Jaki powinien być jacht?
Wygodny, szybki, piękny, dzielny, bezpieczny?
Oczywiście najlepiej byłoby, gdyby projektowana jednostka spełniała te wszystkie kryteria. Przystąpienie do prac, zawsze zaczyna się od wsłuchania się w potrzeby zleceniodawcy, do czego dana jednostka będzie wykorzystywana i w jakich warunkach będzie pływała. Założenia stawiane projektowanej konstrukcji są więc zawsze kompromisem pomiędzy warunkami, jakie stawia przyszły użytkownik – właściciel, gdyż to jego wyobrażenie o tym, jaka ma być jego łódź, jest czynnikiem decydującym o decyzji, czy taką łódź kupi.
Firma zajmująca się produkcją jachtu czy łodzi stoi zatem przed nie lada wyzwaniem, próbując odnaleźć się we współczesnych trendach projektowych, musi uwzględniać preferencje klientów, ale także warunki użytkowania łodzi turystycznej, różne dla różnych akwenów. Czyniąc założenia projektowe, najczęściej ma do dyspozycji tylko uogólnione dane dotyczące wielkości łodzi i sposobu użytkowania. Inne kryteria musi spełniać łódź do turystyki rodzinnej z miejscami sypialnymi dla kilku osób, inne dla wędkarzy, a jeszcze inne łódź do pływania dziennego dla grupy turystów, gości hotelowych, czy wypożyczalni. Każda z nich, z racji unikalnych cech i narzuconych potrzeb, będzie posiadała inne wyposażenie pokładowe, a tym samym, uwzględniając ich sumaryczny ciężar wraz z wagą samego kadłuba, napędu i paliwa, musi mieć inną wyporność, a tym samym łódź może mieć inne zanurzenie. To z kolei przesądza o jej zdolności do poruszania się po danym akwenie, ale wpływa także na wiele innych czynników, jak jej zachowanie na wodzie: stateczność, opory ruchu, sterowność, podatność na dryf, stabilność kursową. Wyporność determinuje także wybór właściwej wielkości napędu, od którego zależy bezpieczeństwo manewrowania oraz ekonomiki eksploatacji – zużycia paliwa.
Ze względu na świadomość współczesnego społeczeństwa, odpowiednie Instytucje, narzucają coraz ostrzejsze obwarowania prawne, zmuszające do ciągłego poszukiwania nowych rozwiązań, prowadzących do minimalizacji ingerowania w środowisko naturalne. Podobne tendencje możemy zaobserwować w motoryzacji, gdzie wszystko zmierza do stosowania silników spalinowych o coraz niższej emisji spalin. Realizowana od lat Dyrektywa środowiskowa UE idzie jeszcze dalej, wyłączając coraz więcej akwenów z możliwości używania silników spalinowych w jednostkach pływających. Wymusza to na producentach, a w konsekwencji na projektantach jachtów, sięganie po niestandardowe, niestosowane dotychczas w konserwatywnym świecie wodniaków, napędy elektryczne, a stosowanie ich na wodzie staje się prawdziwym wyzwaniem. Żeby uzmysłowić czytelnikowi skalę problemu, z jakim muszą się mierzyć projektanci jachtów, przytoczę kilka liczb, które tylko śladowo pokazują skalę problemów:
Jest duża różnica pomiędzy poruszaniem się pojazdu w ośrodku takim jak powietrze (nawet z uwzględnieniem oporów toczenia po drodze), a takim ośrodkiem jak woda, której gęstość jest ponad 800 razy większa. Energochłonność poruszania się w każdym z ośrodków jest ściśle związana z prędkością. Nie tylko intuicyjnie, ale także z praktyki kierowcy wiemy, że spalanie jest ściśle związane z prędkością. Oczywiście te same zasady dotyczą poruszania się po wodzie. W przypadku stosowania zbiornika, w którym gromadzimy “przestarzałe” paliwa kopalne, jeden litr paliwa zawiera ok 10kWh energii definiowanej układem SI. Tak więc nasza zdolność do poruszania (także w wymiarze prędkości) jest ściśle związana z możliwym do zabrania na pokład zapasem paliwa, a także z szybkością, z jaką będziemy tym paliwem karmić nasz silnik. Stosując silnik elektryczny, musimy na pokład zabrać źródło prądu, zdolne do zasilenia naszego silnika. Takim źródłem jest oczywiście odpowiedni akumulator. Nie wdając się w szczegóły różnych jego konstrukcji (kwasowe, żelowe, litowo-polimerowe, litowo-jonowe). Każdy pakiet takich akumulatorów ma dwie najistotniejsze, z punktu widzenia projektowego, wyróżniki: ilość zgromadzonej energii oraz ciężar. I tu przykład: pakiet czterech akumulatorów żelowych, których wspólny ciężar wynosi 250kg, jest w stanie zmagazynować 12kWh energii, a to przecież niewiele więcej niż w jednym litrze paliwa pochodzącego ze źródeł kopalnych. Konsekwencje tego faktu niosą zmiany, których do końca nie są świadomi nasi klienci.
Łodzie i jachty z napędem mechanicznym użytkowane są w dwóch stanach pływania: wypornościowym, oraz hydrodynamicznym (popularnie zwanym ślizgiem). Do uzyskania marszowej prędkości w stanie wypornościowym przyjmuje się potrzeby energetyczne jachtu na poziomie 3kW/t masy jachtu. Dla pływania ślizgowego potrzeby wzrastają do ponad 70kW/t. Świadomość tego faktu jest często nierozumiana przez klienta, którego wyobrażenia o pływaniu jachtem motorowym wiążą się raczej z silnym odczuciem wiatru we włosach. Tymczasem kłóci się to ze współczesnymi trendami o wypoczynku na wodzie, a także koliduje, w większości wypadków, z lokalnymi przepisami o prędkości poruszania się po danym akwenie. Wiele mówi się o jak najmniejszej ingerencji w środowisko naturalne w obszarach wód śródlądowych, ale użytkownicy zapominają o fakcie, że dotyczy to także uwzględnienia występującej na obszarze flory i fauny. Dotychczas nikt nie zadawał głośno pytań, jak powstające fale, generowane przez szybkie łodzie, wpływają na siedliska i gniazda ptactwa wodnego. Zatem odejście od napędu silnikami spalinowymi wiąże się ze sporą ulgą dla przyrody. Z jednej strony brak dostających się do wody resztek paliwa, spalin, olejów z przekładni silnikowych. Z drugiej wymuszenie zmiany rekreacji na bardziej elegancką, spacerową i stateczną. Bez pospiechu. Jest jeszcze jeden przyjemny dla większości czynnik, o którym zapominają motorowodniacy. Jest nim cisza. Silnik elektryczny jachtu nie generuje praktycznie żadnego hałasu.
Wracając do barier, jakie muszą pokonywać projektanci, starając się migrować do napędów elektrycznych, jak wspomniałem wcześniej, pływanie łodzią elektryczną przypomina nieco organizowany cyklicznie “rajd o kropelce”. Zabieramy na pokład nasz wspomniany wyżej litr paliwa i staramy się z niego korzystać jak najdłużej – a bez problemu przepływamy na nim nawet 100km. Tak wysoko postawione bariery energetyczne wymuszają sięganie po technologie, które optymalizują każdy aspekt ruchu jachtu elektrycznego. Zmusza to projektanta do sięgania po bardzo zaawansowane narzędzia na etapie projektowania kształtu kadłuba. Aby szacować i optymalizować opory ruchu, dokonuje się symulacji numerycznych w mechanice płynów (ang. Computational Fluid Dynamics (CFD), często też sięga się po badania modelowe. Ale na tym nie kończą się procesy projektowe. Przechodzenie na napędy elektryczne zmusza firmy produkcyjne do współpracy z inżynierami o bardzo wysokich kompetencjach w zakresie wiedzy o stosowaniu i sterowaniu takimi napędami. Współczesny rozwój technologii napędów elektrycznych dokonał skoku rozwojowego w tym obszarze inżynierii. Okazuje się, że w zakresie optymalizacji pracy silników elektrycznych można osiągać po coraz lepsze wyniki wskaźnika sprawność/wydatek energetyczny poprzez specjalistyczne sterowniki silników. Podobnie zresztą dzieje się w branży samochodowej. Obecnie sięgamy jeszcze dalej. Zdając sobie sprawę z technologii produkcji silników prądu stałego, do których produkcji niezbędne są metale ziem rzadkich, a ich ilość w zasobach ziemi jest bardzo ograniczona. Konkurują o te surowce firmy rozwijające technologie akumulatorowe, ale także właśnie producenci silników prądu stałego, które do pracy potrzebują magnesów trwałych. Świadomi ciągle rosnących cen tych surowców, wdrażamy stosowanie silników indukcyjnych, których prosta budowa opracowana przez Nicola Teslę w 1887r, nie wymaga niczego poza stalą i miedzią. Do ich optymalnej pracy i sterowania wymagane jest stosowanie inwerterów i falowników (w uproszczeniu, urządzeń zajmujących się wytwarzaniem prądu przemiennego oraz sterowaniem częstotliwością). Ta dziedzina wiedzy także ma swoje tajemnice i najciekawszą z nich jest wektorowa kontrola parametrów silnika (ang. Field-Oriented Control FOC), która wymaga unikalnej wiedzy informatycznej z zakresu programowania przebiegów prądowych na poziomie samych maszyn. Technologia jest na tyle innowacyjna, że brak wciąż nadążającej za technologią literatury dotyczącej przedmiotowego tematu. Jako projektanci i inżynierowie sami opracowujemy odpowiednie narzędzia wspomagające te technologie. W naszych projektach uwzględniamy nawet postępujący rozwój tej technologii i implementujemy rozwiązania pozwalające na zdalny upgrade oprogramowania wraz z rozwojem naszej wiedzy z tego zakresu. Robimy to po prostu przez Internet. Zatem współczesna, elektryczna łódź przyszłości, działa czasami jak współczesny telefon komórkowy, który co jakiś czas sięga po nowe oprogramowanie, dzięki któremu uzyskuje nowe funkcje i pracuje lepiej. Na pokładzie projektowanych i budowanych łodzi pojawia się zatem coraz więcej zaawansowanego sprzętu, który kontroluje wszystkie systemy. Na pokładzie każdej naszej łodzi pływa nawet kilkanaście maleńkich komputerów, a dla ciekawskich dodamy, że całość pracuje pod kontrolą systemu Linux.
Otwiera to drogę do implementowania nowych i ciekawych funkcji, jak np. autonomiczne pływanie po wyznaczonych wcześniej trasach, możliwość zdalnego sterowania, czy znajomość pozycji łodzi , choćby przez telefon. Znajomość pracy wszystkich komponentów, stanu sprzętu, albo innych dowolnie wymyślonych parametrów. Właściciel łodzi może w czasie rzeczywistym mieć dostęp do wiedzy o tym gdzie jest jego jacht, z jaką prędkością płynie, jaki jest stan akumulatorów. Możemy nawet zrobić z naszej łódki stację pogodową, która poinformuje nas, przez telefon lub Internet, jakie warunki panują na akwenie, na którym nasza łódź stoi – temperaturę powietrza, wody, wilgotności, siły i kierunku wiatru. Możliwości wciąż wydają się nieskończone.
Nasza branża rozwija się niezwykle dynamicznie, zmienia się w niej wszystko. Niezmienne wydają się tylko prawa fizyki, stojące u podstaw projektowych, w tym prawo Archimedesa, dające dociekliwym odpowiedź na kluczowe pytanie: dlaczego łódź pływa?
Szymon Kempny – zajmuje się elektroniką i oprogramowaniem.
Sławek Czerwiński – człowiek renesansu, zajmuje się projektowaniem kadłubów i przeszkadzaniu przy pracy.
Stigma Yachts sp. z o.o.
80-755 Gdańsk, Szafarnia 11 lok. F8
https://stigmayachts.eu/
