Hvordan fungerer hybrid/elektrisk fremdrift i højhastighedsfartøjer (HSV)?

I dag vil de fleste mennesker have en reference til begreberne "hybrid" og "elektrisk" fra bilindustrien. Det grundlæggende koncept om, at den ene har en elektrisk motor i stedet for forbrænding (fuldelektrisk), og den anden er en kombination af de to (hybrid) som hovedfremdrift for køretøjet, er blevet almen viden.

Men i praksis er svaret lidt mere facetteret. Måske endnu mere i den maritime industri på grund af de meget højere effektkrav, uforudsigeligheden og kravene i driftsmiljøet og de efterfølgende sikkerhedshensyn. På trods af nogle udfordringer med teknologibegrænsninger er elektrificering i den maritime industri et afgørende skridt i den globale indsats for at reducere emissioner og samtidig nedbringe driftsomkostningerne.

I denne artikel vil vi give et overblik over de hybrid/elektriske teknologier, der er tilgængelige i dag, uddybe udfordringerne ved at overføre et marked, der er etableret med dieselmotorer, til elektriske og hybride løsninger, og de fordele, det giver for både miljøet og din bundlinje.

Hvad er hybrid og el?

Som nævnt vil du normalt ikke finde "fuldt elektriske" fartøjer, der udfører de samme opgaver som et dieseldrevet fartøj, på grund af de forskellige strøm- og sikkerhedskrav. Hovedårsagen er teknologien. Selv om den er avanceret, er den stadig ved at modnes, både hvad angår kapacitet og omkostninger. Lad os starte med at gennemgå de forskellige konfigurationer, der omfatter de to begreber, hybrid og elektrisk, i den maritime industri:

Hybrid:

• En dieselmotor og en elmotor er forbundet til den samme propelaksel gennem en gearkasse eller til parallelle drivlinjer. Hvornår man skal bruge den ene, den anden eller begge bestemmes af opgaven, dvs. den nødvendige belastning, varighed, afstand.
• Elmotoren driver køretøjet mekanisk frem, mens en dieselgenerator producerer strøm, der enten kan oplade batterierne eller levere ekstra strøm til elmotoren.

Elektrisk:

• Elmotoren er mekanisk forbundet med skruen og drives af batterier, der oplades ved kajen.
• Den elektriske motor er mekanisk forbundet med skruen og drives af batterier, der oplades ved kajen. Der kan være ekstra strømgenerator(er) til at forsyne skibets systemer med strøm uden at påvirke batteriernes rækkevidde og kapacitet.

Systemet som helhed

Hybrid- og fuldelektriske løsninger gør systemet på et skib mere komplekst. Men selv om det tilføjer komponenter og systemer til et skibs allerede komplekse maskineri, har det vist sig, at både vedligeholdelses- og driftsomkostningerne er lavere for disse topmoderne skibe.

Elektrificering indebærer, at følgende komponenter/systemer integreres i dit fartøj:

• Batteri
• Batteristyringssystem (BMS)
• Elektriske motorer
• Strømstyringssystem (PMS)
• Energistyringssystem (EMS)
• Kontrolsystem til fremdrift (PCS)
• Grænseflade mellem menneske og maskine (HMI)
• Industrielle automatiserede systemer (IAS) - alarmer og automatisering
• Gearkasse designet til enten hybride eller fuldt elektriske applikationer.
• Propeller (fast eller regulerbar stigning) til optimering af effektiviteten på tværs af hastigheder og belastninger.
• Digitale løsninger til fjernassistance
  
  

Alle disse komponenter har ofte forskellige producenter og evner, afhængigt af den tilsigtede brug (driftsprofilen) af fartøjet. Systemintegratorer er specialiserede i at optimere konfigurationen af disse systemer. Integrationen med skibets mekaniske elementer skal være effektiv og problemfri. Det er en balancegang, der kræver dyb viden om et skibs fysiske egenskaber, de enkelte systemer og hvordan det hele kommunikerer med hinanden og med omverdenen.

Tilgængelig teknologi

En af de vigtigste komponenter og måske den største udfordring, når det gælder elektrificering af skibe, er batteriteknologien. Batterier defineres almindeligvis som to typer, 'effekt' eller 'energi'. Det betyder, at pr. kilo batteri vil du enten have egenskaber, der gør det muligt at levere meget strøm i kort tid, eller mindre strøm i lang tid. Forskellige batteriteknologier varierer med hensyn til, hvor hurtigt de kan oplades, og hvor meget strøm det kræver at oplade dem. Desuden er dette proportionalt med, hvor meget strøm det kan/skal kunne levere og i hvor lang tid. Kun i begrænset omfang kan man få det bedste fra begge verdener.

Ny teknologi, nye overvejelser

Disse batteriegenskaber tilføjer en ny overvejelse for operatører af marinefartøjer: opladningsinfrastruktur. Kulbrintebrændstof har en etableret infrastruktur og en højere energitæthed. Det har gjort det relativt nemt at fylde brændstof på dieselskibe. For fuldt elektriske fartøjer er frekvensen for opladning af batteriet højere end for tankning af diesel. Man kan også altid køre en tankbil ned til molen, men højspændingsladestationer er stadig ikke almindelige. De er også afhængige af det lokale elnets kapacitet, hvilket er en ny udfordring for branchen. Der er spændende nye batterikemier og -designs under udvikling, men de er stadig eksperimentelle og endnu ikke tilgængelige i industriel skala.

Dette er en stor forenkling af udfordringerne ved elektriske løsninger til søs, men illustrerer, hvordan din drift, skibets tilsigtede brug og den region, det opererer i, definerer den optimale løsning.

Din driftsprofil er afgørende

En fuldt elektrisk løsning uden emissioner kan være en udfordring. Hvis den planlagte drift er mange korte ture, har du brug for anden teknologi og andre komponenter, end hvis skibet skal sejle over større afstande, operere i åbent farvand eller transportere tung last. Kravene til kraft/fremdrift i en specifik operation definerer helt ned på komponentniveau, hvad du får brug for. En større ændring af driftsprofilen vil kræve en eftermontering af komponenter og deres konfiguration.

Der er ingen klare regler, men den vigtigste indikator for, om dit fartøj kan blive fuldt elektrisk eller har brug for en hybridløsning, er forudsigelighed:

• Hvis fartøjets planlagte drift er en meget forudsigelig rute i generelt roligt/stabilt farvand, er en fuldelektrisk løsning ret ligetil. Det er derfor, man ofte ser fuldt elektriske passagerfærger eller sightseeing-krydstogter.
• Hvis skibet skal kunne udføre en lang række opgaver ved uforudsigelige destinationer, stop og forudsigelser, så er hybrid det optimale valg for at reducere udledningen. Eksempler på dette: CTV'er og eftersøgnings- og redningskøretøjer.

Det er vigtigt at understrege, at omfanget af elektrificering skal baseres på dine behov. Systemintegratorer og værfter med indgående kendskab til din branche og drift bør være i stand til at sætte grænser og kun give dig, hvad der er nødvendigt.

Nye muligheder og fordele

Som du kan se, er der overvejelser og udfordringer, som er nye for skibsindustrien, men fordelene ved delvis eller fuld elektrificering er betydelige. Effektivitet og lavere emissioner er kun toppen af isbjerget:

• Komponenterne er lettere at vedligeholde.
• Digitale systemer giver et niveau af data om din drift, som ikke tidligere har været muligt, hvilket giver grundlaget for at optimere hele din virksomhed, ikke kun driften af det elektrificerede fartøj.
• Reduceret markedsusikkerhed og -risiko ved at være et mere attraktivt valg/prospekt for både kunder og investorer.
• Lavere brændstofforbrug og driftsomkostninger.
• Skattefordele og incitamenter til at drive et lav- eller nulemissionsfartøj.
• Sikkerhed og driftsstabilitet.
• Mere EHS-venlig atmosfære med mindre støj.
• Fremtidig gensalgsværdi af skibet.
• Overholdelse af nye emissionsbestemmelser lokalt.

Med en større udbredelse af hybride/elektriske løsninger til søs og den videre udvikling vil effekten af disse egenskaber kun øges, mens både omkostninger og fleksibilitet ved teknologien vil blive forbedret.

Konklusion

Valget af løsning til elektrificering, hvad enten det er hybrid eller fuldt elektrisk, bestemmes af køretøjets tilsigtede drift. Lav- og nulemissionsfartøjer er ikke i stand til at udføre alle opgaver til søs. Det skyldes batteriteknologiens begrænsninger og de høje sikkerhedskrav i denne sektor. Desuden giver de meget højere effektkrav, det uforudsigelige driftsmiljø til søs og de efterfølgende sikkerhedshensyn alle udfordringer.

Det optimale valg af løsning, dvs. hybrid eller fuldt elektrisk, og i hvilken konfiguration, bestemmes af skibets planlagte driftsprofil. Det er skræddersyede systemer, som kræver, at systemintegratoren har et indgående kendskab til alle komponenter og deres grænseflader. En gradvis opgradering eller elektrificering i et begrænset omfang er dog mulig.

På trods af udfordringerne og de nye overvejelser for industrien er fordelene ved elektrificering enorme. På kort sigt får man et højere sikkerhedsniveau og reducerede driftsomkostninger ved at have et effektivt køretøj. På lang sigt kan du få både viden og kapital fra de data, som skibssystemet kan levere, og de lavere vedligeholdelsesomkostninger. Mest af alt gør du en forskel for miljøet og har et fremtidssikret fartøj til eventuelle lovgivningsmæssige tiltag.