Elektrificering af skibe
Indholdsfortegnelse
Om forfatteren
Eirik Nesse - direktør for marine fremdrift hos BOS Power.
Han har en BsC i elektronik fra Universitetet i Stavanger og har over 25 års erfaring fra den internationale telekommunikationsindustri, hvor han har haft forskellige stillinger hos mikrobølgeleverandøren Nera/Ceragon, senest som direktør for produktstrategi.
Siden 2018 har han helliget sig elektrificering af skibe og er en vigtig drivkraft inden for BOS Power, hvor han sikrer kvalitet og teknisk ekspertise inden for marine hybrid- og fuldelektriske kraft- og fremdriftssystemer.
Tiltænkt målgruppe
Denne artikel er skrevet til fagfolk inden for den maritime industri, som ønsker at få mere viden om teknologier relateret til elektrificering af marinefartøjer.
Det kan også læses af fagfolk fra tilstødende industrier, der ønsker at få en introduktion til de problemer, der står over for dekarbonisering af lette/hurtige fartøjer i den maritime sektor.
Sammenfatning
Vi står ved et afgørende punkt i den maritime industri. På den ene side har vi flagstaternes mål om at reducere udledningen og fremme grønnere løsninger til søs. På den anden side finder du tilgængelige løsninger til elektrificering, deres fordele og begrænsninger.
På trods af lokale skatte- og markedsincitamenter er det en kendsgerning, at du ikke bare kan udskifte dit dieselfremdriftssystem med nogle batterier og en elmotor.
Elektriske og hybride løsninger i den maritime sektor kræver et nyt sæt overvejelser og designprincipper for dit skib eller din flåde. Desuden er klasseselskaberne stadig i gang med at etablere sikkerhedsbestemmelser, standarder og certificeringer. Men vores udledninger skal ned, og på trods af visse begrænsninger er elektriske løsninger vejen frem.
Selv om det er et globalt problem, starter reduktionen af disse udledninger med lokale løsninger. Lokale myndigheder bør hjælpe med at drive udviklingen og implementeringen af energiløsninger med lav eller ingen udledning med de midler, de har til rådighed. Den private sektor spiller også en vigtig rolle ved at indføre nulemissionsløsninger og tilpasse deres driftsmodel til denne nye teknologi.
Derfor bestræber vi os på at informere og uddanne om den teknologi, der er tilgængelig i dag, samt nye produkter inden for hybrid- og elektriske løsninger til søs. Det holder os hos BOS Power på tæerne og gør os i stand til at levere de allerbedste skræddersyede fartøjer, der er optimeret til effektivitet og lavere emissioner. Det bidrager også til at opbygge en vidensbase for realistisk og pragmatisk politisk beslutningstagning i fremtiden.
Fremtiden er elektrisk, og selv om både teknologien, myndighederne og industrien skal modnes til dette nye paradigme, er vi mere end optimistiske med hensyn til fremtiden.
De bæredygtige løsninger, vi implementerer i dag, er afgørende for de miljømæssige udfordringer, vi står over for, men lægger også grundlaget for nye forretningsmodeller, industrier og tjenester.
Introduktion
Desværre er der ingen "silver bullet" i implementeringen af et hybrid- eller elektrisk fremdriftssystem. Det er derfor vigtigt at forstå begrænsningerne ved denne teknologi, og hvordan man vælger en optimeret løsning.
Den Internationale Søfartsorganisation (IMO) og de nationale regeringer har opstillet mål for at reducere udledningen af drivhusgasser (GHG) fra skibsfartssektoren.
I en undersøgelse fra 2020 konkluderer IMO, at skibsfartens andel af den globale menneskeskabte udledning i 2018 er ca. 2,9 % i form af kuldioxid (CO2), metan (CH4) og lattergas (N2O). Disse gasser kommer fra forbrænding af fossile brændstoffer for at give skibet strøm til fremdrift og andre formål.
Selvom det er et globalt problem, som omfatter hele skibsfartssektoren (international, national og fiskeri), kræver reduktion af disse udledninger løsninger, der passer til den lokale situation.
Udviklingen og implementeringen af energiløsninger med lav eller ingen udledning kan være drevet af økonomiske incitamenter/beskatning af udledning, eller incitamenterne kan være markedsdrevne. Et eksempel på markedsdrevne incitamenter er økoturisme, hvor en tur på et stille, emissionsfrit sightseeingfartøj giver mere værdi for kunderne sammenlignet med et mere konventionelt dieseldrevet fartøj.
Hvordan kan skibsdesignere, -ejere og -byggere bidrage til at reducere udledningen fra driften af skibene?
Hvad angår vejtransportsektoren, vil elektrificering af kraftsystemerne i form af hybrid- eller fuldelektriske kraftsystemer resultere i reducerede udledninger, forudsat at energien kommer fra vedvarende kilder.
Kort sagt betyder det i øjeblikket, at man indfører batterier til at lagre elektrisk energi, samtidig med at man erstatter noget (eller al) energien fra fossile brændstoffer.
Desværre er der ingen "silver bullet" til at implementere et hybrid- eller elektrisk fremdriftssystem. Det er derfor vigtigt at forstå begrænsningerne ved denne teknologi, og hvordan man vælger en optimeret løsning.
Fremdriftssystemer
Der er ingen klar skelnen eller industristandarder, der definerer begreberne hybrid- og elektriske fremdriftssystemer.
Hybrid, som betyder afkom af to eller flere elementer, har tydeligvis både en elektrisk del og en konventionel del (diesel). Men denne kombination kan tage forskellige former.
BOS Power bruger udtrykket "hybrid fremdriftssystem", når propellen kan drives mekanisk af en dieselmotor (Diesel Mode) eller af en elektrisk motor (Electric Mode), der er forbundet med et fælles gear mellem dieselmotoren og propellerlinjen.
Propellen kan også drives af begge systemer i kombination (Boost-tilstand). "Elektrisk fremdrift" bruges til at beskrive et system, hvor propellen udelukkende drives af en elmotor (med eller uden reduktionsgear). Det er vigtigt at forstå, at et elektrisk fremdriftssystem stadig kan indeholde en generator.
I sådanne tilfælde leverer den en del af energien til fremdrift eller andre elektriske forbrugere om bord. Dette kaldes undertiden "seriel hybrid" eller "range extender".
Sådanne generatorsæt kan også fungere som en redundansfunktion ("tag mig hjem"), hvis batterienergien er opbrugt.
Hvad er det rigtige valg til din applikation?
Beslutningen om en hybrid eller elektrisk arkitektur afhænger af flere nøglefaktorer, hvor anvendelsen eller driftsprofilen spiller en stor rolle.
En driftsprofil er en beskrivelse af, hvordan skibet drives i løbet af dagen med hensyn til dets energibehov på forskellige tidspunkter.
En typisk driftsprofil beskriver fremdrivningseffekten og varigheden af transit, manøvrering/standby og tid ved kaj. Ud over at svare på effektbehovet i drift og dermed energibehovet, vil det også svare på en anden begrænsende faktor, nemlig den tid og energi, der er til rådighed til at oplade batterierne fra landstrømsnettet.
Da batteriet, dvs. energilageret, er den største begrænsende faktor i elektrificeringen, både hvad angår ekstra vægt og omkostninger til elektrificering af skibene, skal det dimensioneres korrekt. At tilføje mere energilagring øger ikke kun omkostningerne, men øger også dit energibehov.
Den øgede fremdriftskraft, der kræves, når du tilføjer vægt, er en vigtig overvejelse, især i fartøjer med hurtig planlægning.
Det første valg af systemarkitektur og batterityper kan foretages, når du har bestemt forholdet mellem:
- Opbevaring af energi
- Strømforbrug (fremdrift, hjælpeudstyr og hotel)
- Opladningseffekt/energi/varighed
EN TOMMELFINGERREGEL
- Hvis applikationen har lange overfarter med høj effekt og korte stop/lille tid ved kaj, peger det i retning af et hybridsystem. Fremdriftseffektiviteten for diesel-mekaniske fremdriftssystemer er højere end for et diesel-elektrisk system. Derfor reduceres udledningen fra det fossile brændstof ved at sikre den højeste effektivitet i dieselsystemet.
- Hvis applikationen har kortere overfarter eller overfarter med lav effekt og tilstrækkeligt ophold ved kaj til at genoplade batteriet, peger det i retning af et elektrisk fremdrivningssystem.
Energibærer (batterier)
Den batteriteknologi, der bruges til lagring af havenergi, er overvejende af Li-ion-typen.
ALMINDELIGE KEMIER
- NMC (litium-nikkel-mangan-kobolt-oxid)
- LFP (litium-jernfosfat)
- LTO (litium-titan-oxid)
Mens NMC-kemien giver bedre energitæthed, er den også lidt mere udfordrende, idet den har en lavere termisk stabilitet (brandfare). Brugen af kobolt er også en udfordring på grund af prisudsvingene, den skrøbelige forsyningskæde og meget mere.
Marinebatterier klassificeres almindeligvis som enten 'Power'- eller 'Energy'-typer. Dette er karakteriseret ved deres opladnings-/afladningskapacitet:
- "Power"-batterier kan acceptere eller levere (oplade/aflade) højere effektniveauer end "Energy"-batterier med samme energilagringskapacitet.
- "Energy"-batterier har en højere specifik energitæthed (mindre vægt) end "Power"-batterier med samme energilagringskapacitet.
Men på grund af den begrænsede (opladnings-)effektaccept kan det være nødvendigt at overdimensionere deres nominelle energikapacitet. Se mere om C-rate nedenfor
Vægt og størrelse
Energitætheden i diesel (MGO) er meget højere end energitætheden i marine Li-ion-batterier.
Mens energitætheden i diesel (MGO) er omkring 12,3 kWh/kg, varierer energitætheden i marine Li-ion-batterier fra 0,16 kWh/kg til 0,07 kWh/ kg. Men for at tage højde for den effektive vægt af energilagringssystemet skal energiomdannelseseffektiviteten også tages i betragtning.
Forbrændingsmotorer (ICE), der brænder marinegasolie (marinediesel/MGO), har en energiomdannelseseffektivitet på ca. 34 %.
Dette resulterer i en nettoenergieffektivitet for MGO på ca. 4,2 kWh/kg brændstof ved propellerlinjen.
For at beregne energikonverteringseffektiviteten fra batteriet til elmotorens output skal vi først bestemme, hvor meget af den bruttoenergi, der er lagret i batteriet, vi kan bruge under drift.
Den nyttige energikapacitet (ud af bruttoenergien) i et batterisystem bestemmes af antallet og dybden af af- og opladningscyklusser i forhold til batteriets nødvendige levetid.
C-raten
Forholdet mellem den maksimale opladnings-/afladningseffekt og batteriets nominelle energikapacitet.
Forholdet mellem den maksimale opladnings-/afladningseffekt og batteriets nominelle energikapacitet udtrykkes som C-rate;
En C-rate på 1 betyder, at et batteri på 100 kWh kan levere/modtage 100 kW strøm, mens en C-rate på 3 betyder, at et batteri på 100 kWh kan levere/modtage 300 kW strøm.
I marineindustrien er C-rater mellem 0,7 og 3C almindelige.
Li-ion-batteriers energilagringsevne nedbrydes over tid og med antallet af op- og afladningscyklusser. Det er ret almindeligt at definere nedbrydning til 80 % af den oprindelige kapacitet som End of Life (EOL). Antallet af opladnings- og afladningscyklusser, før EOL nås, afhænger af afladningsdybden (DoD) i hver cyklus og batterikemien.
Et eksempel
Energilagringsteknologier er nøglen til omstillingen af energisektoren.
Hvis en given driftsprofil kræver, at batteriet oplades 5 gange om dagen, giver det 1.825 cyklusser om året. Det nyttige DoD-område for hver opladnings-/afladningscyklus vil være omkring 30 % for at opnå en levetid på 10 år (18 250 cyklusser).
En færgeapplikation med hyppige cyklusser om dagen kan have brug for en større bruttobatteristørrelse på grund af den lavere DoD, der tolereres pr. cyklus, i forhold til en applikation med færre cyklusser. Derfor er det afgørende for batterisystemets design at definere driftsprofilen.
Der lægges en betydelig forskningsindsats og finansiering i udviklingen af batteriteknologier. Energilagringsteknologier er nøglen til omstillingen af energisektoren i retning af vedvarende energikilder.
Flere lovende batterikemier med stigende energitæthed bliver demonstreret i laboratorier og på universiteter rundt om i verden. Men det tager desværre tid at få dem ud på markedet i form af kommercielle produkter. Desuden er segmentet for energilagring i den maritime sektor lille sammenlignet med landbaserede applikationer.
Det resulterer i en lavere prioritering af disse markeder. Vi skal derfor gøre bedst mulig brug af de nuværende teknologier; det, der er gennemprøvet og velkendt, når vi designer marine energisystemer til i dag.
Operationsprofil
Det er vigtigt at definere driftsprofilen for at bestemme det optimale systemdesign.
Både når det gælder valg af systemarkitektur og valg af nøglekomponenten, batteriet og opladningssystemet.
Driftsprofilen er en beskrivelse af den nødvendige effekt på forskellige tidspunkter i løbet af dagen og den tid, effekt og tid ved kaj, der er til rådighed til at oplade batterierne.
Dette vil bestemme den nødvendige nettoenergi til at udføre driften og den nødvendige bruttobatterikapacitet (afladningsdybde), givet en nødvendig levetid for batterisystemet og batteriets C-rate ('power'- eller 'energy'-type).
Eksemplet på driftsprofilen i figur 3 viser, at den indeholder 15 x 30 % DoD og 1 x 60 % DoD-cyklusser pr. dag. Desuden er dette tilfælde modelleret med en bruttobatterikapacitet på 900 kWh, hvilket betyder, at det kræver en C-rate på 1,3 under opladning (1200 kW ladeeffekt).
Bemærk, at dette eksempel også giver en ny udfordring: Dagens sidste tur har en kortere opladningstid, hvilket resulterer i en lav ladetilstand (SOC). Dette kan være et problem, som skal overvejes i forhold til kapacitetsnedbrydningen ved EOL.
Infrastruktur til opladning
At bringe den elektriske kraft til kajen
Et skib, der sejler på en højfrekvent rute med korte stop, kan have brug for en dedikeret multi-megawatt-forsyning for effektivt at kunne oplade skibets batterier. Det er en udfordring på grund af de førnævnte årsager til C-rater, afladningsdybde og batteriets levetid.
HOVEDUDFORDRINGER MED OPLADNING AF ELEKTRISKE FARTØJER:
- Potentielt begrænset tilgængelig netkapacitet.
- Manglen på standardisering med hensyn til opladningsinterface.
- Opladningsinfrastruktur
Netkapacitet
Hvis operatøren skal investere i at bygge ny eller opgradere infrastrukturen til højspændingsnettet, kan det være en betydelig økonomisk byrde for elektrificeringsprojektet.
Det er et aspekt, som ofte bliver overset. Vi tager for givet, at vi har strøm nok i et område. Det er desværre ikke tilfældet. Om havnen eller endda regionen har netkapacitet til at levere den nødvendige ladestrøm, er en meget større udfordring og en showstopper for mange operatører. Man kan bygge en ladestation ved molen, men det er noget helt andet at bygge højspændingsinfrastruktur.
For fartøjer, der kun har brug for opladning natten over, er det en mindre udfordring. Den nødvendige "vedligeholdelsesopladning" kan lade sig gøre de fleste steder. Men fuldt elektriske hurtigfærger, der sejler på højfrekvente ruter, kræver en dedikeret netforbindelse på 3-5 MW.
Standardisering
Der findes to hovedløsninger til opladning: AC-opladning fra elnettet på land eller DC-opladning ved hjælp af opladningskonvertere på land.
AC-OPLADNING FRA ELNETTET PÅ FASTLANDET
AC-opladning er baseret på tilslutning af AC-landstrøm (typisk 400 VAC) til skibet, og AC/DC-konvertere om bord oplader batterierne.
Den tilgængelige AC-landstrøm fra havnemyndighederne er typisk beregnet til "koldstrygning", og standardlandstrøm, baseret på IEC 80005-3, giver ca. 240 kW opladningseffekt. Jævnstrømsopladning er baseret på AC/DC-omformere (eller ladestationer) placeret på land.
JÆVNSTRØMSOPLADNING MED OPLADNINGSKONVERTERE PÅ LAND
CCS (Combined Charging System) er et alternativ til standardiserede jævnstrømsopladningssystemer med en opladningseffekt på op til 350 kW.
Transportbranchen har også lanceret MCS (Megawatt Charging System), som giver op til 3 MW og mere (afhængigt af batterispændingen).
Denne løsning svarer til hurtigopladningssystemer til biler.
Lovmæssige krav / klassekrav
Sikker drift til søs er naturligvis af stor betydning for enhver skibsejer/operatør.
IMO og de forskellige flagstaters myndigheder og klasseselskaberne har i årenes løb udviklet en lovgivningsmæssig og juridisk ramme, som skibsdesignere og værfter skal overholde.
I løbet af de sidste par år er disse maritime lovgivningsrammer også blevet tilpasset indførelsen af elektriske fremdriftssystemer, især hvad angår sikkerheden i batterisystemer. En brand i et Li-Ion-batterisystem kan være katastrofal på et skib til søs. Den potentielt høje energi i et maritimt Li-ion-batterisystem og den næsten eksplosive karakter af termiske run-away-tilstande kræver strenge sikkerhedsovervejelser i batterisystemets design og installation.
Desuden skal designet af batterirummet/rummet overvejes med hensyn til branddetektering og -bekæmpelse, termisk kontrol (HVAC) og ventilation af udstødningsgasser.
Batterisystemer, der bruges i marineapplikationer, skal typegodkendes af et anerkendt klasseselskab. En sådan typegodkendelse verificerer blandt andet, at batterisystemet er fri for termisk løbsk spredning, dvs. at en fejl/brand i en enkelt battericelle ikke vil få andre tilstødende celler til at gå i termisk løbsk tilstand.
Kontrolsystemer / Fremdriftskontrol
Kernen i ethvert hybrid- eller elektrisk fremdriftssystem er de forskellige kontrolsystemer.
Selve batterisystemet indeholder en BMS-funktion (Battery Management System), der overvåger tilstanden af de enkelte battericeller og -moduler.
Når celletemperatur, spændinger og strømme overvåges, sikres en sikker opladning og afladning af batterisystemet.
På fartøjets fremdriftssystemniveau kontrollerer et Power Management System (PMS) sammen med et Energy Management System (EMS) effektniveauer, spændinger og sundhedstilstand for strømsystemets forskellige komponenter. Det sikrer, at forbrugerne holder sig inden for de fastsatte parametre.
Nøgleoplysninger skal være let tilgængelige for skibsoperatøren på broen og eventuelt i maskin-/udstyrsrummet/rummene:
- Batteriets energistatus
- Effektniveauer
- Resterende driftstid/rækkevidde
- Driftsstatus og alarmer
Et kontrolpanel eller Human Machine Interface (HMI) præsenterer systemets information og status for kaptajnen og/eller maskinchefen. Kontrolpanelerne (HMI) kan også give input fra operatøren såsom "Mode Control", dvs:
- Start/stop af landstrømsopladning,
- Start/stop af dieselgeneratorsæt,
- Valg af strømtilstand i en hybridkonfiguration:
- Diesel-tilstand
- Elektrisk tilstand
- Boost-tilstand (begge dele)
- og/eller opladning af batterier fra generator(er).
Fremdriftskontrolsystemet (PCS) håndterer typisk fremdriftskommandoerne fra skibsoperatøren, som f.eks. motorhastighed/-effekt, propelstigning i CPP-systemer, ind- og udkobling af gear, samt giver operatøren statusoplysninger.
Sidst, men ikke mindst, håndterer et alarmsystem (IAS) alarmer fra (alle) de forskellige skibssystemer. De forskellige kontrolfunktioner (PMS, EMS, PCS, IAS) kan også implementeres som kombinerede eller fælles systemer.
En hurtigfærge, der bruger hurtigopladning flere gange om dagen, kan kræve en dedikeret netforbindelse på 3-5 MW.
Sammenfatning og konklusion
Vi håber, at denne artikel har givet et værdifuldt indblik i de teknologier, der anvendes til elektrificering af elsystemer, og de overvejelser, der er nødvendige i planlægningsprocessen.
Hel eller delvis elektrificering af de maritime skibes energisystemer er en vigtig indsats for at reducere de drivhusgasser, der produceres af den maritime sektor.
Som beskrevet i denne artikel har teknologien desværre sine begrænsninger og er kun en del af løsningen på den maritime industris udfordringer. Men dens indvirkning vil kun vokse med yderligere tilpasning og fremtidig innovation.
Vellykket design og implementering af et hybrid- eller fuldelektrisk fremdriftssystem kræver omhyggelige tekniske og kommercielle overvejelser i samarbejde med systemeksperter. Derudover skal operatøren overveje, hvordan systemet skal understøttes i hele skibets levetid.
Moderne fremdriftssystemer bliver mere og mere avancerede og computerstyrede, hvilket kræver specialistkompetencer, der er tilgængelige i din region til service og vedligeholdelse. Undersøg derfor sagen grundigt, når du skal vælge den rigtige leverandør til dig eller din organisation.
FORKORTELSER
BMS: Batteristyringssystem
BOL: Begyndelse af levetid (batteri)
CPP: Propel med regulerbar pitch
CCS: Kombineret opladningssystem
DOD: Afladningsdybde (batteri)
EMS: Energistyringssystem
EOL: End of life (levetid) (batteri)
HMI: Grænseflade mellem menneske og maskine
IAS: Integreret alarmsystem
ICE: Forbrændingsmotor
IMO: Den internationale søfartsorganisation
kW: Kilowatt (effekt)
kWh: Kilowatt-time (energi)
MCS: Megawatt opladningssystem
MGO: Marin gasolie (marin diesel)
PCS: Fremdriftskontrolsystem
PMS: Strømstyringssystem
SOC: Ladetilstand (batteri)
SOH: Sundhedstilstand (batteri)
Kom i kontakt med os
Vil du vide mere om vores løsninger eller diskutere, hvordan vi kan støtte dit næste projekt? Vores team af eksperter er klar til at besvare dine spørgsmål og udforske mulighederne sammen med dig.- Lad os tale om dine behov
- Del dine ideer med os
- Begynd at bygge en bæredygtig og pålidelig fremtid i dag