Tilbud om innhold: Elektrifisering av skip

Eirik Nesse - Direktør for maritim framdrift hos BOS Power.

Han har en Bachelor i Elektronikk fra Universitetet i Stavanger og har over 25 års erfaring fra den internasjonale telekomindustrien, hvor han har hatt ulike stillinger hos mikrobølgeleverandøren Nera/Ceragon, sist som direktør for produktstrategi.

Siden 2018 har han viet seg til maritim elektrifisering og er en viktig drivkraft innen BOS Power, og sikrer kvalitet og teknisk fortreffelighet i marine hybride og hel-elektriske kraft- og framdriftssystemer.

TTil tross for lokale skatte- og markedsinsentiver er det et faktum at man ikke enkelt kan erstatte et dieseldrevet framdriftssystem med noen batterier og en elektrisk motor.

Elektriske og hybride løsninger i den maritime sektoren krever et nytt sett med vurderinger og designprinsipper for fartøyet eller flåten. Videre er klassifiseringsselskapene fortsatt i ferd med å etablere sikkerhetsforskrifter, standarder og sertifiseringer. Men våre utslipp må reduseres, og til tross for noen begrensninger er elektriske løsninger veien videre.

Hands connecting puzzle pieces on wooden table.

Selv om dette er et globalt problem, begynner reduksjonen av disse utslippene med lokale løsninger. Lokale myndigheter bør bidra til å drive utviklingen og implementeringen av lav- til nullutslippskraftløsninger med de midlene de har tilgjengelig. Den private sektoren spiller også en viktig rolle ved å ta i bruk nullutslippsløsninger og tilpasse sin operasjonsmodell til denne nye teknologien.

Derfor jobber vi for å informere og gi opplæring i tilgjengelig teknologi i dag, samt nye produkter som kommer, innen hybride og elektriske løsninger til sjøs. Dette holder oss i BOS Power skjerpet og i stand til å tilby de aller beste skreddersydde fartøyene, optimalisert for effektivitet og lavere utslipp. Det bidrar også til å bygge en kunnskapsbase for realistisk og pragmatisk politikk i fremtiden.

Fremtiden er elektrisk, og selv om både teknologien, reguleringsorganene og bransjen må modnes inn i dette nye paradigmet, er vi mer enn optimistiske med tanke på hva fremtiden bringer.

De bærekraftige løsningene vi implementerer i dag er avgjørende for de miljøutfordringene vi står overfor, men de legger også grunnlaget for nye forretningsmodeller, industrier og tjenester.

Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) samt nasjonale myndigheter har satt mål for å redusere utslipp av klimagasser (GHG) fra skipsfarten.

I en studie fra 2020 konkluderer IMO med at skipsfartens andel av utslippene i 2018 utgjorde omtrent 2,9 % av de globale menneskeskapte utslippene, i form av karbondioksid (CO2), metan (CH4) og lystgass (N2O). Disse gassene stammer fra forbrenningen av fossilt brensel for å produsere energi til skipets framdrift og andre formål.

Selv om dette er et globalt problem som omfatter hele skipsfartssektoren (internasjonal, innenriks og fiske), krever reduksjonen av disse utslippene løsninger tilpasset lokale forhold.

Utviklingen og implementeringen av lav- til nullutslippskraftløsninger kan drives av økonomiske insentiver/skattlegging på utslipp, eller insentivene kan være markedsdrevne. Et eksempel på markedsdrevne insentiver er økoturisme, der en tur med et stillegående nullutslipps sightseeingfartøy gir mer verdi for kundene sammenlignet med et mer konvensjonelt dieseldrevet fartøy.

Hvordan kan skipsdesignere, eiere og skipsbyggere bidra til å redusere utslippene fra skipenes drift?

Akkurat som for veitransportsektoren vil elektrifisering av kraftsystemene i form av hybrid- eller helelektriske kraftsystemer resultere i reduserte utslipp, forutsatt at energien kommer fra fornybare kilder.

Kort sagt betyr det i dag å introdusere batterier for å lagre elektrisk energi, samtidig som man erstatter noe (eller alt) av energien fra fossilt brensel.

Dessverre finnes det ingen magisk løsning for implementering av et hybrid- eller elektrisk framdriftssystem. Det er derfor viktig å forstå begrensningene til denne teknologien, og hvordan man velger en optimal løsning.

Hybrid vs. elektrisk

Fremdriftssystemer

Det finnes ingen klare definisjoner eller bransjestandarder som skiller mellom begrepene hybride og elektriske Framdriftssystemer.

Hybrid, som betyr avkom fra to eller flere elementer, har tydeligvis både en elektrisk del og en konvensjonell (dieseldel). Denne kombinasjonen kan imidlertid ha forskjellige former.

BOS Power bruker begrepet ‘hybrid framdriftssystem’ når propellen kan drives mekanisk av en dieselmotor (Diesel Mode) eller av en elektromotor (Electric Mode) koblet til et felles gir mellom dieselmotoren og propelllinjen.

Propellen kan også drives av begge systemene i kombinasjon (Boost Mode). ‘Elektrisk framdriftssystem’ brukes for å beskrive et system der propellen drives utelukkende av en elektromotor (med eller uten reduksjonsgir). Det er viktig å forstå at et elektrisk framdriftssystem fortsatt kan inneholde en generator.

I slike tilfeller gir den en del av energien til framdriften eller andre elektriske forbrukere om bord. Dette omtales noen ganger som ‘seriehybrid’ eller ‘rekkeviddeforlenger’.

Slike generatoranlegg kan også fungere som en sikkerhetsfunksjon (‘Take me home-funksjon’) dersom batteriet er tomt for energi.

Hvilket valg passer best for ditt behov?

Valget mellom en hybrid- eller elektrisk arkitektur avhenger av flere nøkkelfaktorer, der bruksområde eller driftsprofil spiller en avgjørende rolle.

En driftsprofil er beskrivelsen av hvordan fartøyet drives gjennom dagen med hensyn til dets energibehov på ulike tidspunkter.

En typisk driftsprofil beskriver framdriftskraften og varigheten av transitt, manøvrerings-/ventemodus og tid ved kai. I tillegg til å svare på energibehovet under drift, og dermed energibehovet, vil den også svare på en annen begrensende faktor, nemlig tiden og energien som er tilgjengelig for å lade batteriene fra landstrømsnettet.

Ettersom batteriet, altså energilagringen, er den største begrensende faktoren i elektrifisering, både når det gjelder tilført vekt og kostnad for elektrifisering av fartøyene, må dette dimensjoneres korrekt. Å legge til mer energilagring øker ikke bare kostnadene, men også energibehovet.

Den økte framdriftskraften som kreves når du legger til vekt, er en viktig vurdering, spesielt for hurtiggående planende fartøyer.

Det innledende valget av systemarkitektur og batterityper kan gjøres når du har fastsatt forholdet mellom:

Energibehov
Energikonsum (framdrift, hjelpe- og hotellfunksjoner)
Lading (effekt/energi/varighet)

EN TOMMELFINGERREGEL

Hvis applikasjonen har lange perioder med høy effekt i transitt og korte stopp/liten tid ved kai, peker dette mot et hybridsystem. Framdriftseffektiviteten til dieselmekaniske framdriftssystemer er høyere enn for dieselelektriske systemer. Derfor vil sikring av høyest mulig effektivitet i dieselsystemet redusere utslippene fra fossilt drivstoff.
Hvis applikasjonen har kortere eller lav effekt i transitt med tilstrekkelig tid ved kai for å lade batteriet, peker dette mot et elektrisk framdriftssystem.

Energibærer (batterier)

Batteriteknologien som brukes i maritim energilagring, er for det meste av Li-ion type.

VANLIGE KJEMIER

NMC (litium-nikkel-mangan-koboltoksid)
LFP (Litium-jern-fosfat)
LTO (Litium-titanoksid)

Mens NMC-kjemien tilbyr bedre energitetthet, er den også litt mer utfordrende, med lavere termisk stabilitet (brannfare). Bruken av kobolt er også en utfordring på grunn av prisvolatilitet, skjør forsyningskjede og mer.

Båtbatterier klassifiseres vanligvis som enten ‘kraft’- eller ‘energi’-typer. Dette kjennetegnes av deres evne til å lades/utlades:

‘Kraft’-batterier kan ta imot eller levere (lades/ utlades) høyere effekt enn ‘energi’-batterier med samme energilagringskapasitet.
‘Energi’-batterier har en høyere spesifikk energitetthet (lavere vekt) enn ‘kraft’-batterier med samme energilagringskapasitet.

Imidlertid, på grunn av begrenset effektopptak (ladeevne), kan de trenge å være overdimensjonerte når det gjelder nominell energikapasitet. Se mer om C-tall nedenfor.

Vekt og størrelse

Energitettheten til diesel (MGO) er mye høyere enn energitettheten til marine Li-ion-batterier.

Mens energitettheten i diesel (MGO) er omtrent 12,3 kWh/kg, varierer energitettheten til marine Li-ion-batterier fra 0,16 kWh/kg til 0,07 kWh/ kg. For å vurdere den effektive vekten av energilagringssystemet, må man også ta hensyn til energiomformingsvirkningsgraden.

Forbrenningsmotorer (ICE) som bruker marine gassolje (Marine Diesel/MGO) som drivstoff, har omtrent 34 % energiomformingsvirkningsgrad.

Dette resulterer i en netto energieffektivitet for MGO på omtrent 4,2 kWh/kg drivstoff ved propelllinjen.

For å beregne energiomformingsvirkningsgraden fra batteriet til utgangen av elektromotoren, må vi først fastslå hvor mye av den totale energien lagret i batteriet som kan brukes under drift.

Den nyttige (ut av total) energikapasiteten i et batterisystem bestemmes av antall og dybden på utladings-/ladingssyklusene versus den påkrevde levetiden til batteriet.

C-tall

Forholdet mellom maksimal lade-/utladeeffekt og batteriets nominelle energikapasitet.

Forholdet mellom maksimal lade-/utladeeffekt og batteriets nominelle energikapasitet uttrykkes som C-tall.

Et C-tall på 1 indikerer at et batteri med en størrelse på 100 kWh kan levere/ta imot 100 kW effekt, mens et C-tall på 3 indikerer at et 100 kWh batteri kan levere/ta imot 300 kW effekt.

I sjøfartsindustrien er C-tall mellom 0,7 til 3C vanlige.

Energilagringskapasiteten til Li-ionbatterier forringes over tid og av antall lade-/ utladingssykluser. Det er vanlig å definere en degradering til 80 % av den opprinnelige kapasiteten som slutten av levetiden (End of Life, EOL). Antall lade-/utladingssykluser før EOL avhenger av dybden på hver utladning (Depth of Discharge, DoD) og batterikjemien.

Et eksempel

Energilagringsteknologier er nøkkelen i transformasjonen av energisektoren.

Hvis en gitt driftsprofil krever at batteriet lades fem ganger per dag, vil dette gi 1 825 sykluser per år. Rekkevidden for utladningsdybden (DoD) per ladesyklus vil være rundt 30 % for å oppnå en levetid på 10 år (18 250 sykluser).

Til bruksområder som pendelferger, med hyppige sykluser per dag, kan trenge en større total batteristørrelse på grunn av lavere DoD per syklus sammenlignet med en bruk med færre sykluser. Dette er grunnen til at definisjon av driftsprofilen er avgjørende for designet av batterisystemet.

Betydelig forskningsinnsats og finansiering legges ned i utviklingen av batteriteknologier. Energilagringsteknologier er avgjørende for transformasjonen av energisektoren mot fornybare energikilder.

Flere lovende batterikjemier, med økende energitetthet, demonstreres i laboratorier og universiteter over hele verden. Å bringe disse til markedet i kommersielle produkter tar imidlertid tid. Dessuten er segmentet for energilagring i den maritime sektoren lite sammenlignet med landbaserte applikasjoner.

Dette resulterer i lavere prioritet for disse markedene. Vi må derfor utnytte dagens teknologier på best mulig måte; de som er velprøvde og godt kjente, når vi designer marine kraftsystemer for dagens behov.

Driftsprofil

Definering av driftsprofilen er avgjørende for å bestemme optimal systemdesign.

Både når det gjelder valg av systemarkitektur og valg av nøkkelkomponenter, som batteri- og ladesystem.

Driftsprofilen er en beskrivelse av effekten som trengs på ulike tidspunkter i løpet av dagen, og tiden, effekten og tiden ved kai tilgjengelig for å lade batteriene.

Dette vil bestemme netto energibehov for å utføre operasjonen og den totale batterikapasiteten som kreves (utladningsdybde), gitt en påkrevd levetid for batterisystemet og batteriets C-tall (‘kraft’- eller ‘energi’-type).

Det eksemplet på driftsprofil som vises i Figur 3, viser at det inneholder 15 x 30 % DoD og 1 x 60 % DoDsykluser per dag. Videre er dette tilfellet modellert med en total batterikapasitet på 900 kWh, som betyr at det krever en C-tall på 1,3 under lading (1200 kW ladeeffekt).

Merk at dette eksemplet også representerer en ny utfordring. Den siste turen på dagen har kortere ladetid, noe som resulterer i lav ladestatus (State of Charge, SOC). Dette kan være et problem som må vurderes opp mot kapasitetsreduksjonen ved slutten av levetiden (EOL)

Ladeinfrastruktur

Lede elektrisk kraft til kaien.

Et fartøy som betjener en rute med høy frekvens og korte stopp, kan kreve en dedikert multi-megawatt strømforsyning for effektivt å lade batteriene om bord. Dette er en utfordring på grunn av de tidligere nevnte årsakene som C-tall, dybde på utladning og batteriets sykluslevetid.

HOVEDUTFORDRINGER MED LADING AV ELEKTRISKE FARTØY:

Potensielt begrenset tilgjengelig nettverkskapasitet
Manglende standardisering av ladegrensesnitt
Ladeinfrastruktur

Nettkapasitet

Hvis operatøren må investere i å bygge nytt eller oppgradere høyeffekts nettinfrastruktur, kan dette være en betydelig økonomisk byrde for elektrifiseringsprosjektet.

Dette er et aspekt som ofte blir oversett. Vi tar for gitt at det er nok strøm i et område. Dette er dessverre ikke alltid tilfelle. Om havnen eller til og med regionen har nettverkskapasitet til å levere den nødvendige ladeeffekten, er en mye større utfordring og en hindring for mange operatører. Mens det er mulig å bygge en ladestasjon på kaien, er konstruksjon av høyspenningsinfrastruktur en helt annen sak.

For fartøyer som kun trenger lading over natten, er dette mindre utfordrende. “Drypp-lading” kan tilrettelegges de fleste steder. Imidlertid krever hel-elektriske hurtigferger, som seiler ruter med høy frekvens, en dedikert nettilkobling på 3-5 MW.

Standardisering

De to hovedløsningene for lading: AC-lading fra kraftnettet på land eller DC-lading ved bruk av ladeomformere på land.

AC-LADING FRA KRAFTNETTET PÅ LAND

AC-lading er basert på å koble AC-landstrøm (vanligvis 400 VAC) til fartøyet, der ombordliggende AC/DC-omformere lader batteriene.

Den tilgjengelige AC-landstrømmen fra havnemyndigheter er vanligvis beregnet for ‘coldironing’ og standard landstrøm, basert på IEC 80005- 3, gir omtrent 240 kW ladeeffekt. DC-lading er basert på AC/DC-omformere (eller ladestasjoner) plassert på land.

DC-LADING MED LADEOMFORMERE PÅ LAND

Det kombinerte ladesystemet CCS (Combined Charging System) er et alternativ for standardisert DC-ladesystem, for ladeeffekt opptil 350 kW

Transportindustrien har også lansert MCS (Megawatt Charging System) som gir opptil 3 MW og mer (avhengig av batterispenning).

Denne løsningen ligner på hurtigladesystemer for bilindustrien.

Regelverk/klassifiseringskrav

Sikker drift til sjøs er naturligvis av stor betydning for enhver fartøyseier/-operatør.

IMO og de ulike flaggstatlige myndighetene samt klassifiseringsselskapene har over årene utviklet et regelverk og juridisk rammeverk som skipsdesignere og verft må overholde.

De siste årene har dette maritime regelverket også blitt tilpasset innføringen av elektriske framdriftssystemer, spesielt for sikkerheten til batterisystemer. En brann i et Li-ion-batterisystem kan være katastrofalt for et fartøy til sjøs. Den potensielt høye energien i et maritimt Li-ion-batterisystem og den nesten eksplosive naturen til termisk rømningsforhold krever strenge sikkerhetsvurderinger i design og installasjon av batterisystemet.

Videre må designet av batterirommet/-avdelingen vurderes med hensyn til brannoppdagelse og -slukking, klimakontroll og ventilasjon for avgassing.

Batterisystemer brukt i maritime miljøer må være typegodkjent av et anerkjent klasseselskap. Slike typegodkjenninger verifiserer blant annet at batterisystemet er fri for spredning av termisk rømningsforhold, det vil si at en feil/brann i en enkelt battericelle ikke vil forårsake at andre tilstøtende celler går inn i en termisk rømningssituasjon.

Kontrollsystemer / framdriftskontroll

Hjertet i ethvert hybrid- eller elektrisk framdriftssystem er de forskjellige kontrollsystemene.

Selve batterisystemet inneholder en batterihåndteringssystem (BMS)-funksjon, som overvåker tilstanden til de enkelte battericellene og modulene.

Med cellenes temperatur, spenninger og strøm overvåket, sikres trygg lading og utlading av batterisystemet.

På fartøyets framdriftssystemnivå kontrollerer et strømstyringssystem (PMS) sammen med et energihåndteringssystem (EMS) effektnivåer, spenninger og tilstanden til kraftsystemets forskjellige komponenter. Dette sikrer at forbrukerne opererer innenfor de designede parametrene.

Nøkkelinformasjon må være lett tilgjengelig for fartøyets operatør på broen, og muligens i maskin-/ utstyrsrom:

Batterienes energistatus
Effektnivåer
Gjenværende driftstid/-rekkevidde
Driftsstatus og alarmer

Et kontrollpanel, eller et menneske-maskingrensesnitt (HMI), presenterer systeminformasjonen og statusen til kapteinen og/eller maskinsjefen. Kontrollpanelene (HMI) kan også gi input fra operatøren som ‘Moduskontroll’, for eksempel:

Start/stopp av landstrømslading
Start/stopp av dieselaggregater
Valg av kraftmodus i en hybridkonfigurasjon:
- Dieselmodus
- Elektrisk modus
- Boost-modus (begge)
- og/eller lading av batterier fra generator(er).

Framdriftskontrollsystemet (PCS) håndterer typisk framdriftskommandoer fra skipets operatør, som motorturtall/effekt, propellstigning i CPPsystemer, girkobling/ frakobling, samt gir operatøren statusinformasjon.

Sist, men ikke minst, håndterer et alarmsystem (IAS) alle alarmer fra de forskjellige skipsystemene. De forskjellige kontrollfunksjonene (PMS, EMS, PCS, IAS) kan også implementeres som kombinerte eller felles system(er).

Elektrifisering, enten delvis eller fullstendig, av kraftsystemene til maritime fartøy er en nøkkelinnsats for å redusere klimagassene (GHG) produsert av den maritime sektoren.

Som beskrevet i dette dokumentet har teknologien dessverre begrensninger og er bare en del av løsningen på utfordringene i maritim industri. Imidlertid vil dens innvirkning bare vokse med ytterligere tilpasning og fremtidig innovasjon.

En vellykket design og implementering av et hybrideller helelektrisk framdriftssystem krever nøye tekniske og kommersielle vurderinger i samarbeid med systemeksperter. I tillegg må operatøren vurdere hvordan systemet vil bli støttet gjennom fartøyets levetid.

Moderne framdriftskraftsystemer blir stadig mer avanserte og datastyrte, noe som krever spesialistkompetanse tilgjengelig i ditt område for service og vedlikehold. Derfor er det viktig å undersøke grundig når man velger riktig leverandør for deg eller din organisasjon.

FORKORTELSER

BMS: Battery Management System (Batterihåndteringssystem)
BOL: Beginning of life (Batteri)
CPP: Controllable Pitch Propeller (Vribar propell)
CCS: Combined Charging System (kombinert ladesystem)
DOD: Depth of Discharge (Batteri)
EMS: Energy Management System
EOL: End of life (Batteri)
HMI: Human Machine Interface (Menneske-maskin grensesnitt)
IAS: Integrated Alarm System
ICE: Internal combustion engine
IMO: Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen
kW: Kilowatt (effekt)
kWh: Kilowatt hour (energi)
MCS: Megawatt Charging System (Megawattladingssystem)
MGO: Marine Gas Oil (Marine Diesel)
PCS: Propulsion Control System (Framdriftskontrollsystem)
PMS: Power Management System (Strømstyringssystem)
SOC: State of Charge (Batteri)
State of Health (Batteri)

Marin elektrifisering

Innholdsfortegnelse

Om forfatteren

Tiltenkt publikum

Sammendrag

Innledning