Elektrificering af skibsfarten
Om forfatteren
Eirik Nesse - Director of Marine Propulsion hos BOS Power.
Han har en bachelorgrad 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 Director of Product Strategy.
Siden 2018 har han beskæftiget sig med elektrificering af skibsfarten og er en vigtig drivkraft hos BOS Power, hvor han sikrer kvalitet og teknisk ekspertise i hybride og fuldt elektriske energi- og fremdrivningssystemer.

Målgruppe
Dette dokument er skrevet til fagfolk i den maritime sektor, som vil vide mere om teknologier til elektrificering af skibsfarten.
Det kan også læses af fagfolk fra beslægtede brancher, som ønsker en introduktion til de udfordringer, der er forbundet med dekarbonisering af hurtige/lette fartøjer i den maritime sektor.
Sammendrag
Den maritime sektor står ved en skillevej. På den ene side har vi flagstaternes mål om at reducere udledninger og fremme grønnere løsninger til søs. På den anden side findes der tilgængelige løsninger for elektrificering med hver deres fordele og begrænsninger.
Trods lokale incitamentsordninger kan man ikke blot erstatte sit dieseldrevne fremdrivningssystem med batterier og en elmotor.
Elektriske og hybride løsninger i den maritime sektor kræver andre overvejelser og designprincipper for jeres fartøj eller jeres flåde af fartøjer. Desuden er klassifikationsselskaberne stadig i gang med at etablere sikkerhedsregler, standarder og certificeringer. Men vores udledninger skal reduceres, og selvom de har visse begrænsninger, er elektriske løsninger vejen frem.

Selvom det er et globalt problem, begynder reduktionen af disse udledninger med lokale løsninger. Lokale myndigheder bør hjælpe med at drive udviklingen og implementeringen af energiløsninger med lav eller ingen udledning af drivhusgasser med de midler, de har til rådighed. Den private sektor spiller også en vigtig rolle ved at tage nuludledningsløsninger i brug og tilpasse deres driftsmodel til den nye teknologi.
Derfor bestræber vi os på at informere om og uddanne i den teknologi, der er tilgængelig i dag, såvel som nye produkter inden for hybride og elektriske løsninger til søs. Dette holder os hos BOS Power på tæerne og i stand til at levere de allerbedste skræddersyede fartøjer, optimeret til effektivitet og lavere udledninger. Det bidrager også til at opbygge en vidensbase for realistisk og pragmatisk udvikling af fremtidens politikker på området.
Fremtiden er elektrisk, og selvom både teknologien, myndighederne og industrien skal modnes i dette nye paradigme, er vi mere end optimistiske med hensyn til, hvad fremtiden bringer.
De bæredygtige løsninger, vi implementerer i dag, er afgørende for de miljømæssige udfordringer, vi står over for, men de lægger også fundamentet til nye forretningsmodeller, brancher og tjenester.
Introduktion
Desværre findes der ikke nogen nem løsning til implementering af et hybridt eller elektrisk fremdrivningssystem. Det er derfor vigtigt at forstå begrænsningerne ved denne teknologi, og hvordan man vælger en optimeret løsning.
Den Internationale Søfartsorganisation (IMO) samt nationale lovgivere har sat mål for en reduktion af udledningen af drivhusgasser (GHG) fra skibsfarten.
I en undersøgelse fra 2020 konkluderer IMO, at skibsfartens andel af udledninger i 2018 udgjorde ca. 2,9 % af de globale menneskeskabte udledninger i form af kuldioxid (CO2), metan (CH4) og lattergas (N2O). Disse gasser stammer fra forbrændingen af fossile brændstoffer for at generere energi til fremdrivning og andre formål ombord.
Selvom det er et globalt problem, som omfatter hele skibsfartsindustrien (international, indenrigs og fiskeri), kræver reduktionen af disse udledninger løsninger, der passer til de lokale forhold.
Udviklingen og implementeringen af energiløsninger med lav eller ingen udledning kan være drevet af økonomiske incitamenter/afgifter på udledninger, eller incitamenterne kan være markedsdrevne. Et eksempel på markedsdrevne incitamenter er økoturisme, hvor en tur med et stille, sightseeingsfartøj, som ikke udleder drivhusgasser, giver mere værdi for kunderne sammenlignet med et mere konventionelt dieseldrevet fartøj.

Hvordan kan skibsdesignere, -ejere og -byggere bidrage til at reducere udledningerne fra fartøjerne?
Ligesom for vejtransportsektoren vil elektrificering af energisystemerne i form af hybride eller fuldt elektriske systemer reducere udledningerne, forudsat at energien kommer fra vedvarende kilder.
Kort sagt betyder det i øjeblikket at indføre batterier til at lagre elektrisk energi, samtidig med at noget (eller al) energi fra fossile brændstoffer erstattes.
Desværre findes der ikke nogen nem løsning til implementering af et hybridt eller elektrisk fremdrivningssystem. Det er derfor vigtigt at forstå begrænsningerne ved denne teknologi, og hvordan man vælger en optimeret løsning.

Fremdriftssystemer
Der findes ikke nogen klar sondring eller branchestandard, som definerer begreberne hybridt og elektrisk fremdrivningssystem.
Hybrid, som betyder en kombination af to eller flere elementer, har tydeligvis både en elektrisk del og en konventionel (diesel) del. Denne kombination kan dog antage forskellige former.
BOS Power bruger udtrykket ”hybridt fremdrivningssystem”, når skruen kan drives mekanisk af en dieselmotor (Diesel Mode (dieseltilstand)) eller af en elmotor (Electric Mode (elektrisk tilstand)), som er forbundet til et fælles gear mellem dieselmotoren og drivlinjen.
Skruen kan også drives af begge systemer i kombination (Boost Mode (boost-tilstand)). ”Elektrisk fremdrivningssystem” bruges til at beskrive et system, hvor skruen udelukkende drives af en elmotor (med eller uden reduktionsgear). Det er vigtigt at forstå, at et elektrisk fremdrivningssystem stadig kan omfatte en generator.
I sådanne tilfælde leverer den en del af energien til fremdrivningen eller til andre elektriske forbrugere ombord. Dette kaldes nogle gange for ”seriel hybrid” eller ”udvidet rækkevidde”.
Sådanne generatorsæt kan også fungere som en redundansfunktion (”take me home”-funktion), hvis batterienergien er opbrugt.

Hvad er det rigtige valg til dit behov?
Beslutningen om, hvilken arkitektur man skal vælge – hybrid eller elektrisk – afhænger af flere vigtige faktorer, blandt andet anvendelsesområde og driftsprofil.
En driftsprofil er beskrivelsen af, hvordan fartøjet opereres gennem dagen i forhold til dets energibehov på forskellige tidspunkter.
En typisk driftsprofil beskriver fremdrivningseffekten og varigheden af transit, manøvrering/standbyoperationer og tid ved kaj. Ud over at kortlægge energibehovet under drift og dermed effektbehovet, kortlægger den også en anden begrænsende faktor, nemlig den tid og energi, der er til rådighed til at oplade batterierne fra elnettet på land.
Eftersom batteriet, dvs. energilagringen, er den største begrænsende faktor i elektrificering, både i forhold til tilføjet vægt og omkostninger ved elektrificering af fartøjerne, skal det dimensioneres korrekt. Tilføjelse af mere energilagring øger ikke kun omkostningerne, men også energibehovet.
Den øgede fremdrivningseffekt, der kræves, når der tilføjes vægt, er en vigtig overvejelse, især for hurtiggående planende fartøjer.

Det indledende valg af systemarkitektur og batterityper kan træffes, når man har fastlagt forholdet mellem:
- Energilager
- Strømforbrug (fremdrivning, hjælpeudstyr og hotel)
- Ladeeffekt/energi/varighed
EN TOMMELFINGERREGEL
- Hvis fartøjet har lange perioder med højt forbrug i transit og korte ophold/lidt tid ved kaj, vil det nok kræve et hybridsystem. Effektiviteten af dieselmekaniske fremdrivningssystemer er højere end for dieselelektriske systemer. Når man sikrer den højeste effektivitet af dieselsystemet, reducerer man udledningerne fra det fossile brændstof.
- Hvis fartøjet sejler over kortere distancer eller med et lavere forbrug og har tilstrækkelige ophold ved kaj til at genoplade batteriet, kan et elektrisk fremdrivningssystem være løsningen.
Energibærer (batterier)
Den mest anvendte batteriteknologi til energilagring i søfartssektoren er Li-ion.
ALMINDELIGE BATTERITYPER
- NMC (litium, nikkel, mangan, koboltoxid)
- LFP (lithium jernfosfat)
- LTO (lithium-titanat)
Mens NMC-kemien har en højere energitæthed, er den også lidt mere udfordrende med lavere termisk stabilitet (brandfare). Brugen af kobolt er også en udfordring på grund af prisvolatilitet, skrøbelig forsyningskæde og mere.
Marinebatterier klassificeres almindeligvis som enten ”kraft”- eller ”energi”-batterier. Dette er kendetegnet ved deres opladnings-/afladningskapacitet:
- ”Kraft”-batterier kan håndtere eller levere (oplade/ aflade) højere effektniveauer end ”energi”- batterier med samme energilagringskapacitet.
- ”Energi”-batterier har en højere energitæthed (lavere vægt) end ”kraft”-batterier med samme energilagringskapacitet.
På grund af begrænset (opladning)effektoptagelse kan der dog være behov for at overdimensionere dem i forhold til nominel energikapacitet. Se mere om C-hastighed nedenfor.

Vægt og størrelse
Energitætheden i diesel (marin gasolie) er meget højere end energitætheden i marine Li-ion-batterier.
Mens energitætheden i marin gasolie er omkring 12,3 kWh/kg, varierer energitætheden i marine Li-ion-batterier fra 0,16 kWh/kg til 0,07 kWh/ kg. For at vurdere energilagringssystemets effektive vægt skal man også tage højde for energiomsætningsvirkningsgraden.
Forbrændingsmotorer, der bruger marin gasolie som brændstof, har en energiomsætningsvirkningsgrad på omkring 34 %.
Dette resulterer i en netto energitæthed i marin gasolie på omkring 4,2 kWh/kg brændstof ved drivlinjen.
For at beregne energiomsætningsvirkningsgraden fra batteriet til elmotorens effekt skal vi først fastslå, hvor meget af den samlede energi, der er lagret i batteriet, som kan bruges under drift.
Den anvendelige (af den samlede) kapacitet af et batterisystem bestemmes af antallet og hastigheden af afladnings-/opladningscyklusser i forhold til batteriets krævede levetid.

C-hastighed
Forholdet mellem den maksimale opladnings-/afladningseffekt og batteriets nominelle energikapacitet udtrykkes som C-hastighed.
En C-hastighed på 1 indikerer, at et batteri på 100 kWh kan levere/modtage 100 kW effekt, mens en C-hastighed på 3 indikerer, at et batteri på 100 kWh kan levere/modtage 300 kW effekt.
I den maritime sektor ligger C-hastigheden typisk mellem 0,7 og 3C.
Energilagringskapaciteten for Li-ion-batterier forringes over tid og med antallet af opladnings-/ afladningscyklusser. Man siger normalt, at ved en forringelse til 80 % af den oprindelige kapacitet er batteriet udtjent (batteriets End of Life/EOL). Antallet af opladnings-/afladningscyklusser før batteriet er udtjent, afhænger af afladningsprocenten og batteriteknologien.

Et eksempel
Energilagringsteknologier er afgørende for omstillingen af energisektoren.
Hvis en given driftsprofil kræver, at batteriet oplades fem gange om dagen, vil dette give 1.825 cyklusser om året. Hvis man vil opnå en levetid på 10 år (18.250 cyklusser), skal afladningsprocenten for hver opladnings-/ afladningscyklus være omkring 30 %.
En pendlerfærge med hyppige opladningscyklusser kan have behov for en større samlet batteristørrelse på grund af den lavere afladningsprocent, der tolereres pr. cyklus, sammenlignet med en færge med færre cyklusser. Det er grunden til, at det er afgørende for designet af batterisystemet at definere driftsprofilen.
Betydelig forskningsindsats og finansiering bruges på udviklingen af batteriteknologier. Energilagringsteknologier er afgørende for omstillingen af energisektoren til vedvarende energikilder.
Flere lovende batteriteknologier med stigende energitæthed demonstreres i laboratorier og universiteter over hele verden. Dog tager det desværre tid, før de bliver tilgængelige på markedet som kommercielle produkter. Desuden er segmentet for energilagring i den maritime sektor lille sammenlignet med landbaserede anvendelsesområder.
Dette betyder, at disse markeder prioriteres lavere. Vi skal derfor udnytte de nuværende teknologier bedst muligt – de, der er velkendte og afprøvede – når vi designer marine energisystemer til nutidens behov.

Driftsprofil
Driftsprofilen er afgørende for at kunne bestemme det optimale systemdesign.
Både med hensyn til valg af systemarkitektur og valg af nøglekomponenter som batteriog ladesystem.
Driftsprofilen er en beskrivelse af det effektbehov, der er på forskellige tidspunkter af dagen, samt den tid, effekt og tid ved kaj, der er til rådighed til at oplade batterierne.
Det afgør det nettoenergibehov, der kræves for at udføre aktiviteten, og den samlede batterikapacitet, der er nødvendig (afladningsprocent), ved en ønsket levetid for batterisystemet og batteriets C-hastighed (”kraft”- eller ”energi”-batteritype).

Eksempelprofilen i Figur 3 viser, at den indeholder 15 cyklusser med en afladningsprocent på 30 og 1 cyklus med en afladningsprocent på 60 pr. dag. Endvidere er dette tilfælde modelleret med en samlet batterikapacitet på 900 kWh, hvilket betyder, at det kræver en C-hastighed på 1,3 (1.200 kW opladningseffekt).
Bemærk, at dette eksempel også afslører en ny udfordring; den sidste tur på dagen har kortere opladningstid, hvilket resulterer i en lav ladetilstand. Det kan være et problem, der skal overvejes i forhold til kapacitetsforringelsen på det tidspunkt, hvor batteriet er udtjent.
Ladeinfrastruktur
Opladningsfaciliteter på kajen.
Et fartøj, der betjener en rute med høj frekvens og korte ophold, kan kræve en dedikeret multi-megawatt forsyning for effektivt at oplade batterierne ombord. Dette er en udfordring af førnævnte årsager som C-hastigheder, afladningsprocent og batteriets levetid.
HOVEDUDFORDRINGER VED OPLADNING AF ELEKTRISKE FARTØJER:
- Potentielt begrænset tilgængelig netkapacitet
- Manglende standardisering af ladegrænseflade
- Ladeinfrastruktur

Netkapacitet
Hvis operatøren skal investere i at bygge nyt eller opgradere det eksisterende højspændingsnet, kan det være en betydelig økonomisk byrde for elektrificeringsprojektet.
Dette er et aspekt, der ofte overses. Vi tager for givet, at der er tilstrækkelig strøm i et område. Det er desværre ikke altid tilfældet. Om havnen eller endda regionen har netkapaciteten til at levere den nødvendige ladeeffekt, er en meget større udfordring og en stopklods for mange operatører. Ét er at bygge en ladestation ved kajen, men det er noget helt andet at skulle udvide højspændingsnettet.
For fartøjer, der kun har behov for at lade om natten, er det en mindre udfordring. Den nødvendige “klatladning” kan klares de fleste steder. Men fuldelektriske hurtigfærger, der sejler med høj frekvens, kræver en dedikeret nettilslutning på 3-5 MW

Standardisering
De to hovedløsninger til opladning: AC-opladning fra elnettet på land eller DC-opladning ved hjælp af ladeomformere på land.
AAC-OPLADNING FRA ELNETTET PÅ LAND
AC-opladning er baseret på at forbinde AC-landstrøm (typisk 400 VAC) til fartøjet, hvor ombordværende AC/ DC-omformere oplader batterierne.
Den tilgængelige AC-landstrøm fra havnemyndigheder er typisk beregnet til at levere strøm til skibet, og standard landstrøm, baseret på IEC 80005-3, giver omkring 240 kW opladningseffekt. DC-opladning er baseret på AC/DC-omformere (eller ladestationer) placeret på land.
DC-OPLADNING MED LADEOMFORMERE PÅ LAND
CCS (Combined Charging System) er et alternativ til et standardiseret DC-ladesystem med en opladningseffekt på op til 350 kW.
Transportindustrien har også lanceret MCS (Megawatt Charging System), som giver op til 3 MW og derover (afhængigt af batterispændingen).
Denne løsning ligner hurtigladesystemer til bilindustrien.

Regler/klassificeringskrav
Sikkerhed til søs er naturligvis vigtigt for enhver fartøjsejer/-operatør.
IMO og de forskellige flagstatsmyndigheder samt klassifikationsselskaber har gennem årene udviklet et regel- og lovgivningsmæssigt rammeværk, som skibsdesignere og værfter skal overholde.
I de seneste år er dette maritime reguleringsrammeværk også blevet tilpasset til introduktionen af elektriske fremdrivningssystemer, især for sikkerheden ved batterisystemer. En brand i et Li-ion-batterisystem kan være katastrofal på et fartøj til søs. Den potentielt meget kraftige energi i et maritimt Li-ion-batterisystem og den næsten eksplosive karakter af ”thermal runaway” kræver strenge sikkerhedsovervejelser i batterisystemets design og installation.
Derudover skal designet af batterirummet/-afdelingen overvejes med hensyn til brandslukning og -detektion, varmestyring (HVAC) og afgasningsventilation.
Batterisystemer, der bruges i maritime miljøer, skal være typegodkendt af et anerkendt klassifikationsselskab. Sådanne typegodkendelser verificerer blandt andet, at batterisystemet er beskyttet mod ”thermal runaway”, dvs. at en fejl/brand i en enkelt battericelle ikke vil forårsage, at andre tilstødende celler går i en ”thermal runaway”-tilstand.

Styresystemer/fremdriftsstyring
I hjertet af ethvert hybridt eller elektrisk fremdrivningssystem er de forskellige styresystemer.
Selve batterisystemet indeholder en Battery Management System (BMS)-funktion, der overvåger tilstanden af de enkelte battericeller og -moduler.
Med overvågning af celletemperatur, spænding og strøm sikres sikker opladning og afladning af batterisystemet.
På fartøjets fremdrivningssystemniveau kontrollerer et Power Management System (PMS) sammen med et Energy Management System (EMS) effektniveauer, spænding og tilstanden på energisystemets forskellige komponenter. Dette sikrer, at forbrugerne er inden for designparametrene.
Nøgleinformationer skal være let tilgængelige for fartøjets operatør på broen og eventuelt i maskin-/ teknikrummene:
- Batteriets energistatus
- Effektniveauer
- Resterende driftstid/rækkevidde
- Driftsstatus og alarmer
Et kontrolpanel, eller Human Machine Interface (HMI), præsenterer systemoplysninger 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 energitilstand i en hybridkonfiguration:
- Dieseltilstand
- Elektrisk tilstand
- Boost-tilstand (begge)
- og/eller opladning af batterier fra generator(er).
Fremdriftskontrolsystemet (PCS) håndterer typisk fremdrivningskommandoer fra skibsoperatøren, såsom motoreffekt/hastighed, skruestigning i CPP-systemer, gearkobling/udkobling samt giver operatøren statusoplysninger.
Endelig 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.



Oppsummering og konklusion
Vi håber, at dette dokument har givet værdifuld indsigt i de teknologier, der anvendes til elektrificering af energisystemer og de overvejelser, der er nødvendige i planlægningsprocessen.
Elektrificering, enten delvist eller fuldstændigt, af energisystemerne på maritime fartøjer er vigtig for at reducere de drivhusgasser (GHG), der produceres af den maritime sektor.
Som beskrevet i dette dokument har teknologien desværre begrænsninger og er kun en del af løsningen på den maritime sektors udfordringer. Imidlertid vil dens indflydelse kun vokse med yderligere tilpasning og fremtidig innovation.
Vellykket design og implementering af et hybridt eller fuldelektrisk fremdrivningssystem kræver omhyggelige tekniske og kommercielle overvejelser i samarbejde med systemeksperter. Derudover skal operatøren overveje, hvordan systemet vil blive supporteret gennem fartøjets levetid.
Moderne fremdrivningsenergisystemer bliver stadig mere avancerede og computerstyrede, hvilket kræver, at der er specialkompetence til rådighed i dit område for service og vedligeholdelse. Derfor er det vigtigt at undersøge grundigt, inden du vælger den rigtige leverandør til dig eller din organisation.
FORKORTELSER
BMS: Battery Management System - batteristyringssystem
BOL: Beginning of Life (Batteri) - ibrugtagning
CPP: Controllable Pitch Propeller – skrue med vendbare blade
CCS: Combined Charging System – kombineret opladningssystem
DOD: Depth of Discharge (Batteri) - afladningsprocent
EMS: Energy Management System - energistyringssystem
EOL: End of Life (Batteri) - udtjent
HMI: Human Machine Interface – menneske/maskine-brugergrænseflade
IAS: Integrated Alarm System - integreret alarmsystem
ICE: Internal Combustion Engine - forbrændingsmotor
IMO: International Marine Organization – den Internationale Søfartsorganisation
kW: Kilowatt (effekt)
kWh: Kilowatt hour (energi)
MCS: Megawatt Charging System – megawatt opladningssystem
MGO: Marine Gas Oil – marin gasolie
PCS: Propulsion Control System - fremdrivningsstyringssystem
PMS: Power Management System - energistyringssystem
SOC: State of Charge (Batteri) - ladningstilstand
SOH: State of Health (Batteri) - batteritilstand
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