Prikaz dva solarna plovila s elektromotornim pogonom u sustavu propulzije

Ove godine od 5. do 8. srpnja 2023 održalo se deseto prestižno međunarodno natjecanje “Monaco Energy Boat Challenge“ u organizaciji „Yacht Club de Monaco“ u kneževini Monako. Predsjednik kluba organizatora je knez Albert II koji potpuno jednostavno kaže: „Faced with the climate emergency it is imperative that living proof of progress replaces the promises.“ Malo slobodniji prijevod ove misli mogao bi biti: suočeni s klimatskim promjenama dužnost nam je djelima zamijeniti obećanja. Razlog postojanja ovog natjecanja je pokazati stanje razvoja tehnologije sustava s elektromotornom propulzijom pogonjenom čistim, zelenim izvorima energije i osvijestiti da već postoje takva plovila na tržištu. Slično kao i u ostalim društvenim područjima i za djelatnosti vezane uz more provlači se slogan potrebnih promjena: True Blue Transition.

Foto: Schrack Technik

O natjecanju

Natjecanje se provodilo sukladno opsežnim pravilima natjecanja s plovilima u tri skupine:

• U skupini SOLAR CLASS natjecalo se 12 posada u nekoliko disciplina. Prema pravilima osim dimenzija plovila, snage elektromotora, kapaciteta baterije jedini izvor energije za vrijeme plovidbe za dopunjavanje baterije smiju biti solarni moduli na plovilu. Plovilo je startalo trku s napunjenom baterijom.
• U skupini ENERGY CLASS natjecalo se 15 posada, isto u nekoliko disciplina. Organizator je osigurao katamaranski trup, jednak za sve sudionike. Trup je dizajniran da bude u skladu s francuskom kategorijom C, što znači da je trup izgrađen da izdrži vjetrove do 6 Beauforta i visinu valova do 2 m. Natjecateljski tim je morao osmisliti, donijeti i na predviđena prihvatna mjesta trupa ugraditi upravljački kokpit sa sustavom propulzije koji je uključivao spremnik energije do 10 kWh (baterija, vodik, gorive ćelije, zamašnjak). Jedan od izazova bio je sa zadanom količinom energije postići što bolje parametre plovidbe koji su se ocjenjivali.
• U skupini OPEN SEA natjecalo se 19 brodica do 12 m s obnovljivim izvorima energije za propulziju, a koje su morale moći prevoziti barem 3 osobe. Ove su brodice morale biti CE certificirane po klasi C ili ako još nije bila certificirana morao ju je odobriti tehnički komitet organizatora. Za ove dvije podskupine su bila odvojena natjecanja. Upravo u OPEN SEA skupini željelo se privući i postojeće „komercijalne“ proizvođače kako bi posjetitelji vidjeli stanje tržišta, a ne samo sveučilišne razvojne projekte.

Ovo jubilarno deseto natjecanje je okupilo 25 država iz cijelog svijeta, 31 sveučilište, 46 natjecateljskih ekipa (od čega 7 ekipa s primjenom vodika) i 19 komercijalno dobavljivih „zelenih“ brodica. Moglo se vidjeti djelovanje i za natjecanje posebno pripremljenog E-pristaništa spremnog za punjenje spremnika energije plovila (električnom energijom i vodikom), prisustvovati izlaganjima primijenjenih inovativnih i komercijalnih tehničkih rješenja plovila na prigodnoj konferenciji, prisustvovati okruglom stolu o primjeni vodika, isprobati alat za procjenu utjecaja brodice na okoliš u životnom vijeku brodice (life cycle assessment tool) ili nazočiti susretu studenata s budućim poslodavcima (career day).

Nastup Hrvatske na natjecanju

Na ovom natjecanju za Hrvatsku je nastupila Udruga primijenjenih tehničkih znanosti iz Rijeke s brojnim članovima udruge potpomognuta vanjskim suradnicima, sponzorima i podupirateljima. Ova udruga je naš (Schrackov!) stari „znanac“. U ljeto 2021. na zamolbu voditelja udruge Ljubomira Pozdera i Petra Topljaka podržali smo ih bez razmišljanja u zadnji čas (iako nikoga od njih nismo poznavali!) tek dijelom električne opreme za plovilo “Delta One”. Kako se radi o mladim ljudima željnim znanja i iskustva, entuzijastima, neopterećenim strahovima i autoritetima, ne čudi da su osvojili 3. mjesto u utrci ubrzanja, a za zalaganje i trud dobili su posebnu nagradu žirija „Coup de Coer“ (u slobodnom prijevodu to je nagrada žirija koju dobiva samo jedan tim i izvan je svih kategorija natjecanja tj. to je nagrada za „nešto posebno“). Time je potvrđeno da su s najmanjim budžetom (8.000 €) napravili više od onih koji su imali i do pedeset puta veći budžet! U ljeto 2022. podržali smo ih električnom opremom za rekreativno plovilo za utrke “TEREDO NAVALIS”, o čemu smo već pisali. No te, prošle godine, došlo je do prodora mora u motor na početku natjecanja što je za njih značilo i kraj natjecanja. No to ih nije obeshrabrilo pa su se ove 2023. godine odlučili natjecati čak u dvije skupine i to s plovilom TEREDO NAVALIS u skupini SOLAR CLASS i s plovilom MALO VITRA u skupini SOLAR ENERGY CLASS. O natjecanju, timovima i o plovilima su izvijestili mnogi mediji. Ovdje u članku se predstavljaju samo električna rješenja i to u dijelu u kojem smo pokušali našim iskustvom, onako iz prikrajka, pomoći ovim vrijednim mladim ljudima. Zbog cjelovitosti prikaza električnih rješenja oba plovila ponovit će se već poznat opis električne opreme plovila TEREDO NAVALIS i opisati za ovu godinu realizirano rješenje novog plovila MALO VITRA.

Plovilo TEREDO NAVALIS

Plovilo ima M-trup koji stvara pramčani val kao i svako plovilo, ali taj val odmah hvata svojim krutim bočnim rubovima, tjerajući ga da spiralno kruži kroz tunele trupa. Ondje se miješa sa zrakom kako bi se stvorio pjenušavi jastuk koji gura trup iznad fluida, stvarajući hidrodinamički i aerodinamički uzgon, koji pak smanjuje otpor i povećava brzinu. M-trup eliminira ograničenja brzine poludeplasmanskih plovila što je veliki napredak u dizajnu trupa jer što je veći tlak u tunelima trupa, brod se više izdiže iz vode, brže ide i ima manji gaz. Ove godine na ovaj inovativni trup dogradili su hidrokrila kao ključnu ovogodišnju inovaciju. Plovilo je ukupne duljine 6,83 m, širine 1,3 m, izrađeno tehnologijom vakuumske infuzije u ženskom kalupu, slika 1.

Foto: Schrack Technik

Elektro oprema plovila TEREDO NAVALIS

Koncept električnog sustava plovila sukladno uvjetima organizatora natjecanja temelji se na ekološkoj održivosti i energetskoj neovisnosti plovila, slika 2. Zahtjev ekološke održivosti ispunjen je tako što plovilo ne ispušta CO2 u atmosferu. Zahtjev neovisnosti ispunjava se tako što je jedini dopušteni izvor energije za vrijeme natjecanja sama sunčeva energija iz fotonaponskih modula koji ne smiju zauzimati više od 6 m2 i energija pohranjena u bateriju kapaciteta do 1,5 kWh. Baterija nije smjela imati napon veći od 60 V. Ova ograničenja su za sve natjecatelje jednaka, slika 2.

Foto: Schrack Technik

Na palubi plovila smještena su dva polja fotonaponskih modula. Pramčano polje serijski spojenih 6 modula ima 744 Wp, a krmeno polje 5 serijski spojenih modula ima 620 W. Svako polje spojeno je na svoj regulator punjenja Victron MPPT SmartSolar 100/20. Izlazi MPPT-ova spojeni su preko releja za sigurnosno isključenje i rastalnih osigurača na LFP bateriju napravljenu u samogradnji električarskog tima UPTZ-a iz LiFePO4 ćelija LithiumWerks 26650 ANR26650M1-B. Kako je organizator propisao i napon područje i kapacitet baterija, baterijski slog je riješen kao 14 serijski povezanih ćelija što pruža radno područje napona od potpuno punih baterija pri 50,4 V do potpuno praznih s 35 V. Takvih 13 slogova (po 14 ćelija) spojeno je u paralelu, slika 3. Punjenje i pražnjenje baterija nadzirano je preko BMS-a (engl. battery management System). I baterija i odgovarajući spoj BMS s baterijama je dokaz da se i samo gradnjom može do cilja, slika 3.

Foto: Schrack Technik

U istom kućištu s baterijom na plus priključku baterijskog sloga smješten je class T rastalni osigurač s velikom prekidnom moći. On može prekinuti i do 22 kA struje kratkog spoja, a da se pri tome ne ošteti, tj. ne eksplodira. To je važno kako se pri prekidanju struje kratkog spoja ne bi stvorio električni luk koji može dovesti do zapaljenja okoline osigurača. LFP baterije imaju vrlo mali unutarnji otpor i stoga velike struje kratkog spoja, reda 10 do 15 kA. U nastavku na rastalni osigurač spojen je sigurnosni relej kojim se može isključiti bateriju iz strujnog kruga i pri nazivnom radu motora. Minus sabirnica baterije spojena je preko mjernog otpornika s ostatkom razvoda. Ovaj mjerni otpornik dio je uređaja Victron Smart shunt preko kojeg se daljinski očitava u realnom vremenu stanje baterije. Propulzijski sustav izveden je kao azimutni potisnik s „pod“ motorom. Korišten je izmjenični sinkroni motor s permanentnim magnetima bez senzora (engl. sensorless brushless direct current, sensorless BLDC). Motorski izmjenjivač je uređaj kojim se napaja motor energijom iz baterija i precizno upravlja brzinom vrtnje osovine motora. Na upravljačkom sučelju postoje upravljački kontakti kojima se može izabrati unaprijed podešena brzina vrtnje motora. Osnovni podaci motora su: Maytech MTI65162 100 KV, najveća struja 300 A, nazivna snaga 8,9 kW, 100 okr/V, napon 25 do 126 V. Osnovni podaci izmjenjivača Trampa VESC 100/250, izmjenjivač za pogon BLDC motora, 250 A trajno, najveća struja 350 A, najveći ulazni napon 100 V DC. Električna oprema ugrađena je u vodonepropusne kutije. Vodonepropusnost je suprotna potrebama hlađenja ovih uređaja, tako da je tu bilo potrebno dovitljivosti kako bi se uređaj hladili, a opet bili zaštićeni od grubih, morskih uvjeta u plovilu. Za praćenje tijeka energije iz i u bateriju u sustav je ugrađeno nadzorno računalo Cerbo GX, proizvođača Victron Energy koje je preko VE.Direct sabirnice spojeno s oba MPPT regulatora i s mjernim otpornikom ispred baterije. Tako Cerbo GX ima uvid u energiju koja ulazi ili izlazi iz baterije. Također ima na sebi spojene temperaturne osjetnike koji su smješteni unutar baterijskog paketa i na kućište motora koji je smješten u čahuru azipoda. Na plovilu spojen je i zaslon osjetljiv na dodir preko kojeg se očitava stanje sustava i za vrijeme vožnje u plovilu. Cerbo GX-a spojen je na GSM modem preko kojega se sve varijable prate daljinski na besplatnom VRM mrežnom portalu. Svaki uređaj ima svoje varijable i one se spremaju u zadanom vremenskom ritmu i pamte 6 mjeseci. Za vrijeme natjecanja to može biti korisno jer tim na obali može razrađivati taktiku za vozača, naime vozač u plovilu ima pravo na radio vezu s timom za vrijeme natjecanja. Na GX modem priključena je i aktivna GPS antena pa se tako može daljinski pratiti i vožnja plovila. Tu su i releji koji služe za isključenje sustava prilikom mirovanja plovila ili primjerice kaljužna pumpa pri situacijama prodora mora. U ovom sustavu postoje tri releja, a za njihovo napajanje je iskorišten DC/DC pretvarač koji snižava napon baterije 48 VDC na radni napon svitaka releja 12 VDC. Jednaki releji su postavljeni u svaki pozitivni priključak nizova solarnih modula i pritiskom „gljive“ prekidaju napajanje MPPT-ova iz fotonaponskih modula, a time i punjenje baterije. Treći relej prekida pozitivni pol motora i uzrokuje isključenje baterije od ostatak instalacije. Kaljužna pumpa radi na 12 VDC i ima riješeno automatsko uključenje ili isključenje preko plovka i električnog kontakta spojenog na plovak.

Rezultat TEREDO NAVALIS plovila

Iako je ove godine plovilo dodatno opremljeno hidrokrilima ipak nije se uspjelo izdignuti iz mora. TEREDO NAVALIS završio je natjecanje na 8. mjestu od ukupno 13 timova, slika 4. Zgodno je primijetiti da su iz Nizozemske u ovoj skupini došla čak četiri tima i zauzela prva tri mjesta. Sve discipline TEREDO NAVALIS prošao je bez prednosti koje daju hidrokrila. Uvjeti na moru bili su teški, dignuo se jak vjetar i valovi pa hidrokrila jednostavno nisu „proradila“. No uz nastavak rada na poboljšanju mehanizma za upravljanje plovidbom na krilima, dogodine će pokušati ponovno. Jedan od razloga bio je što nema mnogo osoba koje se intenzivno bave tim područjem, a voljni su podijeliti svoje znanje, pogotovo ne u Hrvatskoj, pa je tim sve morao otkrivati samostalno.

Foto: Schrack Technik

Plovilo MALO VITRA

Plovilo je katamaranskog tipa i u vožnji ne ostavlja CO2 otisak niti ostale ispušne plinove. Pogonski sustav temelji se na: fotonaponskim monokristalnim modulima ukupne površine 2,1 m2, LiFePO4 bateriji i izvanbrodskom motoru E-propulsion Navy ukupne snage 6 kW koji radi na 48 V s namjenski projektiranim propelerom, slika 5. Ukupna duljina plovila je 5 m, a širina 2,5 m i ima ukupnu masu dva trupa i spojnih greda 60 kg. Natjecateljski tim je morao realizirati i donijeti kokpit i pogonski sustav i potom ga ugraditi na spojne grede od organizatora dobivenog trupa.

Kokpit je napravljen u vakuumskoj infuziji u kalupu. Ukupna masa samog kokpita je 32 kg, a ukupna masa pilota, panela, motora, baterije, elektronike (bez oba trupa i spojnih greda) iznosila je 246 kg. Cijela masa plovila je tako 306 kg što je bilo tek 4 kg manje od pravilima skupine dopuštene najveće mase! Propeler je samostalno projektiran i napravljen tehnologijom digitalnog tiska.

Foto: Schrack Technik

Elektro oprema plovila MALO VITRA

Na plovilu je postavljeno devet fotonaponskih modula ukupne snage 422 Wp. Njihov spoj u sustav je provjeren preko digitalnog alata „Victron MPPT calculator“, slika 6. Podaci modula upišu se u alat, izabere se napon sustava i provjerava se naponski i strujni „prozor“ za odabrani regulator punjenja baterije. Struja koju proizvode moduli, na razini napona punjenja baterije, ne bi trebala prijeći nazivnu struju regulatora punjenja. Ako bi struja modula prelazila nazivnu struju regulatora punjenja, regulator bi je sam ograničio na nazivnu, tj ne bi došlo do kvara uređaja, ali dio iz modula raspoložive energije ostao bi neiskorišten. Napon spojenih modula mora biti ispod razine ulaznog napona regulatora punjenja. Ako bi napon modula bio veći od ulaznog napona regulatora punjenja, regulator bi se nepovratno uništio. Ovim postupkom provjeren je spoj u seriju svih 9 modula uz odabrani najmanji mogući regulator za 48 V, tj.: Victron MPPT Smart Solar 150/35. Ovaj regulator ima 150 V najveći dozvoljeni ulazni istosmjerni napon i 35 A najveću struja punjenja baterija.

Foto: Schrack Technik

Moduli su spojeni preko sigurnosnog releja na regulator punjenja baterije MPPT Smart Solar prema pravilima skupine gdje se zahtjeva da se pritiskom na gljivu mogu isključiti moduli iz instalacije. Regulator punjenja spojen je na sabirnički modul Lynx power in. DC/DC pretvarač služi za prilagodbu naponske razine s 48 V na 12 V za primjerice kaljužnu pumpu i sva ostala 12 V trošila. I ovo plovilo se daljinski nadzire preko GSM modema i nadzornog računala Cerbo GX koje skuplja sve informacije sustava. GSM modem šalje informacije na besplatni Victron Remote Management mrežni portal. Tu je i GPS antena tako da se može daljinski pratiti i putanja plovila. Osnovu sustava čine 2 LFP baterije svaka po 200 Ah i 25,6 V.

Foto: Schrack Technik

Baterije su spojene preko informacijskih kabela na uređaj za nadzor baterija Lynx Smart BMS, slika 7. BMS uređaj štiti bateriju od predubokog pražnjenja ili prekomjernog punjenja na razini ćelija baterije. U prvoj razini zaštite beznaponskim kontaktom može isključiti DC/DC pretvarač i sva pripadna trošila, a preko DVCC funkcije postavljene u nadzornom računalu Cerbo GX i regulator punjenja MPPT smart solar. U drugoj razini zaštite, zaštitno se isključuje punjenje ili pražnjenje baterije ugrađenim sklopnikom u plus vodu BMS-a. Također u minus vod Lynx Smart BMS-a ugrađen je i mjerni otpornik za mjerenje struje koja ulazi ili izlazi iz baterije. Upravljanje sklopnikom Lynx smart BMS-a moguće je daljinski bez naponskim kontaktom. Ovo je poslužilo za ispunjenje pravila skupine da se baterija mora moći isključiti pritiskom na tipkalo. Između baterije i Lynx Smart BMS-a nalazi se rastalni osigurač 250 A tipa Class T koji ima dovoljnu prekidnu moć za struje kratkog spoja i do 22 kA. Posebnosti Lynx Smart BMS-a će se obraditi u posebnom nastavku serijala. Oprema je smještena i ovdje u vodonepropusne kutije unutar kokpita, slika 8.

Shema je razrađivana i diskutirana nekoliko puta, a onda se oprema i naručila. No tek kad je oprema došla u Rijeku spoznalo se da bi se s četiri baterije premašilo ukupnu dozvoljenu energiju na plovilu od 10 kWh, pa je plovilo bilo opremljeno posuđenom E-propulsion LFP baterijom E175 ukupnog kapaciteta 9 kWh, a postojeći Lynx Smart BMS odgovarajuće prilagođen za prihvat nove baterije.

Foto: Schrack Technik

Rezultat plovila MALO VITRA

U ENERGY CLASS skupini bilo je nekoliko izazova: utrka izdržljivosti od 4 sata, slalom vožnja i utrka jedan na jedan po eliminacijskoj shemi dok se ne dobije pobjednik. Na natjecanju je sudjelovalo 13 timova iz cijelog svijeta.

U najzahtjevnijoj utrci izdržljivosti uz valove i do 1,5 m osvojili su nevjerojatno 3. mjesto, a na vožnji slaloma i eliminacijskoj utrci postigli su 5. mjesto što im je u kombinaciji donijelo 4. mjesto u skupini, slika 8. Čestitke!

Foto: Schrack Technik

Zaključak – osobni stav

Rad na projektu TEREDO NAVALIS i MALO VITRA prije svega je opet bio užitak zbog silnog entuzijazma mladih ljudi u projektu. Ne spominjem sva njihova imena jer ih zapravo ne znam! To jedno jutro u Rijeci na puštanju opreme za MALO VITRA u pogon s elektro timom (Damir Lukšić, Stefano Beaković i Martin Mozetič) vidio sam s koliko mara i entuzijazma svi rade oko oba plovila. Kao jedan. Taj dan je bila i službena prezentacija projekta tako da je sve moralo biti top, a i TEREDO NAVALIS je išao zbog toga u more na demonstracijske vožnje.

Na službenoj prezentaciji na koju me pozvao sad već dragi prijatelj i jedan od voditelja udruge Ljubomir Pozder, nisam ostao. No otišao sam s potpunim mirom jer je sve proradilo na vrijeme i s velikom sigurnošću da smo napravili jako dobru stvar i da će timovi „rasturiti“ na natjecanju. Nisam pogriješio. Pogledajte energiju tog tima na natjecanju, slika 10! Zahvaljujem se Ljubomiru na dijelu slika za ovaj članak snimljenih u Monaku i da smo imali čast raditi za njih.

Foto: Schrack Technik

Ne mogu se oteti da bi se neka, možda skromnija verzija, mogla održati i kod nas. Zamislite koliko mjesta uz našu obalu bi moglo imati svoje natjecanje. Sigurno je bitno održavati natjecanje tradicijskih brodova, ali zašto ne iskoračiti? Toliko imamo „Boat show“ priredbi po našim lukama, ali zar nam je zaista na njima tek i samo trgovina suđena? Pa ova pionirski stečena iskustva i znanja mogla bi itekako biti korisna za našu malu brodogradnju. Mala brodogradilišta bi primjerice izradom trupa mogla privući mlade elektroničare iz srednjih škola i možda tako osigurati buduće zaposlenike električare. Mi smo spremni pomoći s opremom i znanjem, a vjerujem i poneki drugi trgovci bi rado uskočili, ako ne moraju previše raditi. Moglo bi se ponešto i od organizacije „prekopirati i prilagoditi“, primjerice tehnička i sigurnosna pravila natjecanja. Već godinama imamo utrke solarnih automobila što rade učenici i njihovi profesori u Sisku, gradu bez industrije. Na moru s najjačom čarter flotom na svijetu valjda netko treba održavati tu flotu koja se sigurno okreće prema čistim izvorima energije? Priredba se ne mora održavati u ljeto, već za vrijeme školske godine, tako da se dugi zimski mjeseci skrate učenjem novih vještina. Mi smo spremni pomoći i uključiti se, ali poziv ipak mora doći s Jadrana. Ima li na Jadranu još entuzijasta koji vole prenošenje znanja djeci i učenicima/studentima ili smo baš svi zaokupljeni gradnjom novih apartmana za sljedeću sezonu?

Tekst je nastao u Schrack Technik d.o.o., a moguća pitanja naslovite na [email protected]