Erbjudande om innehåll: Marin elektrifiering

Eirik Nesse - direktör för marin framdrivning på BOS Power.

Han har en BsC i elektronik från University of Stavanger och har över 25 års erfarenhet från den internationella telekombranschen, med olika befattningar hos mikrovågsleverantören Nera/Ceragon, senast som Director of Product Strategy.

Sedan 2018 har han ägnat sig åt marin elektrifiering och är en viktig drivkraft inom BOS Power, som säkerställer kvalitet och teknisk excellens inom marina hybrid- och helelektriska kraft- och framdrivningssystem.

Trots lokala skatte- och marknadsincitament är det ett faktum att du inte bara kan ersätta ditt dieseldrivna framdrivningssystem med några batterier och en elmotor.

El- och hybridlösningar inom sjöfartssektorn kräver en ny uppsättning överväganden och designprinciper för ditt fartyg eller din flotta. Dessutom håller klassificeringssällskapen fortfarande på att fastställa säkerhetsbestämmelser, standarder och certifieringar. Men våra utsläpp måste minska, och trots vissa begränsningar är elektriska lösningar vägen framåt.

Hands connecting puzzle pieces on wooden table.

Även om det är en global fråga börjar minskningen av dessa utsläpp med lokala lösningar. Lokala myndigheter bör bidra till att driva på utvecklingen och implementeringen av energilösningar med låga eller inga utsläpp med de medel de har till sitt förfogande. Den privata sektorn spelar också en viktig roll när det gäller att införa utsläppsfria lösningar och anpassa sina verksamhetsmodeller till den nya tekniken.

Därför strävar vi efter att informera och utbilda om den teknik som finns tillgänglig idag, samt om nya produkter inom hybrid- och ellösningar till sjöss. Detta håller oss på BOS Power på tårna och gör att vi kan erbjuda de allra bästa skräddarsydda fartygen, optimerade för effektivitet och lägre utsläpp. Det bidrar också till att bygga upp en kunskapsbas för realistiskt och pragmatiskt beslutsfattande i framtiden.

Framtiden är elektrisk, och även om både tekniken, regleringsorganen och branschen måste mogna in i detta nya paradigm är vi mer än optimistiska inför framtiden.

De hållbara lösningar som vi implementerar idag är avgörande för de miljöutmaningar vi står inför, men lägger också grunden för nya affärsmodeller, industrier och tjänster.

International Maritime Organization (IMO) och nationella regeringar har lagt fram mål för att minska utsläppen av växthusgaser (GHG) från sjöfartssektorn.

I en studie från 2020 drar IMO slutsatsen att sjöfartens andel av de globala mänskliga utsläppen 2018 var cirka 2,9%, i form av koldioxid (CO2), metan (CH4) och dikväveoxid (N2O). Dessa gaser kommer från förbränning av fossila bränslen för att ge fartyget kraft för framdrivning och annan användning.

Även om det är en global fråga, som omfattar hela sjöfartssektorn (internationell, inrikes och fiske), krävs det lösningar som passar den lokala situationen för att minska dessa utsläpp.

Utvecklingen och implementeringen av kraftlösningar med låga eller inga utsläpp kan drivas av ekonomiska incitament/beskattning av utsläpp, eller så kan incitamenten vara marknadsdrivna. Ett exempel på marknadsdrivna incitament är ekoturism, där en resa med ett tyst, utsläppsfritt sightseeingfartyg ger kunderna ett större värde jämfört med ett mer konventionellt dieseldrivet fartyg.

Hur kan fartygskonstruktörer, redare och fartygsbyggare bidra till att minska utsläppen från driften av fartygen?

När det gäller vägtransportsektorn kommer elektrifiering av kraftsystemen i form av hybrid- eller helt elektriska kraftsystem att leda till minskade utsläpp, förutsatt att energin kommer från förnybara källor.

I korthet innebär det för närvarande att man inför batterier för att lagra elektrisk energi, samtidigt som man ersätter en del (eller all) energi från fossila bränslen.

Tyvärr finns det ingen "silver bullet" för att implementera ett hybrid- eller elektriskt framdrivningssystem. Det är därför viktigt att förstå begränsningarna med den här tekniken och hur man väljer en optimerad lösning.

Hybrid vs Elektrisk

Framdrivningssystem

Det finns ingen tydlig distinktion eller industristandarder som definierar termerna hybrid- och elektriska framdrivningssystem.

Hybrid, som betyder avkomma av två eller flera element, har helt klart både en elektrisk del och en konventionell (diesel) del. Denna kombination kan dock se ut på olika sätt.

BOS Power använder termen "hybridframdrivningssystem" när propellern kan drivas mekaniskt av en dieselmotor (Diesel Mode) eller av en elmotor (Electric Mode) som är ansluten till en gemensam växel mellan dieselmotorn och propellerlinan.

Propellern kan också drivas av båda systemen i kombination (Boost mode). "Electric propulsion"-system används för att beskriva ett system där propellern uteslutande drivs av en elmotor (med eller utan reduktionsväxel). Det är viktigt att förstå att ett elektriskt framdrivningssystem fortfarande kan innehålla en generator.

I sådana fall tillhandahåller den en del av energin för framdrivning eller andra elektriska förbrukare ombord. Detta kallas ibland för "seriehybrid" eller "räckviddsförlängare".

Sådana generatoraggregat kan också fungera som en redundansfunktion ("ta mig hem") om batterienergin är slut.

Vilket är det rätta valet för din applikation?

Valet av en hybrid- eller elarkitektur beror på flera nyckelfaktorer, där tillämpningen eller driftsprofilen spelar en viktig roll.

En driftprofil är en beskrivning av hur fartyget används under dagen med avseende på dess effektbehov vid olika tidpunkter.

En typisk driftsprofil beskriver framdrivningseffekten och varaktigheten för transit, manövrering/standby och tid vid kaj. Förutom att tillgodose effektbehovet under drift, och därmed energibehovet, kommer den också att tillgodose en annan begränsande faktor, nämligen den tid och energi som finns tillgänglig för att ladda batterierna från landströmsnäten.

Eftersom batteriet, dvs. energilagringen, är den största begränsande faktorn i elektrifieringen, både när det gäller extra vikt och kostnad för elektrifieringen av fartygen, måste det dimensioneras korrekt. Att lägga till mer energilagring innebär inte bara en ökad kostnad, utan också ett ökat energibehov.

Den ökade framdrivningseffekt som krävs när du lägger till vikt är en viktig faktor att ta hänsyn till, särskilt i snabbplanerande fartyg.

Det första valet av systemarkitektur och batterityper kan göras när du har fastställt förhållandet mellan:

Lagring av energi
Effektförbrukning (framdrivning, hjälpaggregat och hotell)
Laddningseffekt/energi/varaktighet

EN TUMREGEL

Om applikationen har långa transiteringar med hög effekt och korta stopp/lite tid vid kaj, pekar detta på ett hybridsystem. Framdrivningseffektiviteten för dieselmekaniska framdrivningssystem är högre än för ett dieselelektriskt system. Följaktligen minskar utsläppen från det fossila bränslet när man säkerställer den högsta verkningsgraden för dieselsystemet.
Om applikationen har kortare eller lågeffekttransporter med tillräckligt långa vistelser vid kaj för att ladda batteriet, pekar detta mot ett elektriskt framdrivningssystem.

Energibärare (batterier)

Den batteriteknik som används för marin energilagring är huvudsakligen av Li-ion-typ.

VANLIGA KEMIER

NMC (litium-nickel-mangan-kobolt-oxid)
LFP (litiumjärnfosfat)
LTO (litium-titan-oxid)

NMC-kemin ger bättre energitäthet, men är också lite mer utmanande eftersom den ger lägre termisk stabilitet (brandrisk). Användningen av kobolt är också en utmaning på grund av dess prisvolatilitet, bräckliga leveranskedja med mera.

Marinbatterier klassificeras vanligen som antingen "Power"- eller "Energy"-typer. Detta kännetecknas av deras laddnings-/urladdningskapacitet:

"Power"-batterier kan ta emot eller leverera (laddning/urladdning) högre effektnivåer än "Energy"-batterier med samma energilagringskapacitet.
"Energy"-batterier har högre specifik energitäthet (lägre vikt) än "Power"-batterier med samma energilagringskapacitet.

På grund av begränsad (laddnings-) effektacceptans kan de dock behöva överdimensioneras när det gäller nominell energikapacitet. Se mer om C-rate nedan

Vikt och storlek

Energitätheten hos diesel (MGO) är mycket högre än energitätheten hos marina litiumjonbatterier.

Medan energitätheten i diesel (MGO) är ca 12,3 kWh/kg, varierar energitätheten i marina litiumjonbatterier från 0,16 kWh/kg till 0,07 kWh/kg. För att beakta energilagringssystemets effektiva vikt måste dock även energiomvandlingseffektiviteten beaktas.

Förbränningsmotorer (ICE) som drivs med marin gasolja (Marine Diesel/MGO) har en energiomvandlingseffektivitet på ca 34 %.

Detta resulterar i en nettoenergieffektivitet för MGO på ca 4,2 kWh/kg bränsle vid propellerlinjen.

För att beräkna energiomvandlingseffektiviteten från batteriet till elmotorns effekt måste vi först fastställa hur mycket av den bruttoenergi som finns lagrad i batteriet som vi kan använda under drift.

Den användbara energikapaciteten (av bruttoenergin) i ett batterisystem bestäms av antalet urladdnings-/laddningscykler och deras djup i förhållande till batteriets livslängd.

C-ratten

Förhållandet mellan den maximala laddnings-/urladdningseffekten och batteriets nominella energikapacitet.

Förhållandet mellan den maximala laddnings-/urladdningseffekten och batteriets nominella energikapacitet uttrycks som C-rate;

Ett C-värde på 1 innebär att ett batteri med en storlek på 100 kWh kan leverera/acceptera en effekt på 100 kW, medan ett C-värde på 3 innebär att ett batteri med en storlek på 100 kWh kan leverera/acceptera en effekt på 300 kW.

Inom den marina industrin är C-värden mellan 0,7 och 3C vanliga.

Energilagringskapaciteten hos litiumjonbatterier försämras med tiden och med antalet laddnings- och urladdningscykler. Det är ganska vanligt att definiera nedbrytning till 80 % av den ursprungliga kapaciteten som End of Life (EOL). Antalet laddnings-/urladdningscykler innan EOL uppnås beror på urladdningsdjupet (DoD) för varje cykel och batteriets kemi.

Ett exempel

Energilagringsteknik är en nyckelfaktor i omställningen av energisektorn.

Om en given driftsprofil kräver att batteriet laddas 5 gånger per dag, ger detta 1 825 cykler/år. Den användbara räckvidden för DoD för varje laddnings-/urladdningscykel kommer att vara cirka 30 % för att uppnå en livslängd på 10 år (18 250 cykler).

En applikation för pendelbåtar, med frekventa cykler per dag, kan behöva en större bruttostorlek på batteriet på grund av lägre DoD som tolereras per cykel jämfört med en applikation med färre cykler. Därför är det viktigt att definiera driftsprofilen vid utformningen av batterisystemet.

Betydande forskningsinsatser och finansiering läggs på utvecklingen av batteriteknik. Energilagringsteknik är en viktig del i omställningen av energisektorn mot förnybara energikällor.

Flera lovande batterikemier med ökande energitäthet demonstreras i laboratorier och på universitet runt om i världen. Men att få ut dessa på marknaden i kommersiella produkter tar tyvärr tid. Dessutom är segmentet för energilagring inom den maritima sektorn litet jämfört med segmentet för landbaserade applikationer.

Detta leder till lägre prioritet för dessa marknader. Vi måste därför på bästa sätt utnyttja dagens teknik, det vill säga den som är beprövad och välkänd, när vi utformar dagens marina kraftsystem.

Operationsprofil

Det är viktigt att definiera driftsprofilen för att kunna fastställa den optimala systemdesignen.

Både när det gäller val av systemarkitektur och val av nyckelkomponent, batteri- och laddningssystem.

Driftprofilen är en beskrivning av den effekt som behövs vid olika tidpunkter under dagen och den tid, effekt och tid vid kaj som finns tillgänglig för att ladda batterierna.

Detta avgör vilken nettoenergi som behövs för att utföra operationen och vilken bruttokapacitet som krävs för batterierna (urladdningsdjup), givet en önskad livslängd för batterisystemet och batteriets C-värde ("power"- eller "energy"-typ).

Exemplet på driftsprofil i figur 3 visar att den innehåller 15 x 30 % DoD- och 1 x 60 % DoD-cykler per dag. Vidare modelleras detta fall med en bruttobatterikapacitet på 900 kWh, vilket innebär att det kräver en C-rate på 1,3 under laddning (1200 kW laddningseffekt).

Observera att det här exemplet också innebär en ny utmaning: Dagens sista resa har kortare laddningstid, vilket resulterar i en låg laddningsnivå (SOC). Detta kan vara ett problem som måste beaktas i förhållande till kapacitetsnedbrytningen vid EOL.

Infrastruktur för laddning

Elkraft till kajen

Ett fartyg som trafikerar en högfrekvent rutt med korta stopp kan behöva en särskild multi-megawattförsörjning för att effektivt ladda batterierna i fartyget. Detta är en utmaning på grund av de tidigare nämnda orsakerna till C-värde, urladdningsdjup och batteriets livslängd.

HUVUDSAKLIGA UTMANINGAR MED LADDNING AV ELFARTYG:

Potentiellt begränsad tillgänglig nätkapacitet.
Avsaknad av standardisering när det gäller laddningsgränssnittet.
Infrastruktur för laddning

Kapacitet i nätet

Om operatören måste investera i att bygga ny eller uppgradera infrastrukturen för högeffektnätet kan det bli en betydande ekonomisk börda för elektrifieringsprojektet.

Det här är en aspekt som ofta förbises. Vi tar för givet att vi har tillräckligt med ström i ett område. Så är tyvärr inte fallet. Huruvida hamnen eller ens regionen har nätkapacitet för att leverera den laddningseffekt som krävs är en mycket större utmaning och en showstopper för många operatörer. Man kan bygga en laddningsstation vid piren, men att bygga högspänningsinfrastruktur är en helt annan sak.

För fartyg som bara behöver laddas över natten är det en mindre utmaning. Den "underhållsladdning" som krävs kan underlättas på de flesta platser. För helt eldrivna snabbfärjor som trafikerar högfrekventa rutter krävs dock en särskild nätanslutning på 3-5 MW.

Standardisering

Det finns två huvudsakliga lösningar för laddning: AC-laddning från elnätet på land eller DC-laddning med laddningsomvandlare på land.

AC-LADDNING FRÅN ELNÄTET PÅ FASTLANDET

AC-laddning bygger på att landström (vanligtvis 400 VAC) ansluts till fartyget och att AC/DC-omvandlare ombord laddar batterierna.

Den landström som finns tillgänglig från hamnmyndigheterna är vanligtvis avsedd för "kallstrykning" och standardlandström, baserad på IEC 80005-3, ger cirka 240 kW laddningseffekt. Likströmsladdning baseras på AC/DC-omvandlare (eller laddningsstationer) som finns på land.

DC-LADDNING MED LADDNINGSOMVANDLARE PÅ LAND

CCS (Combined Charging System) är ett alternativ för standardiserade DC-laddningssystem, för laddeffekt upp till 350 kW.

Transportindustrin har också lanserat MCS (Megawatt Charging System) som ger upp till 3 MW och mer (beroende på batterispänningen).

Den här lösningen liknar snabbladdningssystem för bilar.

Regulatoriska krav/klasskrav

Säker drift till sjöss är naturligtvis av största vikt för alla fartygsägare/operatörer.

IMO, de olika flaggstaternas myndigheter och klassföreningarna har under årens lopp utvecklat ett regelverk och en rättslig ram som fartygskonstruktörer och varv måste följa.

Under de senaste åren har detta regelverk för sjöfarten också anpassats till införandet av elektriska framdrivningssystem, i synnerhet när det gäller batterisystemens säkerhet. En brand i ett Li-Ion-batterisystem kan få katastrofala följder för ett fartyg till sjöss. Den potentiellt höga energin i ett marint litiumjonbatterisystem, och den nästan explosiva karaktären hos termiska run-away-förhållanden, kräver strikta säkerhetsöverväganden vid batterisystemets konstruktion och installation.

Dessutom måste utformningen av batterirummet/utrymmet beaktas med avseende på branddetektering och brandsläckning, värmekontroll (HVAC) och ventilation av avgaser.

Batterisystem som används i marina applikationer måste vara typgodkända av ett välkänt klassningssällskap. Sådana typgodkännanden verifierar bl.a. att batterisystemet är fritt från termisk rusning, dvs. att ett fel/en brand i en enskild battericell inte kommer att leda till att andra intilliggande celler får ett termiskt rusningstillstånd.

Kontrollsystem / framdrivningskontroll

Kärnan i alla hybrida eller elektriska framdrivningssystem är de olika styrsystemen.

Själva batterisystemet innehåller en BMS-funktion (Battery Management System) som övervakar tillståndet hos de enskilda battericellerna och batterimodulerna.

Genom att celltemperatur, spänningar och strömmar övervakas kan säker laddning och urladdning av batterisystemet garanteras.

På nivån för fartygets framdrivningssystem kontrollerar ett Power Management System (PMS) tillsammans med ett Energy Management System (EMS) effektnivåer, spänningar och hälsotillstånd för kraftsystemets olika komponenter. Detta säkerställer att förbrukarna håller sig inom de fastställda parametrarna.

Viktig information måste vara lätt tillgänglig för fartygsoperatören på bryggan och eventuellt i maskin-/utrustningsrummen:

Batteriets energistatus
Effektnivåer
Återstående driftstid/intervall
Driftstatus och larm

En kontrollpanel eller ett gränssnitt för människa och maskin (HMI) presenterar systemets information och status för kaptenen och/eller maskinchefen. Kontrollpanelerna (HMI) kan också ge input från operatören såsom "Mode Control", d.v.s:

Start/stopp av landströmsladdning,
Start/stopp av dieselgeneratoraggregat,
Val av energiläge i en hybridkonfiguration:
- Diesel-läge
- Elektriskt läge
- Boost-läge (båda)
- och/eller laddning av batterier från generator(er).

Framdrivningskontrollsystemet (PCS) hanterar normalt framdrivningskommandon från fartygsoperatören, t.ex. motorvarvtal/-effekt, propellerstigning i CPP-system, inkoppling/urkoppling av växlar, samt ger operatören statusinformation.

Sist, men inte minst, hanterar ett larmsystem (IAS) larm från (alla) fartygets olika system. De olika kontrollfunktionerna (PMS, EMS, PCS, IAS) kan också implementeras som kombinerade eller gemensamma system.

Elektrifiering, helt eller delvis, av sjöfartsfartygens kraftsystem är en viktig insats för att minska de växthusgaser som produceras av sjöfartssektorn.

Som framgår av detta dokument har tekniken tyvärr sina begränsningar och är bara en del av lösningen på sjöfartsindustrins utmaningar. Dess inverkan kommer dock bara att öka med ytterligare anpassning och framtida innovation.

En framgångsrik utformning och implementering av ett hybrid- eller helelektriskt framdrivningssystem kräver noggranna tekniska och kommersiella överväganden i samarbete med systemexperter. Dessutom måste operatören överväga hur systemet ska stödjas under fartygets hela livslängd.

Moderna framdrivningssystem blir alltmer avancerade och datoriserade, vilket kräver specialistkompetens som finns tillgänglig i din region för service och underhåll. Gör därför en grundlig undersökning när du väljer rätt leverantör för dig eller din organisation.

FÖRKORTNINGAR

BMS: Batterihanteringssystem
BOL: Början på livslängden (batteri)
CPP: Propeller med reglerbar pitch
CCS: Kombinerat laddningssystem
DOD: Urladdningsdjup (batteri)
EMS: ENERGIHANTERINGSSYSTEM System för energihantering
EOL: Slut på livslängd (batteri)
HMI: Gränssnitt mellan människa och maskin
IAS: Integrerat larmsystem
ICE: Förbränningsmotor
IMO: INTERNATIONELLA SJÖFARTSORGANISATIONEN Internationella sjöfartsorganisationen
kW: Kilowatt (effekt)
kWh: Kilowattimme (energi)
MCS: Megawatt laddningssystem
MGO: Marin gasolja (marin diesel)
PCS: Kontrollsystem för framdrivning
PMS: System för energihantering
SOC: Laddningstillstånd (batteri)
SOH: Hälsotillstånd (batteri)

Marin elektrifiering

Innehållsförteckning

Om författaren

Avsedd målgrupp

Sammanfattning

Inledning