеровоз	80	72.4	14.8	6.3	3400	120	243
2	Asahi	Танкер	62	58.6	10.3	4.15	1300	-	-
3	Greenwater 01	Контейнеровоз	119.8	113.2	23.6	5.5	8261	700	590
4	PortLiner EC52	Контейнеровоз	52	49.1	6.7	2	425	36	30
5	PortLiner EC110	Контейнеровоз	110	104	11.45	3.8	3080	280	220
6	PortLiner EC135	Контейнеровоз	135	127.6	14.5	4.25	5250	441	375
7	Den Bosch Max Groen	Контейнеровоз	90	85.1	11.45	4.1	2045	132	146
8	Chuanchuan Yangtze River 001	Балкер	77.6	73.3	13.6	5.04	3 000	-	-
9	Zhongtian Dianyun 001	Балкер	49.8	47.1	10.6	3.1	1 000	-	-
10	Jiangxi 740TEU	Контейнеровоз	127.8	120.8	21.6	6.2	10 000	740	714
11	Hubei 120TEU	Контейнеровоз	84	79.4	13.75	2.4	1 650	120	118
12	ReVolt	Контейнеровоз	60.23	57.23	14.5	5.02	1 250	100	89
13	Alphenaar	Контейнеровоз	90	79.4	10.5	3.6	1883	104	135

Продолжение таблицы 1

№	Название	E	N	vmax	R	nэк	Fr	Страна
1	Yara Birkeland	8000	1800	13	30	0	0.49	Норвегия
2	Asahi	3480	600	11	64.2	5	0.46	Япония
3	Greenwater 01	50000	1800	10.5	205	н/д	0.32	Китай
4	PortLiner EC52	1680	112	9	135	н/д	0.41	Нидерланды
5	PortLiner EC110	6720	480	10.2	143	н/д	0.32	Нидерланды
6	PortLiner EC135	10000	1000	12.5	320	5	0.35	Нидерланды
7	Den Bosch Max Groen	н/д	460	10.7	н/д	н/д	0.37	Нидерланды
8	Chuanchuan Yangtze River 001	2322	480	10	162	н/д	0.37	Китай
9	Zhongtian Dianyun 001	1458	204	7	31	н/д	0.33	Китай
10	Jiangxi 740TEU	19000	1750	11.5	н/д	0	0.33	Китай
11	Hubei 120TEU	н/д	400	9.7	95	0	0.35	Китай
12	ReVolt	3000	320	6	100	0	0.25	Норвегия
13	Alphenaar	2000	500	10.5	64.8	н/д	0.38	Нидерланды

В результате обработки собранной базы данных получены эмпирические зависимости, которые могут быть использованы для расчета основных элементов судна в первом приближении.

Максимальная длина в функции дедвейта (рисунок 1) может быть выражена следующей формулой:

Рис. 1. График максимальной длины в функции дедвейта.

Отношение длины к ширине L/B увеличивается по мере увеличения LOA от 4.15 до 9.6. Среднее значение по всей базе данных равно L/B= 6.63. Для расчета может быть использована формула:

Отношение ширины к осадке B/T увеличивается по мере увеличения LOA от 2.4 до 5.7. Среднее значение по всей базе данных равно B/T = 3.29. Для расчета может быть использована формула:

Количество членов экипажа на грузовых судах с полностью аккумуляторной энергетической установкой варьируется в зависимости от уровня автономности и проектных решений. В полностью автономных судах, таких как Yara Birkeland (Норвегия), экипаж отсутствует (0 чел), а управление осуществляется дистанционно или через системы искусственного интеллекта. Однако многие проекты сохраняют сокращенный экипаж от 3 до 8 чел для контроля систем безопасности, погрузочно-разгрузочных операций и решения нештатных ситуаций. Для сравнения: классические фидерные суда аналогичного размера (например, дизельные контейнеровозы на 500–1000 TEU) обычно имеют экипаж из 10–15 человек. Разница обусловлена автоматизацией энергоустановок, упрощением обслуживания батарей и снижением потребности в вахтенном персонале. При этом законодательные нормы (например, требования IMO) и уровень доверия к автономным технологиям остаются ключевыми факторами при определении численности экипажа.

Для анализа грузовместимости и грузоподъемности рассматриваемых судов был введен параметр TEUст, показывающий количество двадцатифутовых контейнеров массой 14 т, возможных для установки на судно. Иными словами, количество . Данные, представленные в таблице 1, показывают два сценария:

1. Для большинства проектов (Greenwater 01, проекты PortLiner и др.) значение TEUст существенно ниже проектного TEU. Это подтверждает исходную гипотезу о том, что классический объёмный подход завышает реальные возможности судна. В этих случаях именно TEUст является реальным ограничивающим фактором при планировании загрузки.
2. Для некоторых судов (например, Yara Birkeland, Den Bosch Max Groen) наблюдается обратная картина: TEUст превышает TEU. Это указывает на иной компромисс в проектировании: судно предназначено не под максимальное количество контейнеров, а под перевозку более тяжёлых грузов. В данном случае ограничивающим фактором выступает уже не масса, а объём.

С целью оценки гидродинамической эффективности и режимов движения исследуемых судов в рамках настоящей работы выполнен расчёт числа Фруда (Fr) для каждого объекта. Большинство анализируемых судов эксплуатируются в критическом режиме при числах Фруда Fr от 0.25 до 0.46, что типично для фидерных контейнеровозов.

Следует отметить, что в рассматриваемых данных отсутствует водоизмещение судна, так как эти данные оказались недоступны для получения.

Применение аккумуляторных систем в качестве единственного источника питания на судне позволяет быстрее и проще перейти к изучению возможности внедрения безэкипажного судоходства. Так, пять судов из рассмотренной базы данных (Yara  Birkeland, Greenwater  01, Jiangxi  740TEU, Hubei  120TEU, ReVolt) в той или иной степени автоматизированы и являются безэкипажными.

Анализ компоновки контейнерного судна с аккумуляторной энергетической установкой

Рассмотрим на примере контейнеровоза Yara Birkeland компоновку судна с полностью аккумуляторной энергетической установкой. Его принципиальная схема, изображенная на рисунках 2 и 3 [24, 25], демонстрирует характерные особенности данного типа судов.

Рис. 2. Принципиальная компоновка грузового судна с полностью аккумуляторной энергетической установкой (проект Yara Birkeland): 1 – блок автоматического берегового подключения постоянного тока; 2 – блок автоматического судового подключения постоянного тока; 3 – главный распределительный щит; 4 – кормовой блок аккумуляторных батарей; 5 – 2х900 кВт электрические азиподы (диаметр винта 2.2 м); 6 – грузовой отсек на 120 TEU; 7 – радар; 8 – лидар; 9 – AIS; 10 – блок камер для обзора; 11 – блок инфракрасных камер для обзора; 12 – временный пост управления (удаляется при автономной работе судна); 13 – носовой блок аккумуляторных батарей; 14 – 2х700 кВт туннельное подруливающее устройство (диаметр винта 1.75 м).

а

б

Рис. 3. Трехмерные модели судна Yara Birkeland.

Архитектурно-конструктивный тип контейнеровоза «Yara Birkeland» определяется его назначением для безэкипажной перевозки генеральных грузов в прибрежной акватории.

Судно относится к классу контейнеровозов. Его архитектура характеризуется полным отсутствием надстройки, что является следствием реализации концепции автономного судовождения. Навигационное и радиолокационное оборудование размещено на открытых фундаментах в носовой и кормовой оконечностях. Носовая часть корпуса оборудована бульбом, кормовая оконечность — транцевая.

Конструкция корпуса выполнена из стали. Грузовая палуба оснащена контейнерными направляющими; другие грузовые устройства отсутствуют.

Главная энергетическая установка является полностью аккумуляторной. Движительно-рулевой комплекс включает две кормовые винто-рулевые колонки мощностью 900 кВт каждая. Для повышения маневренности судно оборудовано двумя носовыми подруливающими устройствами мощностью 700 кВт каждое.

Сравнительный анализ компоновочных решений классического контейнерного судна и судна с аккумуляторной энергетической установкой

Сравнительный анализ чертежей общего расположения (рисунок 4) [26] аккумуляторного контейнеровоза Yara Birkeland и дизельного контейнеровоза проекта CONO FEEDER 200 выявляет существенные различия в архитектурно-конструктивных решениях, обусловленных применением различных типов энергоустановок. Следует отметить, что выбор более релевантного референсного объекта с идентичными размерениями невозможен из-за отсутствия данных по таким проектам, однако стоит отметить, что проект CONO FEEDER 200 выполнен по типовым архитектурно-конструктивным решениям для классических фидерных контейнеровозов. Учитывая указанное ограничение, анализ проводился между объектами с разницей в длине 10 м (80 м против 90 м) при сохранении принципиальной возможности сопоставления архитектурных решений благодаря схожести функционального назначения и эксплуатационных характеристик судов. 

а

б

Рис. 4. Боковой вид общего расположения: а – судна Yara Birkeland, б – судна CONO FEEDER 200.

Компоновка аккумуляторного судна характеризуется отсутствием надстройки, за исключением фундаментов под мачтовое оборудование и телеметрию, а также временной рубкой, требуемой лишь для настройки всех систем при ходовых испытаниях, что связано с автоматизированным управлением и отсутствием необходимости в помещениях для экипажа.

Важным отличием является применение на Yara Birkeland азиподной движительной системы с полноповоротными гондолами, в то время как CONO FEEDER 200 использует традиционную вальную схему с гребным винтом фиксированного шага и рулевым устройством. Кроме того, аккумуляторное судно оснащено более мощным подруливающим устройством в носовой оконечности (два устройства по 700 кВт против одного 265 кВт на дизельном судне), что обеспечивает повышенную маневренность. Мощность главного двигателя при этом одинаковая и составляет 1800 кВт.

Существенно различается высота борта: у Yara Birkeland этот показатель составляет 14.8 м против 9.85 м у аналога.

Анализ грузовых помещений показывает, что, хотя номинальная вместимость Yara Birkeland составляет 120 TEU против 205 TEU у CONO FEEDER 200, фактическое полезное пространство может дополнительно сокращаться на 10-15% резервированием зон для размещения дополнительных аккумуляторных контейнеров при желании увеличить автономность. Несмотря на то, что номинальная контейнеровместимость полностью аккумуляторного контейнеровоза Yara Birkeland в 1.7 раза уступает аналогичному параметру дизельного контейнеровоза CONO FEEDER 200, его дедвейт превышает показатель традиционного судна на 600 т. Данное соотношение демонстрирует принципиально иной подход к проектированию: аккумуляторное судно спроектировано для перевозки более тяжёлых грузов при сохранении эксплуатационных характеристик. Указанное превосходство по грузоподъемности позволяет утверждать, что фактическая масса перевозимых грузов может быть сопоставима или превышать аналогичный показатель дизельного судна, несмотря на различия в контейнеровместимости.

Варианты размещения аккумуляторных батарей

Наиболее распространёнными зонами размещения аккумуляторных батарей являются носовая часть между форпиком и грузовым отсеком, а также кормовая часть позади грузового отсека. Такое расположение обусловлено требованиями к распределению масс и необходимостью обеспечения минимальной длины силовых кабельных трасс между батареями и движительно-рулевым комплексом.

Стоит отметить, что на современных грузовых судах с полностью аккумуляторной энергетической установкой зачастую большая часть аккумуляторов располагается не внутри корпуса, а в съёмных двадцатифутовых контейнерах. Это позволяет осуществлять быструю «зарядку» в порту, однако данная технология эффективна только на коротких маршрутах с развитой портовой инфраструктурой. Использование данного решения позволяет оператору судна маневрировать плечом маршрута за счёт объёма перевозимого груза. Изображение примера аккумуляторного блок-контейнера компании SKOON представлено на рисунке 5 [6].

Рис. 5. Аккумуляторный блок-контейнер фирмы SKOON.

Заключение

В настоящей работе получены следующие результаты:

- к применению аккумуляторных систем, в том числе в виде полностью аккумуляторных энергетических установок, растет интерес, поскольку такое решение позволяет обеспечить выполнение экологических требований, включая нормы IMO 2020, CII и EEXI;

- рассмотренные в работе проекты судов отличаются значительной вариативностью, что говорит о том, что единого подхода к проектированию судов с полностью аккумуляторными энергетическими установками еще не разработано. Однако анализ проектных характеристик показывает, что рассматриваемые суда близки фидерным контейнеровозам;

- применение полностью аккумуляторной установки является путем к безэкипажности, которая, в свою очередь, оказывает влияние на экстерьер судна;

- аккумуляторные системы, обычно, располагаются не внутри корпуса судна, а снаружи в съемных двадцатифутовых контейнерах.

Дополнительная информация

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в анализ проектных характеристик грузовых судов с полностью электрической энергетической установкой, сбор данных и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией. Личный вклад каждого автора: М.В. Цыварев — сбор информации о существующих проектах судов, проведение анализа их проектных характеристик; К.Д. Овчинников — анализ результатов, верификация расчетов.

Генеративный искусственный интеллект. Авторы заявляют о неиспользовании технологий генеративного искусственного интеллекта с целью создания (или значимой модификации) рукописи, ее частей (включая, иллюстрации) или иных материалов, представленных на рассмотрение в журнал.

Additional info

Disclosure of interests. The authors have no explicit or potential conflicts of interest associated with the publication of this article.

Funding sources. The authors declare no external funding was received for conducting the study.

Author contributions. All authors made a significant contribution to the analysis of the design characteristics of cargo ships with an all-electric propulsion plant, data collection and preparation of the article, read and approved the final version before publication. Personal contribution of each author: Mark V. Tsyvarev - collection of information on existing ship designs, analysis of their design characteristics; Kirill D. Ovchinnikov - analysis of results, verification of calculations.

Generative AI. The authors declare that they did not use generative artificial intelligence technologies for the purpose of creating (or significantly modifying) the manuscript, its parts (including illustrations) or other materials submitted for consideration to the journal.

Авторлар туралы

Kirill Ovchinnikov

St. Petersburg State Marine Technical University

Email: ovchinnikov_kd@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8753-6243
SPIN-код: 3204-7727

PhD (eng.), associate professor, associate professor of Ship Design Department

Ресей, 190121, Российская Федерация, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3

Mark Tsyvarev

St. Petersburg state marine technical university; LLC Emperium

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: m.tsyvarev@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3642-9784
SPIN-код: 9626-1970

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар