Hur fungerar hybrid/elektrisk framdrivning i höghastighetsfartyg (HSV)

Idag känner de flesta till termerna "hybrid" och "elektrisk" från bilindustrin. Grundkonceptet med en bil som har en elmotor istället för förbränning (Fully electric) och en bil som är en kombination av de två (hybrid) som huvudsaklig framdrivning av fordonet har blivit allmänt känt.

Men i praktiken är svaret lite mer mångfacetterat. Kanske ännu mer inom sjöfartsindustrin, på grund av de mycket högre effektkraven, oförutsägbarheten och kraven i driftsmiljön samt de efterföljande säkerhetsaspekterna. Trots vissa utmaningar i form av teknikbegränsningar är elektrifieringen inom sjöfartsindustrin ett viktigt steg i de globala ansträngningarna att minska utsläppen och samtidigt sänka driftskostnaderna.

I den här artikeln ger vi en översiktlig bild av den hybrid-/elektriska teknik som finns tillgänglig i dag och går närmare in på utmaningarna med att överföra en marknad som är etablerad med dieselmotorer till el- och hybridlösningar samt de fördelar som detta medför för både miljön och slutresultatet.

Vad är hybrid och el?

På grund av de olika effekt- och säkerhetskraven hittar du som sagt normalt inte "helt elektriska" fartyg som utför samma uppgifter som ett dieseldrivet fartyg. Det främsta skälet är tekniken. Även om den är avancerad mognar den fortfarande, både när det gäller kapacitet och kostnad. Låt oss börja med att gå igenom de olika konfigurationer som ingår i de två termerna hybrid och el inom sjöfartsindustrin:

Hybrid:

• En dieselmotor och en elmotor är anslutna till samma propelleraxel via en växellåda eller till parallella drivlinor. När den ena, den andra eller båda ska användas avgörs av uppgiften, t.ex. erforderlig last, varaktighet, avstånd.
• Elmotorn driver fordonet mekaniskt, medan en dieselgenerator producerar ström som antingen kan ladda batterierna eller leverera ytterligare ström till elmotorn.

Elektrisk:

• Elmotorn är mekaniskt kopplad till propellern och drivs av batterier som laddas vid kaj.
• Elmotorn är mekaniskt ansluten till propellern och drivs av batterier som laddas vid kaj. Ytterligare kraftgenerator(er) kan finnas för att ge kraft till fartygets system utan att påverka batteriernas räckvidd och kapacitet.

Systemet som helhet

Hybrid- och helelektriska lösningar gör fartygssystemet mer komplext. Men även om det tillkommer komponenter och system till ett fartygs redan komplexa maskineri, har det visat sig att både underhålls- och driftskostnaderna är lägre för dessa toppmoderna fartyg.

Elektrifiering innebär att följande komponenter/system integreras i ditt fartyg:

• Batteri
• Batterihanteringssystem (BMS)
• Elektriska motorer
• Krafthanteringssystem (PMS)
• Energihanteringssystem (EMS)
• Kontrollsystem för framdrivning (PCS)
• Gränssnitt för människa och maskin (HMI)
• Industriella automatiserade system (IAS) - Larm och automation
• Växellåda utformad för antingen hybrid- eller helt elektriska applikationer.
• Propellrar (fast eller reglerbar stigning) för optimering av verkningsgraden vid olika hastigheter och belastningar.
• Digitala lösningar för fjärrassistans
  
  

Alla dessa komponenter har ofta olika tillverkare och kapacitet, beroende på fartygets avsedda användning (driftsprofil). Systemintegratörer är specialiserade på att optimera konfigurationen av dessa system. Integrationen med fartygets mekaniska delar måste vara effektiv och sömlös. Det är en balansgång som kräver djup kunskap om fartygets fysiska egenskaper, de enskilda systemen och hur de kommunicerar med varandra och med omvärlden.

Tillgänglig teknik

En av de viktigaste komponenterna, och kanske den största utmaningen när det gäller marin elektrifiering, är batteritekniken. Batterier definieras vanligen som två typer, "Power" eller "Energy". Det innebär att varje kilo batteri antingen har egenskaper som gör att det kan leverera mycket kraft under kort tid eller mindre kraft under lång tid. Olika batteritekniker varierar i hur snabbt de kan laddas och hur mycket ström som krävs för att ladda dem. Dessutom är detta proportionellt mot hur mycket effekt det kan/måste kunna leverera och under hur lång tid. Endast i begränsad omfattning kan man få det bästa av två världar.

Ny teknik, nya överväganden

Dessa batteriegenskaper innebär att operatörer av marina fartyg måste ta hänsyn till en ny aspekt: laddningsinfrastruktur. Kolvätebränsle har en etablerad infrastruktur och en högre energitäthet. Detta har gjort det relativt enkelt att tanka bränsle för dieselfartyg. För helt eldrivna fartyg är frekvensen för batteriladdning högre än för tankning av diesel. Du kan också alltid köra en tankbil ner till piren, men laddningsstationer för högspänning är fortfarande inte vanliga. Dessa är också beroende av det lokala elnätets kapacitet, vilket innebär en ny aspekt för branschen. Det finns spännande nya batterikemikalier och batteridesigner under utveckling, men dessa är fortfarande experimentella och ännu inte tillgängliga i industriell skala.

Detta är en mycket förenklad bild av utmaningarna med elektriska lösningar till sjöss, men illustrerar hur din verksamhet, fartygets avsedda användning och den region där fartyget är verksamt avgör vilken lösning som är optimal.

Din operativa profil avgör

En helt eldriven lösning med nollutsläpp kan vara en utmaning. Om den avsedda driften är många korta resor behöver du annan teknik och andra komponenter än om fartyget ska gå längre sträckor, trafikera öppet vatten eller transportera tung last. Kraven på kraft/framdrivning för en specifik operation definierar, ända ner på komponentnivå, vad du kommer att behöva. En större förändring av den operativa profilen kommer att kräva en eftermontering av komponenter och deras konfiguration.

Det finns inga klara regler, men den viktigaste indikatorn på om ditt fartyg kan bli helt eldrivet eller behöver en hybridlösning är förutsägbarhet:

• Om fartygets avsedda drift är en mycket förutsägbar rutt i generellt lugna/stabila vatten är en helelektrisk lösning ganska enkel. Det är därför man ofta ser helt eldrivna passagerarfärjor eller sightseeingkryssningar.
• Om fartyget måste kunna utföra en mängd olika uppgifter på oförutsägbara destinationer, med stopp och förutsägbarhet, är hybriddrift det optimala valet för att minska utsläppen. Några exempel: CTV:er och sök- och räddningsfordon.

Det är viktigt att betona att omfattningen av elektrifieringen bör baseras på dina behov. Systemintegratörer och varv med djupgående kunskaper om din bransch och verksamhet bör kunna sätta gränser och endast tillhandahålla det som behövs.

Nya möjligheter och fördelar

Som du kan se finns det överväganden och utmaningar som är nya för marinindustrin, men fördelarna med partiell eller fullständig elektrifiering är betydande. Effektivitet och minskade utsläpp är bara toppen av isberget:

• Komponenterna är enklare att underhålla.
• Digitala system ger en nivå av data om din verksamhet som inte tidigare varit möjlig, vilket utgör grunden för att optimera hela ditt företag, inte bara driften av det elektrifierade fartyget.
• Minskad osäkerhet och risk på marknaden genom att vara ett mer attraktivt val/objekt för både kunder och investerare.
• Lägre bränsleförbrukning och driftskostnader.
• Skatteförmåner och incitament för drift av ett fartyg med låga/nollutsläpp.
• Säkerhet och driftsstabilitet.
• Mer EHS-vänlig atmosfär med mindre buller.
• Framtida återförsäljningsvärde för fartyget.
• Efterlevnad av nya lokala utsläppsbestämmelser.

Med en bredare användning av hybrid-/elektriska lösningar till sjöss och dess vidareutveckling kommer effekterna av dessa egenskaper bara att öka, samtidigt som både kostnaden och flexibiliteten för tekniken kommer att förbättras.

Slutsatser

Valet av elektrifieringslösning, oavsett om det är en hybrid eller en helt elektrisk lösning, avgörs av fordonets avsedda användning. Fartyg med låga/nollutsläpp kan inte utföra alla uppgifter till sjöss. Detta beror på batteriteknikens begränsningar och de höga säkerhetskraven inom denna sektor. Dessutom innebär de mycket högre effektkraven, den oförutsägbara driftsmiljön till sjöss och de efterföljande säkerhetsaspekterna utmaningar.

Det optimala valet av lösning, dvs. hybrid eller helt elektrisk, och i vilken konfiguration, avgörs av fartygets avsedda driftsprofil. Det här är skräddarsydda system som kräver att systemintegratören har djupgående kunskaper om alla komponenter och deras gränssnitt. Det är dock möjligt med en gradvis uppgradering eller elektrifiering i begränsad omfattning.

Trots utmaningarna och de nya övervägandena för branschen är fördelarna med elektrifiering enorma. På kort sikt får man en högre säkerhetsnivå och minskade driftskostnader tack vare ett effektivt fordon. På lång sikt kan du få både kunskap och kapital från de data som fartygssystem kan tillhandahålla och de sänkta underhållskostnaderna. Framför allt gör du en insats för miljön och har ett fartyg som är framtidssäkrat för eventuella lagstiftningsåtgärder.