По воде на электричестве: как проектируют речной транспорт

Фото: Shutterstock

У городского электросудна есть расписание, пассажиры и запас энергии, который нужно пополнять между рейсами. Если зарядка занимает больше времени, чем предусмотрено на стоянке, судно не сможет выдерживать заданный интервал движения. Если увеличить батарею, вырастет масса, а вместе с ней изменятся осадка и расход энергии. Поэтому инженеры проектируют не только само судно: им нужно согласовать его работу с причалами, зарядными устройствами и маршрутом.

В Москве такая система уже перевозит пассажиров по регулярным речным маршрутам. На её примере разберёмся, как развивались электросуда, какие расчёты предшествуют первому рейсу и кто отвечает за работу транспорта на воде и берегу. Об этом рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

Маршрут начинается с расчёта

Город хочет соединить два района по реке. На карте можно отметить будущие остановки, но прежде инженерам и организаторам перевозок нужно ответить на множество вопросов. Сколько людей будут пользоваться маршрутом и как часто должно приходить судно? Сколько времени займут переход между причалами, посадка и высадка? Где разместить зарядку и хватит ли времени восполнить энергию до следующего рейса? Ответы определят число судов на линии, требования к их вместимости и береговой инфраструктуре.

Для прогулочного и городского электросудна эти требования различаются. На экскурсионном маршруте пассажиры проводят на борту больше времени, поэтому особенно важны обзор и устройство салона; между рейсами может быть длительная стоянка. Городское судно многократно повторяет один цикл: подходит к причалу, принимает людей и отправляется дальше по расписанию. Здесь на первый план выходят продолжительность рейса, удобство посадки и возможность быстро подготовиться к следующему отправлению. Конструктору задают не просто длину и скорость будущего судна, а условия его ежедневной работы.

Московские электросуда и плавучие причалы хорошо показывают связь этих решений. Верфь «Эмпериум» строила для городского проекта суда типа «Экобас» и причалы «Экостейшн». На стадии проектирования нужно было учитывать, как судно подойдёт к остановке, где пассажиры войдут на борт и каким способом батарея получит энергию. Конструкторы судна, специалисты по электроснабжению и организаторы движения решают части одной задачи. Ошибка в расчёте стоянки может сказаться на расписании так же заметно, как ошибка в выборе мощности двигателя.

Электросуда появились задолго до современных батарей

Идея привести лодку в движение электрическим мотором возникла ещё в XIX веке. Инженеры уже умели создавать электродвигатели и пробовали устанавливать их на небольшие суда. Главным затруднением было хранение энергии: аккумулятор должен был поместиться на борту и обеспечить достаточно долгий ход. Поэтому ранние опыты не могли сразу изменить всё судоходство. Они помогли поставить вопрос, который остаётся важным и сегодня: сколько энергии способно взять с собой судно и где оно получит следующую порцию?

В 1880-х годах электрические лодки ходили по Темзе. Для их работы понадобились не только моторы и аккумуляторы, но и места зарядки на берегу. Уже тогда становилось понятно, что речной электротранспорт зависит от инфраструктуры вдоль маршрута. На коротких поездках небольшие суда могли пользоваться преимуществами электрического хода, однако возможности аккумуляторов ограничивали их применение. За пределами таких условий паровые, а позднее и моторные суда оставались удобнее для многих перевозок.

В первой половине XX века двигатели внутреннего сгорания получили широкое распространение на речном транспорте. Топливо можно было взять на борт в количестве, достаточном для продолжительного рейса, а заправка не требовала создания зарядных пунктов вдоль каждого маршрута. Электрические двигатели при этом не исчезли из судостроения: инженеры продолжали использовать их в различных силовых установках. Но полностью аккумуляторному пассажирскому судну по-прежнему мешали масса батарей и ограниченный запас энергии. Чтобы изменить ситуацию, требовалось развивать и накопители, и оборудование для управления ими.

В последние десятилетия появились аккумуляторные системы, силовая электроника и средства контроля, позволяющие точнее управлять электрической установкой. Инженер теперь может наблюдать состояние отдельных частей батареи, ограничивать опасные режимы работы и рассчитывать зарядку под конкретный маршрут. Изменился и запрос городов: речной транспорт стали рассматривать как часть системы регулярных перевозок, а не только как способ провести прогулку по воде. Это вернуло старую идею в новых технических условиях. Современное электросудно отличается от лодки XIX века прежде всего возможностью связать батарею, управление, зарядную инфраструктуру и расписание.

В России примером такого подхода стали регулярные маршруты Москвы. Первый из них — «Киевский — Сердце столицы» — открылся 20 июня 2023 года. Судно на этом маршруте работает вместе с плавучими причалами, в которые встроена зарядная инфраструктура. Здесь особенно заметно, как изменился масштаб задачи за полтора столетия: инженеры рассчитывают не отдельную электрическую лодку, а работу флота в городском транспортном расписании.

От батареи до движителя

Энергия на борту электросудна хранится в аккумуляторах. Силовая электроника управляет её подачей к электродвигателям, а двигатели приводят в действие движители, которые толкают судно по воде. Одновременно работают освещение, вентиляция, связь, системы управления и другое оборудование. Каждому из них тоже требуется электричество. Поэтому запас батареи рассчитывают на работу всего судна, а не только на вращение движителей.

Электрический двигатель позволяет быстро менять режим работы, что важно при подходе к причалу и маневрировании. Во время движения на борту нет выхлопа от дизельного двигателя. При этом электричество для зарядки нужно произвести и доставить к берегу, а батареи — изготовить, обслуживать и впоследствии заменить. Воздействие транспорта на окружающую среду зависит от всей этой цепочки. Для проектировщика же первоочередной вопрос вполне конкретен: обеспечит ли выбранная система движение и работу всех судовых устройств на заданном маршруте?

Для своих проектов «Эмпериум» указывает применение литий-железо-фосфатных аккумуляторов — LiFePO4 — и системы управления батареей с балансировкой ячеек. Батарея состоит из множества элементов, и их состояние может различаться. Система следит за зарядом и разрядом, помогает удерживать работу элементов в допустимых пределах и выравнивать их состояние. Специалист по электрооборудованию подбирает защиту и управление, а конструктор корпуса предусматривает место для батарейных блоков и доступ к ним при обслуживании. Размещение важно ещё и потому, что масса аккумуляторов влияет на осадку и остойчивость судна — его способность сопротивляться наклону.

Сколько энергии нужно одному рейсу

Расход энергии на маршруте нельзя определить только по расстоянию между причалами. Судно разгоняется, меняет скорость, маневрирует и движется при разном течении и ветре. Число пассажиров тоже меняется в течение дня, а в холодное время дополнительная энергия требуется для отопления и работы других бортовых систем. Инженеры рассчитывают несколько режимов плавания и складывают потребление за весь цикл. Затем проверяют, сколько энергии останется после рейса и сколько можно восполнить на стоянках.

При этом запас энергии и мощность установки отвечают на разные вопросы. Запас показывает, как долго судно сможет работать до следующей зарядки. Мощность определяет, какую нагрузку способны в нужный момент обеспечить батарея, преобразователи и двигатели — например, во время разгона или манёвра. Установка может быть достаточно мощной, но не подходить для расписания, если энергия закончится раньше следующей зарядки. И наоборот, большой запас в батарее не заменит оборудование, способное выдержать требуемую нагрузку.

К рассчитанному расходу добавляют резерв на предусмотренные условия работы. Судну может понадобиться дополнительный манёвр или более длительное движение против течения; посадка и высадка иногда занимают больше времени, чем планировалось. Резерв помогает учитывать такие отклонения при составлении рабочего маршрута. Его размер, как и требуемый запас энергии, определяют для конкретного судна и условий эксплуатации. Поэтому показатель «сколько километров проходит электросудно на одной зарядке» мало говорит о его работе без сведений о скорости, погоде, загрузке и возможности подзарядки по пути.

Фото: Электросудно у московского причала: рейс зависит и от судна, и от береговой инфраструктуры. Источник: mos.ru

Причал становится частью энергосистемы

Для пассажира плавучий причал — место ожидания и посадки. Для инженера это ещё и участок энергоснабжения: электричество нужно подвести с берега, передать через зарядное оборудование и обеспечить безопасное соединение с судном. На московских маршрутах подзарядка предусмотрена во время остановок. Пока одни пассажиры выходят, а другие поднимаются на борт, судно может восполнять часть потраченной энергии. Продолжительность стоянки поэтому связана и с расписанием, и с возможностями зарядной системы.

Главный конструктор направления электроэнергетических систем НПК «Морсвязьавтоматика» Константин Жданов, работавший над оборудованием для пассажирских электросудов, описывал эту задачу так: «Важна интеграция с береговой зарядной инфраструктурой — суда должны быстро заряжаться во время коротких стоянок». Специалистам по судовому и береговому оборудованию приходится согласовывать электрические параметры, способы подключения и управление зарядкой. Их работа продолжается при монтаже и настройке систем на верфи, а затем — при проверке уже построенного судна на воде.

Маршрут «Киевский — Сердце столицы» позволяет увидеть эти расчёты в действии. Электросудно проходит между остановками, подходит к плавучему причалу, принимает пассажиров и продолжает движение. На берегу должна быть доступна энергия, а на борту — исправна система, которая принимает заряд. Организаторы перевозок рассчитывают интервалы и количество судов, специалисты по инфраструктуре следят за причалами, экипаж отвечает за подход и швартовку. Если остановка временно недоступна, приходится учитывать, как это повлияет и на движение пассажиров, и на энергетический план рейса.

Корпус тоже влияет на запас хода

Электрическая установка не отменяет обычных судостроительных расчётов. Корпус должен быть прочным, сохранять плавучесть и обеспечивать устойчивое положение судна на воде. Его размеры зависят от пассажировместимости, ширины водного пути, мостов и причалов. Форма корпуса влияет на сопротивление воды: чем больше усилий требуется для движения, тем быстрее расходуется энергия батареи. Поэтому конструкторы сопоставляют устройство корпуса с мощностью двигателей, вместимостью и продолжительностью маршрута.

Батарейные блоки нужно разместить так, чтобы сохранить удобство обслуживания и учесть распределение массы. Добавить аккумуляторы в свободное помещение готового судна недостаточно: они займут место, изменят осадку и положение центра тяжести. Задачи пассажирского салона тоже влияют на проект. Большие окна и просторные проходы делают поездку удобнее, но их размеры приходится согласовывать с конструкцией корпуса и размещением оборудования. Каждый выбор отражается на других частях судна.

Пассажирские электросуда поэтому могут заметно отличаться друг от друга. Прогулочный катамаран, судно для регулярного городского маршрута и небольшой речной теплоход рассчитаны на разное число людей, время в пути и условия зарядки. Среди проектов «Эмпериума» есть «Экокрузер», «Эковольт», «Экобас» и другие суда. Их объединяет электрическая тяга, но параметры одной модели нельзя переносить на другую. Инженер начинает работу с назначения будущего судна и маршрута, а уже затем выбирает форму корпуса и состав оборудования.

Фото: Строительство электросудов на верфи «Эмпериум». Источник: «Эмпериум».

Кто превращает расчёт в судно

Над проектом электросудна работает команда разных специалистов. Одни рассчитывают корпус, остойчивость и прочность, другие отвечают за батарею, электродвижение, управление и безопасность. Конструкторы пассажирских помещений продумывают посадку, обзор и размещение людей. Технологи определяют, как изготовить детали и в каком порядке собрать их на верфи. Общая цифровая модель помогает согласовать размеры и расположение систем, но затем решения проверяют на построенном судне — сначала при настройке оборудования, а потом на воде.

Путь Артёма Шатохина показывает, как может развиваться работа конструктора. Он пришёл в проектно-конструкторское бюро «Эмпериума» студентом и готовил дипломную работу по электросудам. Затем занимался остойчивостью, непотопляемостью, прочностью и техническими проектами судов, позже возглавил отдел и стал главным конструктором бюро. Сергей Назаров начинал инженером-конструктором корпусного отдела, а затем стал главным конструктором проекта «Экобас». В обеих историях опыт начинается с конкретных инженерных задач и постепенно приводит к ответственности за решения целой команды.

Эти решения часто требуют выбора между желаемыми характеристиками. Дополнительная батарея увеличит запас энергии, но вместе с ним — массу судна. Более высокая скорость может сократить время рейса, однако потребует большей мощности и изменит расход энергии. Просторный салон удобен для пассажиров, но его размеры нужно согласовать с корпусом и оборудованием. Конструктор сравнивает варианты расчётом и объясняет, что изменится в работе судна при каждом из них. Затем коллегам на верфи предстоит изготовить конструкцию, установить системы и проверить результат.

Где начинается путь в профессию

Школьнику, которого интересуют электросуда, пригодятся физика, математика и навыки работы с чертежами и моделями. Попробовать себя можно на учебной задаче: придумать два речных маршрута, один с длинными переходами, другой — с частыми остановками и зарядкой, а затем сравнить их расписания. Сколько судов понадобится каждому маршруту? Как изменится работа, если на одной остановке нельзя будет зарядить батарею? Даже простой расчёт показывает, почему проектированием судна занимаются вместе с планированием перевозок.

Продолжить обучение можно по направлениям судостроения, электротехники, автоматизации и транспортных систем в колледжах и университетах. Для будущего конструктора полезна практика, на которой можно увидеть связь чертежа с работой верфи. «Эмпериум», например, сотрудничает с Санкт-Петербургским государственным морским техническим университетом и развивает работу со студентами в проектно-конструкторском направлении. О конкретных возможностях практики стоит узнавать в своём учебном заведении и у предприятий: задачи могут быть связаны с корпусом, электроснабжением, цифровым моделированием или испытаниями.

Верфи нужны и специалисты рабочих профессий. Сборщики и сварщики строят корпус, электромонтажники устанавливают оборудование, испытатели проверяют судно на воде. После передачи флота перевозчику работу продолжают экипажи и службы, которые обслуживают суда и причалы. Будущему инженеру полезно знакомиться с каждой из этих задач: чертёж должен быть понятен человеку, который изготовит деталь, а система зарядки — тем, кто будет пользоваться ею на маршруте. Чем раньше студент увидит, как судно строят, испытывают и готовят к рейсу, тем яснее станет, какую часть этой работы он хочет освоить.