Eko-jachting. Napędy elektryczne do jachtów turystycznych i houseboatów – analiza rozwiązań [felieton]

Globalny rynek jachtingu rekreacyjnego przechodzi obecnie najbardziej znaczącą transformację technologiczną od czasu upowszechnienia silników wysokoprężnych w połowie XX wieku. Impulsem do tych zmian jest rosnąca presja regulacyjna związana z ochroną ekosystemów, rosnące koszty paliwa no i postęp w dziedzinie magazynowania energii czy technologii bezszczotkowych silników prądu stałego (BLDC). Zarówno z rynku chińskiego trafiają do nas nowości ale też sam rynek europejski rw samym segmencie elektrycznych silników zaburtowych przekroczył wartość 32,8 miliona dolarów w 2020 roku [niestety nie mam nowszych źródeł i za bardzo nie chciało mi się szukać], a prognozowany wzrost ~5,3% rdr sugeruje, że napędy elektryczne przestają być niszową ciekawostką, a stają się realną alternatywą dla tradycyjnych jednostek spalinowych. Dzięki temu nie trzeba będzie stać w kolejkach do „wahabitów” czyt wodnych stacji benzynowych Wzrost zainteresowania wodną elektro-mobilnością składa się z kilku czynników: od popularyzacji wędkarstwa (wędkarze zawsze narzekają że im głośno no i nie chcą wiosłować) i sportów wodnych (skutery elektryczne są coraz częściej dostępne), przez ogólną elektryfikację sektora transportu, aż po coraz bardziej restrykcyjne przepisy dotyczące stref ciszy na akwenach turystycznych.

Elektryfikacja jachtingu: moda czy realna zmiana?

Tutaj warto wejść od ciszy, braku spalin na wodzie, rosnącej dostępności gotowych systemów i ograniczeń dla na części akwenów. Elektryczne silniki zaburtowe są używane w rekreacji, najczęściej w wędkarstwie i na akwenach z ograniczeniami, ale też w jachtach żaglowych normą jest elektryczny silnik steru strumieniowego. A skoro znani producenci sprzętu morskiego tacy jak Lewmar, Side-power, vetus, max power, quick, Dutch Thrustleader, czy chińscy producenci których nazw i ilości nie jestem w stanie wymienić produkują nie tylko elektryczne kabestany, elektryczne stery strumieniowe ale i silniki elektryczne

Główne typy napędów elektrycznych

Tu napiszę krótkie prawie-porównanie i prosty podział. Wśród elektrycznych silników rozróżniłbym:

• małe silniki trollingowe do łodzi wędkarskich – rynek jest zasypany małymi silniczkami, chińskiej produkcji dostępnych na marketplace’ach takich jak temu, aliexpress, alibaba. Cicha praca, niska prędkość, precyzyjne prowadzenie łodzi i możliwość trollingu oraz możliwość montowana zaciskowo na pawęży – słowem wszystko co potrzeba. Typowe silniki wędkarskie są często opisywane uciągiem w funtach, a nie mocą w kW; np. Minn Kota Endura występuje w wariantach 30, 40 i 50 lb, działa na 12 V.
• zaburtowe silniki elektryczne do pontonów i małych jachtów –
• oraz stacjonarne napędy typu inboard/saildrive do większych jachtów silnikowych oraz żaglowych. Tu oferta najczęściej dzieli się na silniki dla małych jednostek, dla motorówek i jachtów typu houseboat do 12 i saildrive’y dla jachtów żaglowych i katamaranów.

Silnik elektryczny do jachtu żaglowego

W jachcie żaglowym silnik elektryczny pełni nieco inną rolę niż w łodzi motorowej. Najczęściej nie służy do długiego pływania z dużą prędkością, ale do manewrów portowych, wyjścia z mariny, podejścia do kotwicowiska albo awaryjnego wsparcia, gdy zabraknie wiatru. Właśnie dlatego przy doborze napędu ważniejsza od samej „mocy maksymalnej” jest przewidywalność pracy, zapas energii w akumulatorach, łatwość obsługi oraz możliwość bezpiecznego manewrowania przy niskich prędkościach. Najciekawszy wątek to hydrogeneracja niektóre z silników potrafią ładować baterię podczas żeglugi pod żaglami, a te bardziej zaawansowane potrafią doładować nie tylko baterię „trakcyjną” służącą jako „paliwo” do pracy, ale też hotelową. Czyli napęd hybrydowy żaglowo-elektryczny

Producenci silników tacy jak Honda, Mercury itp – już od dobrych 5-10 lat mają w ofercie i silniki elektryczne.

Akumulatory, zasięg i mit „ile to pływa?”
Trzeba mocno podkreślić, że czas pracy zależy od kadłuba, obciążenia, wiatru, fali, prądu, temperatury i stylu pływania. ePropulsion podaje dla Spirit 1.0 test na 12-stopowej aluminiowej łodzi: od 36 h 25 min przy 35 W do 1 h 15 min przy 1000 W, ale zaznacza, że rzeczywiste wyniki zależą od warunków.

Przykładowe rozwiązania rynkowe
To będzie kiedyś najlepsza sekcja porównawcza. Dziś – tak średnio i wymaga rozbudowy. W tabeli poniżej jest kilka dość przypadkowych ale łatwych do znalezienia silnikow: Torqeedo Travel XP, ePropulsion Spirit 1.0, Mercury Avator, Minn Kota Endura, ePropulsion I-Series i Oceanvolt ServoProp. [niestety nie jest to tekst sponsorowany, ale chętnie przetestujemy rozwiązania – hej, producenci! odezwijcie się!]

Źródła do tabeli: ePropulsion Spirit 1.0, Torqeedo Travel XP, Minn Kota Endura, Mercury Avator, Oceanvolt ServoProp i ePropulsion I-Series. (epropulsion.com – sorry, za darmo linka nie ma)

Analiza techniczna wydajności i mocy silników elektrycznych do łodzi i jachtów

Przy doborze napędu elektrycznego do jachtu turystycznego nie należy kierować się wyłącznie suchymi danymi dotyczącymi mocy w kilowatach (kW). Kluczowym parametrem w środowisku wodnym jest moment obrotowy i siła uciągu. Silniki elektryczne charakteryzują się niemal płaską krzywą momentu obrotowego, co oznacza, że pełna moc jest dostępna natychmiast po uruchomieniu, w przeciwieństwie do silników spalinowych, które muszą osiągnąć odpowiednie obroty, aby efektywnie napędzać śrubę.

Klasyfikacja mocy napędów elektrycznych

W praktyce rynkowej wykształcił się podział napędów elektrycznych ze względu na ich optymalne zastosowanie:

Warto zauważyć, że silnik elektryczny o mocy 10 kW jest często porównywany pod względem uciągu statycznego do silnika spalinowego o mocy 20-30 KM. Wynika to z możliwości zastosowania śrub o większej średnicy i większym skoku, co w jednostkach wypornościowych (jak większość jachtów turystycznych) przekłada się na wyższą sprawność napędową.

Pędniki uciągowe i ster strumieniowy

Ciekawym rozwiązaniem w eko-jachtingu są silniki uciągowe montowane na płycie kawitacyjnej silnika spalinowego. Pozwalają one na ciche i precyzyjne manewry w marinie bez konieczności uruchamiania głównej jednostki spalinowej. Dodatkowo, nowoczesne jachty turystyczne coraz częściej integrują elektryczne stery strumieniowe z głównym systemem zarządzania energią, co zapewnia niemal chirurgiczną precyzję podczas cumowania, nawet przy silnym wietrze bocznym.

Systemy magazynowania energii – chemia i bezpieczeństwo

Krytycznym elementem, a zarazem w prywatnej opinii autora, (który jest z wykształcenia elektronikiem) najsłabszym ogniwem każdej instalacji elektro-jachtowej jest bank akumulatorów. W ostatnich latach nastąpiło przejście od ciężkich i mało wydajnych akumulatorów ołowiowych i AGM ku technologiom litowym. W jachtingu rekreacyjnym coraz częściej pojawiają się dwa rodzaje akumulatorów: LiFePO4 (litowo-żelazowo-fosforanowe) oraz NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe), a wybór między nimi determinuje bezpieczeństwo i trwałość całego systemu. Z wad – dalej się zużywają, dalej w okresach niskich temperatur dają wydajność o połowę mniejszą niż latem, ale mam nadzieję, że w przeciągu dekady będzie tylko lepiej.

Analiza porównawcza LiFePO4 vs NMC

Ogniwa LiFePO4 (LFP) są uważane za standard w instalacjach jachtowych montowanych na stałe ze względu na ich wyjątkową stabilność chemiczną. Z kolei ogniwa NMC znajdują zastosowanie w przenośnych silnikach zaburtowych, gdzie kluczowa jest masa i kompaktowość.

Ograniczenia napędów elektrycznych

Tutaj warto napisać uczciwie i wprost, że jest dokładnie tak jak z autami elektrycznymi 10 lat temu. Elektryk jest świetny przy małych prędkościach i rejsach dziennych, ale długie pływanie pod wiatr „na pełnym gazie” szybko zjada baterię i ciężko jest o stacje szybkiego ładowania

Ale dość o narzekaniu, bo silniki elektryczne mają swoje zalety – silnik elektryczny nie tylko zjada prąd, ale też go produkuje i teraz to co najciekawsze czyli:

Hydrogeneracja – odzyskiwanie energii z ruchu wody

Jednym z najbardziej innowacyjnych aspektów elektro-jachtingu jest wcześniej wymieniona możliwość zamiany jachtu w pływającą prądnicę podczas żeglugi pod żaglami. Proces ten, zwany hydrogeneracją (lub regeneracją hydroelektryczną), polega na wykorzystaniu pędu jachtu do napędzania śruby, która w tym trybie pracuje jako turbina wodna, generując prąd i ładując akumulatory.

Technologia Oceanvolt ServoProp

Jednym z liderów w dziedzinie hydrogeneracji jest firma Oceanvolt, której systemy ServoProp wyznaczają standardy wydajności. Kluczem do sukcesu jest zastosowanie śruby o zmiennym skoku, której łopaty mogą obracać się o 360 stopni.

Sprawność hydrogeneracji zależy przede wszystkim od prędkości jachtu. Moc generowana przez system rośnie proporcjonalnie do sześcianu prędkości, co sprawia, że przy szybkim żeglowaniu uzyski energii są imponujące:

Analiza ekonomiczna – napęd elektryczny vs spalinowy

Mimo że początkowy koszt zakupu napędu elektrycznego jest wyższy niż w przypadku tradycyjnego silnika Diesla czy benzynowego, analiza całkowitego kosztu posiadania (TCO – Total Cost of Ownership) w perspektywie 10-letniej eksploatacji wykazuje przewagę rozwiązań eko-jachtowych. Niestety, rzeczywistość nie jest tak piękna, gdyż przy rzadkiej sieci ładowarek elektrycznych (nie sądzę by przez noc z portowego słupka dało się naładować houseboata na cały dzień żeglugi oraz wyczerpujących się złożach litu które powodują wzrost cen baterii – koszt może być wyższy. komfort niższy, a wymiana ogniw na nowe po 10-15 latach, bardzo droga.

Grafika na podstawie zdjęcia Çağın KARGI / peexels na licencji CC. Autor jest z wykształcenia elektrykiem i elektronikiem oraz żeglarzem z zamiłowania i fanem elektromobilności. Autor nie otrzymał wynagrodzenia za informacje o wymienionych w artykule technologiach.