Tech File: Vorantreiben hybrider elektrischer Lösungen

Von Domenic Carlucci • 26 Januar 2018

Um die Forderung nach sauberer, effizienterer Energie zu erfüllen, prüfen die Eigentümer das Potenzial für weniger konventionelle Methoden der Energieerzeugung und -speicherung - wie Brennstoffzellen, Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren, Schwungräder, Wind- und Solarenergie -, um ihre Schiffe anzutreiben. Im Bereich der Arbeitsboote, wo die schnelle Lieferung von Energie unter Spitzenbelastungsbedingungen von Schleppern bis hin zu Offshore-Unterstützungsschiffen üblicherweise erforderlich ist, gewinnt die Kombination von Lithium-Ionen-Batterien und Superkondensatoren zunehmend an Marktstärke. In der Tat wird die hybride Partnerschaft zu einer großen Neuigkeit.

Elektro-Hybrid-Antriebssysteme sind für den Schiffsverkehr nicht neu; Der Passagierschiffsektor setzt seit Jahrzehnten dieselelektrische Antriebe ein. Die jüngsten Fortschritte in der Hybrid- und Energiespeichertechnologie bringen jedoch zusätzliche Vorteile. Bei der Prüfung dieser Vorteile ist es zunächst wichtig, zwischen Hybridantrieb und einem Hybridantriebssystem zu unterscheiden - zwei Konzepte, die oft durcheinander gebracht werden.

Grundsätze definieren

Der Hybridantrieb verwendet üblicherweise Verbrennungsmotoren und elektrische Generatoren, um die Antriebswellen und die Triebwerke mit Energie zu versorgen, wie sie im Passagierschiffsbereich angegeben sind. Hybridstrom bezeichnet mindestens zwei verschiedene Arten von Stromerzeugungsgeräten (dh Dieselgeneratoren) oder Speicher (Lithiumbatterien) zur Bereitstellung von Strom für Antriebs- und Hotellasten (einschließlich Klimatisierung an Bord, Kommunikation, Unterhaltung, Beleuchtung, Kühlung usw.). Forderungen.

Hybrid-Antriebssysteme sind in der Schifffahrtsindustrie bereits weit verbreitet, beispielsweise an Bord von Offshore-Unterstützungsschiffen und Hafenschleppern. Bislang war der Nordseeraum der Schwerpunkt dieser Aktivität, die von staatlich gelenkten Umweltmandaten und -beschränkungen angetrieben wurde. Viele OSVs, die diesen Bereich bedienen, wurden umgerüstet oder mit Hybridsystemen gebaut. Die Hybridkraft hingegen wirkt sich auf Schiffsdesigns aus, und die Technologien für die zugehörigen Energiespeicher- und Managementsysteme entwickeln sich rasant. Daher müssen Industriestandards für diese neuen Technologien noch festgelegt werden.

Mögliche Vorteile erkennen

Viele der potenziellen Vorteile von Hybridantrieb bleiben theoretisch, da die Technologie im Bereich der Arbeitsboote noch jung ist. Die neuen Verteilersysteme könnten jedoch die Vorteile der Hybridleistung gegenüber konventionellen Stromversorgungssystemen wie bessere Energieeffizienz, reduzierte Emissionen und dynamische Leistung verbessern und Rauschbeseitigung.

Wenn beispielsweise ein OSV im normalen Betrieb ist, könnte ein Hybridantriebssystem die minimale Anzahl von Dieselgeneratoren reduzieren, die ständig laufen müssen. Dies ist möglich, weil die Energiespeichersysteme ([ESS], dh Lithiumbatterien oder Superkondensatoren) die zusätzliche Leistung für den gelegentlichen Spitzenbedarf liefern können, der durch Verschiebungsströme oder Wellen verursacht wird.

Wenn sie in raueren Umgebungen oder anspruchsvolleren Betriebsroutinen arbeiten, können mehrere Generatoren mit einer konstanten Geschwindigkeit betrieben werden, und das ESS unterstützt das elektrische Verteilungssystem mit zusätzlicher Leistung, um die Belastung durch zusätzliche Lastanforderungen wie bei dynamischer Positionierung zu verringern. Motorwartung, Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen könnten stark reduziert werden. Das schnell reagierende ESS dient als Energiepuffer für die vergleichsweise langsam anlaufenden Generatoren, um die Reaktionszeit der elektrischen Energie zu verbessern und um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Schiffes zu verbessern.

Da die Technologie hinter Hybridantrieb für die Industrie neu ist, hat ABS kürzlich mehrere Dokumente veröffentlicht, um das Verständnis der Branche für die damit verbundenen Sicherheitspraktiken sowie die Vorteile und Risiken der Einführung zu erweitern. Diese beinhalten:

Der Supercapacitor Guide, der zuletzt veröffentlicht wurde, trägt dazu bei, Sicherheitsrichtlinien für Eigentümer, Betreiber, Werften, Konstrukteure und Hersteller zu erstellen, die an der Produktion oder Nutzung dieser neuen Technologien beteiligt sind. Die maritime Industrie ist zunehmend daran interessiert, Superkondensatoren als Energiespeicher zu verwenden, wenn eine schnelle Lieferung von Energie während Spitzenlastzuständen erforderlich ist, beispielsweise wenn OSVs zur dynamischen Positionierung während der Stationierung Triebwerke verwenden.

Andere verschiedene Beispiele, wie sie und andere Energiespeichersysteme den Betrieb verbessern könnten, umfassen:

Wenn Superkondensatoren zur Lastnivellierung oder Peak-Rasur verwendet werden, fungieren sie als Energiepuffer, um Energie zu liefern oder zu absorbieren, wodurch Generatoren mit nahezu konstanter Last betrieben werden können. Ihre Fähigkeit, die Leistungsaufnahme zu optimieren und die Betriebsstunden zu reduzieren, kann den Wartungsaufwand reduzieren. Bei optimaler Belastung kann eine höhere Durchschnittslast aufrechterhalten werden, was zu einem stabileren und effizienteren Betrieb der Kraftmaschinen führt.

Die Superkondensator-Batterie-Partnerschaft könnte als zusätzliche Energiequellen verwendet werden, wenn Generatoren abgeschaltet werden. In einigen Fällen können sie zur Verhinderung von Blackouts, zur Fehlerüberbrückung und zur Unterstützung der Blackout-Wiederherstellung verwendet werden. Sie können auch als Teil einer Notstromquelle für Notfall- und Notfalldienste verwendet werden.

Dynamische Positioniergefäße. Superkondensatoren könnten verwendet werden, um Triebwerke zu versorgen und als eine sich drehende Reserve in dem dynamischen Positionierungsmodus und / oder als Standby-Energie für eine Fehlerdurchfahrt auf DPS-2- oder -3-Schiffen, die in einem geschlossenen Bus arbeiten, zu agieren.

Heben Sie die Kompensation an. Auf mobilen Offshore-Bohreinheiten oder OSV-Superkondensatoren könnten als Puffer für die Wellenkompensationsausrüstung und zum Gewinnen regenerativer Energie von Kränen verwendet werden.

Speicher für erneuerbare Energien. Superkondensatoren können als Energiespeicher auf Schiffen oder Offshore-Anlagen mit zyklischen erneuerbaren Energiequellen verwendet werden, um den fluktuierenden Energiefluss zu stabilisieren, der mit dem elektrischen Bordverteilungssystem verbunden ist.

Sie können auch in Kombination mit Batterien installiert werden, um die Batterien vor extremen Spitzenbelastungen zu schützen, die Batterielebensdauer zu verlängern und sowohl hohe Leistung als auch hohe Energiedichte zu erreichen.

Niedrige Temperaturumgebung. Superkondensatoren können in Umgebungen mit niedrigen Temperaturen eingesetzt werden, die die Batterieleistung erheblich einschränken.

Superkondensatoren haben eindeutig eine große Vielseitigkeit und können den Betrieb verbessern. Sie haben auch den niedrigen Innenwiderstand, der höhere Ströme im Vergleich zu den Fähigkeiten von Batterieanwendungen ermöglicht. Das Laden und Entladen einer Batterie beinhaltet eine temperaturabhängige elektrochemische Reaktion zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten. Ein elektrischer Doppelschichtkondensator unterscheidet sich von einer Batterie dadurch, dass der Lade- und Entladevorgang keine chemische Reaktion eingeht und weitgehend temperaturunabhängig ist.

Vorausschauen

Während das frühe Interesse und die Anwendung von Hybridantriebssystemen von OSV- und Schleppereigentümern herrührten, gibt es technisch gesehen keine Begrenzung für die Größe von Schiffen, die mit einer kombinierten Superkondensatorbatterie ESS betrieben werden könnten. Fluss-, Binnen- und Hafenbetrieb haben ähnliche Möglichkeiten zur Hybridentwicklung.

Zum Beispiel sind sowohl Lithiumionenbatterien als auch Superkondensatoren skalierbar, was es dem Besitzer ermöglicht, sich von Zelle zu Zelle zu erweitern, um iterativ die Speicherkapazität wie erforderlich zu erhöhen. Zahlreiche Side-by-Side-Batterien könnten von einem Power-Management-System betrieben werden, das Sub-Sets für das Kondensatormanagement und das Batteriemanagement besitzt.

Jeder Superkondensator oder jede Batterie hat ein eigenes Managementsystem für Sicherheitsanforderungen, das in Übereinstimmung mit seinem Design laufen würde. Dies würde mit den Energiemanagementsystemen des Schiffes interagieren. Die Skalierbarkeit der Systeme könnte sie für ein Bohrschiff, eine kleine Fähre und viele andere Anwendungen geeignet machen. Alles hängt davon ab, welche Größe ESS der Besitzer an Bord nehmen möchte.

Da ABS das Potenzial für Energiespeichersysteme sieht, die Elektro- und Antriebssysteme für eine Reihe von Schiffen zu verbessern, unterstützen wir die Industrie bei der Teilnahme an einer Vielzahl von Workshops und Konferenzen mit der Hybridtechnologie. Neben der Entwicklung einer Reihe von Hybridantriebs- und Leistungsantrieben und -beratungen hat ABS auch einige technologieorientierte Genehmigungsverfahren abgeschlossen, und unser Zulassungsprogramm umfasste mehrere Anbieter von Schiffsbatterien.

Gegenwärtig betrifft der Großteil der Hybridarbeiten, die ABS betrifft, die Nachrüstung, dh Maßnahmen zur Verbesserung der Betriebseffizienz bestehender Schiffe. Aber wenn die Industrie beginnt, neue Schiffe und Systeme mit Energiespeicherung zu konstruieren und zu bauen, kann es sein, dass sie weniger installierte Generatoren benötigt, anstatt die Ineffizienz auszugleichen. Dann könnten geringere Kapitalkosten mit Möglichkeiten für niedrigere Betriebskosten verbunden sein.

Der Autor

Domenic Carlucci ist der ABS-Manager für Maschinen-, Elektro- und Steuerungstechnik. Seit seinem Eintritt bei ABS im Jahr 2008 bekleidete Carlucci verschiedene Führungspositionen in den Bereichen Asset Integrity Management, Lebenszyklusrisiko und Zuverlässigkeit, Design- und Planüberprüfung sowie Produkt- und Serviceentwicklung. Er diente in der US Navy als Nuklear ausgebildete Surface Warfare Officer. Er erhielt seinen Bachelor of Science in Maschinenbau von der Duke University und einen Master in Business Administration von der University of Houston.

(Wie in der Januar 2018 Ausgabe von Marine News veröffentlicht )