Fascynujące trendy rozwoju statków hybrydowych
Jeszcze kilka lat temu statki hybrydowe wykorzystywał i to umiarkowanie przemysł offshore. Obecnie nie tylko szybko rośnie ich liczba, ale rozszerza się też paleta zastosowań w transporcie morskim. Pływają już hybrydowe wersje średnich statków handlowych, promów ro-ro i ro-pax, czy mniejszych promów i statków specjalnych, takich jak holowniki i statki badawcze. Mogą to być całkiem małe jednostki, jak lokalny prom lub tak duże, jak Pure Car and Truck Carrier (PCTC), z 13-ma pokładami do załadunku różnych pojazdów o naciskach na oś od 1,2 do ponad 22 ton.
Jakich trendów powinniśmy się spodziewać w najbliższych latach w świecie statków hybrydowych? Opisuje to analiza, przygotowana przez Wärtsilä, fińską firmą zajmującą się produkcją i serwisem źródeł zasilania i innych urządzeń na rynkach morskim i energetycznym. Sama określa się jako „lider na rynku statków hybrydowych”, bowiem taki system napędu pomógł już wdrożyć na ponad 100 statkach użytkowanych lub budowanych, które stosują akumulatory o łącznej mocy 200 MWh. Dodajmy, że do coraz powszechniejszej obsługi statków hybrydowych muszą być przygotowane duże porty morskie.
Jak działają?
Statki hybrydowe wykorzystują dwa źródła zasilania, tj. zwykle konwencjonalny silnik spalinowy i akumulator. Hybrydowe statki elektryczne mogą w razie potrzeby natychmiast przełączać się między silnikiem a akumulatorem lub mogą być używane jednocześnie. Bateria jest używana na jeden z dwóch sposobów:
- w celu optymalizacji układu napędowego (akumulator jest wykorzystywany do takich funkcji, jak np. zapobieganie zanikowi zasilania lub wspomaganie podczas zwiększania obciążenia, itp.),
- w celu żeglugi obniżającej emisje spalin (akumulator jest jedynym źródłem zasilania jednostki w operacjach manewrowych lub portowych).
Kluczem do maksymalizacji korzyści płynących z systemu hybrydowego jest dedykowany system zarządzania energią (EMS), który zarówno optymalizuje interakcję różnych źródeł zasilania, jak i chroni akumulator poprzez bezpośrednie sterowanie konwerterem (kontroluje szybkość ładowania i rozładowania). Standardowy system zarządzania energią (PMS) nie może tego zrobić.
Jakie są zalety?
Użytkowanie statku hybrydowego w miejsce jednostki z spalającej olej napędowy może zmniejszyć zużycie paliwa podstawowego od 15 do 25 proc. Ponadto mniej zużywają się agregaty prądotwórcze, ponieważ mogą zostać wyłączone po przejęciu pracy akumulatora. Natomiast na znaczeniu nabiera inna zaleta napędu hybrydowego – pozwalają obniżyć emisje gazów cieplarnianych (GHG) o 25 proc. w porównaniu z podobnym statkiem z wyłącznie silnikiem wysokoprężnym. Ale np. norweski, hybrydowy masowiec Misje Vita (pływa m.in. do portu w Gdańsku) osiągnął do 40 proc. oszczędności paliwa w porównaniu z podobnymi statkami we flocie (5288 dwt). Ułatwia to spełnienie surowych przepisów dotyczących emisji spalin i sprawia, że statek jest bardziej atrakcyjny dla czarterujących lub pasażerów.
Inną zaletą hybrydowych statków jest to, że zasilanie bateryjne zmniejsza hałas i wibracje, dzięki czemu jest wygodniejszy dla pasażerów i załogi, ale także „społeczności przybrzeżnej i ekosystemów” (jednostka hybrydowa może żeglować z zerową emisją podczas manewrowania w porcie). Co równie istotne, w coraz większej liczbie krajów energia elektryczna do ładowania akumulatorów pochodzi już w co najmniej 50 proc. ze źródeł odnawialnych.
Nowe typy baterii
Wärtsilä informuje też, co przyniesie przyszłość statkom hybrydowym. Wymienia siedem najważniejszych trendów, które zobaczymy w ciągu następnej dekady. Wszystkie baterie morskie są akumulatorami litowo-jonowymi, podobnymi do tych z użytkowanych w przemyśle motoryzacyjnym i energetycznym. Jednak „zaczynamy obserwować wprowadzanie nowych akumulatorów litowo-jonowych do użytku morskiego wraz ze zwykłymi akumulatorami niklowo-manganowo-kobaltowymi (NMC), w tym: akumulatory litowo-żelazofosforanowe (LFP) oraz akumulatory litowo-tytanowo-tlenkowe (LTO). Te nowe typy baterii oferują różne korzyści w zależności od obszaru zastosowania, takie jak: dłuższa żywotność, niższa waga lub niższy koszt. Co istotne, rośnie liczba ich dostawców.
Po drugie, baterie są coraz mocniejsze
Dzisiejsze akumulatory okrętowe mają pojemność do 40 MWh, co umożliwia zarównoe (zero emisyjne) manewrowanie statkiem w porcie, jak i zasilanie podczas postoju w nim. Jednak rozmiar baterii nie jest jedynym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. Odpowiednia bateria zależy od sposobu jej użytkowania i profilu pracy statku. Wärtsilä podkreśla, że niezawodność akumulatora morskiego ma kluczowe znaczenie dla sprawnego działania statków, a jej baterie „są używane od ponad 10 lat i nadal działają dobrze. Jesteśmy jedynym integratorem, który osiągnął taki poziom niezawodności”. Zarazem firma podkreśla, że wraz ze wzrostem pojemności akumulatorów morskich ich ceny nie rosną istotnie, ale i nie należy spodziewać się raczej – wraz z bardziej masową produkcją – z ich spadkiem, ponieważ rosną ceny surowców.
Po trzecie, liczy się funkcja, a nie rozmiar
Ponieważ akumulator pomaga zoptymalizować pracę układu napędowego, jego idealny rozmiar zależy od profilu operacyjnego statku. Dlatego Wärtsilä wskazuje na szeroki wybór najbardziej efektywnego sposobu pracy układu napędowego. Np. gdy wymagane jest ładowanie akumulatora z lądu, względy żeglarskie nie są tak ważne dla rozmiaru akumulatora, jak czas ładowania i pojemność. Dlatego coraz bardziej powszechne staje się projektowanie systemu akumulatorów w oparciu o funkcję statku. Samo dodanie baterii do istniejącego układu napędowego statku zwiększa jego wagę, więc by uzyskać realne korzyści, układ napędowy musi zostać przeprojektowany w oparciu o funkcjonalność statku. „Ponowne przemyślenie projektu statku może prowadzić do znacznych oszczędności kosztów w porównaniu z oryginalnymi projektami. Jeśli statek hybrydowy nie ma mniejszej mocy zainstalowanej, należy zaangażować eksperta do ponownej oceny projektu”.
Po czwarte, bardziej powszechne stają się ogniwa paliwowe
Ogniwo paliwowe działa jak bateria, ale nie wymaga wcześniejszego ładowania. Wytwarza energię elektryczną i ciepło, o ile ma paliwo i środek utleniający. Zarówno akumulatory, jak i ogniwa paliwowe zapewniają zasilanie elektryczne prądem stałym (DC). Akumulatory są dobre przy zmiennych obciążeniach, natomiast ogniwa paliwowe są najlepsze dla stabilnych obciążeń podstawowych, ponieważ nie reagują dobrze na zmiany obciążenia. Dlatego ogniwom paliwowym zawsze towarzyszą baterie.
Obecnie są już dostępne do użytku morskiego ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC). Mają ponad 50 proc. wydajności, gdy do reakcji utleniania używany jest bezpośrednio wodór. Jeśli do wytworzenia wodoru z innego paliwa, takiego jak LNG, PEMFC (Ogniwo paliwowe z membraną do wymiany protonów) potrzebny jest reformer, jest on nadal tak samo wydajny jak dobry silnik spalinowy, choć znacznie droższy.
Bardziej interesującą technologią ogniw paliwowych – która jest obecnie rozwijana i nie jest jeszcze dostępna do użytku morskiego – są stałotlenkowe ogniwo paliwowe (SOFC – stosują stały materiał tlenkowy jako elektrolitu). Do produkcji energii elektrycznej SOFC mogą bezpośrednio wykorzystywać metanol lub amoniak. Wärtsilä podkreśla, że PEMFC to opcja dla właścicieli, którzy planują wykorzystanie wodoru. Natomiast SOFC to technologia „bliskiej przyszłości” i niektórzy armatorzy będą stosować takie ogniwa, by zdobyć doświadczenia i własne kalkulacje.
Po piąte, domyślny wybór – koncentratory DC
Nową koncepcją integracji hybrydowych układów napędowych jest zastosowanie koncentratora prądu stałego (DC) do dystrybucji energii elektrycznej.Statek z generatorem diesla jako głównym źródłem zasilania wytwarza prąd przemienny (AC). Jeśli głównym odbiorcą tej energii jest silnik elektryczny lub urządzenia „hotelowe” (oba wymagają prądu przemiennego), konwersja mocy z prądu przemiennego na prąd stały i z powrotem powoduje straty ciepła i energii elektrycznej. A statki hybrydowe zazwyczaj mają: silnik z podłączonym generatorem, który wytwarza energię AC oraz baterie, która wytwarza prąd stały.
Jednak Wärtsilä zwraca uwagę na rozsądny wybór stosowania koncentratora prądu stałego (DC). Mogą one mieć sens w przypadku mniejszych statków hybrydowych z małymi silnikami wysokoobrotowymi, ale „nie będą idealne” dla statków o dużej mocy z wieloma silnikami lub większych statków hybrydowych. Zamiast tego statki te powinny podłączyć agregaty prądotwórcze do sieci prądu przemiennego i podłączyć akumulatory i inne odbiorniki prądu przemiennego do małych koncentratorów prądu stałego, które są częścią całego hybrydowego układu napędowego z silnikiem wysokoprężno-elektrycznym.
Po szóste, nowy standard zasilania lądowego
Od 2011 r. obowiązuje norma IEC 80005 dla systemów wysokiego napięcia połączeń lądowych (HVSC). Systemy te umożliwiają zasilanie statków energią elektryczną z lądu. Ich pierwotną rolą było wyeliminowanie konieczności używania pomocniczych agregatów prądotwórczych w porcie. Ponieważ systemy HVSC mogą być również używane do ładowania akumulatorów statków hybrydowych, wszystkie budowane obecnie duże statki tego typu są już wyposażone w połączenia zasilania lądowego IEC 80005 (do 2030 r. muszą oferować taką usługę wszystkie główne porty).
Wadą tego rozwiązania jest to, że samo połączenie trwa kilka minut. Jeśli czas ładowania jest krytyczny, potrzeba szybszego połączenia. Połączenie w ciągu 30 sekund zapewniają tzw. „ładowarki promowe” (Megawatt Charging System – MCS). Z każdym rokiem rośnie ich zdolność dostarczania mocy – największe MCS mogą dostarczyć 15 MW prądu przemiennego średniego napięcia na statek lub ponad 8 MW w DC bez konieczności dalszej konwersji na pokładzie.
Po siódme, dostępne modernizacje
Systemy napędu hybrydowego są dostępne już poprzez modernizacje układu napędowego statku. Sama Wärtsilä w ostatnich latach wykonała ok. 30 takich modernizacji, głównie promów. Większość modernizacji obejmowała standardowy moduł HY. Ponieważ niektóre agregaty prądotwórcze można usunąć, przestrzeń i waga zwykle nie stanowią problemu. Można również zarządzać innymi zmianami, zwłaszcza jeśli istnieje pociąg napędowy z silnikiem spalinowo-elektrycznym.
Możliwość komentowania została wyłączona.
