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

I dag vil de fleste ha en referanse til begrepene "hybrid" og "elektrisk" fra bilindustrien. Det grunnleggende konseptet med en bil som har en elektrisk motor i stedet for en forbrenningsmotor (helelektrisk), og en bil som er en kombinasjon av de to (hybrid) som hovedfremdrift for kjøretøyet, har blitt allmennkunnskap.

I praksis er imidlertid svaret litt mer sammensatt. Kanskje i enda større grad i den maritime næringen, på grunn av de mye høyere effektkravene, uforutsigbarheten og kravene som stilles i driftsmiljøet, og de påfølgende sikkerhetshensynene. Til tross for noen utfordringer knyttet til teknologiske begrensninger er elektrifisering i den maritime næringen et viktig skritt i den globale innsatsen for å redusere utslippene og samtidig få ned driftskostnadene.

I denne artikkelen gir vi en oversikt over hybrid/elektrisk teknologi som er tilgjengelig i dag, og går nærmere inn på utfordringene ved å overføre et marked som er etablert med dieselmotorer, til elektriske og hybride løsninger, samt fordelene dette gir for både miljøet og bunnlinjen.

Hva er hybrid og elektrisk?

Som nevnt vil du normalt ikke finne "helelektriske" fartøy som utfører de samme oppgavene som et dieseldrevet fartøy, på grunn av de ulike kravene til kraft og sikkerhet. Hovedårsaken er teknologien. Selv om den er avansert, er den fortsatt under modning, både når det gjelder kapasitet og kostnader. La oss begynne med å gå gjennom de ulike konfigurasjonene som ligger til grunn for de to begrepene hybrid og elektrisk i den maritime industrien:

Hybrid:

• Dieselmotor og en elektrisk motor er koblet til samme propellaksel gjennom en girkasse, eller til parallelle drivlinjer. Når man skal bruke den ene, den andre eller begge, bestemmes av oppgaven, f.eks. nødvendig last, varighet, distanse.
• Elmotoren driver kjøretøyet mekanisk, mens en dieselgenerator produserer strøm som enten kan lade batteriene eller levere ekstra kraft til elmotoren.

Elektrisk:

• Elektromotoren er mekanisk koblet til propellen og drives av batterier som lades ved kai.
• Elektrisk: Den elektriske motoren er mekanisk koblet til propellen og drives av batterier som lades ved kai. Det kan være flere generatorer som forsyner skipets systemer med strøm, slik at batterienes rekkevidde og kapasitet ikke påvirkes.

Systemet som helhet

Hybrid- og helelektriske løsninger gjør systemet på et fartøy noe mer komplekst. Men selv om det tilfører komponenter og systemer til et allerede komplekst maskineri, har det vist seg at både vedlikeholds- og driftskostnadene er lavere for disse toppmoderne fartøyene.

Elektrifisering innebærer at følgende komponenter/systemer integreres i fartøyet:

• Batteri
• Batteristyringssystem (BMS)
• Elektriske motorer
• Strømstyringssystem (PMS)
• Energistyringssystem (EMS)
• Fremdriftskontrollsystem (PCS)
• Grensesnitt for menneske og maskin (HMI)
• Industrielle automatiserte systemer (IAS) - alarmer og automatisering
• Girkasse designet for enten hybride eller helelektriske applikasjoner.
• Propeller (fast eller regulerbar stigning) for optimalisering av effektiviteten på tvers av hastigheter og belastninger.
• Digitale løsninger for fjernassistanse
  
  

Alle disse komponentene har ofte forskjellige produsenter og egenskaper, avhengig av fartøyets tiltenkte bruk (driftsprofil). Systemintegratorer spesialiserer seg på å optimalisere konfigurasjonen av disse systemene. Integrasjonen med skipets mekaniske elementer må være effektiv og sømløs. Det er en balansegang som krever inngående kunnskap om fartøyets fysiske egenskaper, de enkelte systemene og hvordan de kommuniserer med hverandre og med omverdenen.

Tilgjengelig teknologi

En av de viktigste komponentene, og kanskje den største utfordringen når det gjelder marin elektrifisering, er batteriteknologien. Batterier defineres vanligvis som to typer: "Power" eller "Energy". Det betyr at hvert kilo batteri enten har egenskaper som gjør at det kan levere mye strøm på kort tid, eller mindre mengde strøm over lang tid. Ulike batteriteknologier varierer med hensyn til hvor raskt de kan lades og hvor mye strøm som kreves for å lade dem. Videre er dette proporsjonalt med hvor mye strøm det kan/må kunne levere og hvor lenge. Bare i begrenset grad kan du få det beste fra begge verdener.

Ny teknologi, nye hensyn

Disse batteriegenskapene gjør at operatører av marine fartøyer må ta et nytt hensyn: ladeinfrastruktur. Hydrokarbondrivstoff har en etablert infrastruktur og en høyere energitetthet. Dette har gjort det relativt enkelt å fylle drivstoff for dieselfartøy. For helelektriske fartøyer er det hyppigere å lade batteriet enn å fylle diesel. Du kan også alltid kjøre en tankbil ned til kaiene, men høyspentladestasjoner er fortsatt ikke vanlig. Disse er også avhengige av kapasiteten i det lokale strømnettet, noe som introduserer en ny faktor i bransjen. Det utvikles spennende nye batterikjemier og -design, men disse er fortsatt eksperimentelle og ennå ikke tilgjengelige i industriell skala.

Dette er en stor forenkling av utfordringene med elektriske løsninger til sjøs, men det illustrerer hvordan driften, fartøyets tiltenkte bruk og regionen det opererer i, definerer den optimale løsningen.

Din driftsprofil avgjør

En helelektrisk nullutslippsløsning kan være utfordrende. Hvis den planlagte driften består av mange korte turer, trenger du annen teknologi og andre komponenter enn hvis skipet skal gå over lengre distanser, operere i åpent farvann eller frakte tung last. Kravene til kraft/framdrift for en spesifikk operasjon definerer helt ned på komponentnivå hva du trenger. En større endring av driftsprofilen vil kreve en ettermontering av komponenter og konfigurasjonen av disse.

Det finnes ingen klare regler, men den viktigste indikatoren på om fartøyet ditt kan gå helelektrisk eller trenger en hybridløsning, er forutsigbarhet:

• Hvis fartøyet skal operere på en svært forutsigbar rute i generelt rolig/stabilt farvann, er en helelektrisk løsning ganske rett frem. Dette er grunnen til at man ofte ser helelektriske passasjerferger eller sightseeingcruise.
• Hvis skipet skal kunne utføre et bredt spekter av oppgaver, med uforutsigbare destinasjoner, stopp og forutsigbarhet, er hybrid det optimale valget for å redusere utslippene. Eksempler på dette: CTV-er og søk- og redningsfartøyer.

Det er viktig å understreke at omfanget av elektrifiseringen bør være basert på dine behov. Systemintegratorer og verft med inngående kjennskap til din bransje og virksomhet bør kunne sette grenser og kun tilby det som er nødvendig.

Nye muligheter og fordeler

Som du ser, er det en rekke hensyn og utfordringer som er nye for skipsindustrien, men fordelene med delvis eller full elektrifisering er betydelige. Effektivitet og lavere utslipp er bare toppen av isfjellet:

• Komponenter er enklere å vedlikeholde.
• Digitale systemer gir et datanivå om driften som ikke tidligere har vært mulig, noe som gir grunnlag for å optimalisere hele virksomheten, ikke bare driften av det elektrifiserte fartøyet.
• Redusert markedsusikkerhet og risiko ved å være et mer attraktivt valg/prospekt for både kunder og investorer.
• Lavere drivstofforbruk og driftskostnader.
• Skattefordeler og insentiver for drift av et lav-/nullutslippsfartøy.
• Sikkerhet og driftsstabilitet.
• Mer HMS-vennlig atmosfære med mindre støy.
• Fremtidig videresalgsverdi for fartøyet.
• Overholdelse av nye lokale utslippsregler.

Med mer utbredt bruk av hybride/elektriske løsninger til sjøs og videre utvikling vil effekten av disse egenskapene bare øke, samtidig som både kostnadene og fleksibiliteten til teknologien vil bli bedre.

Konklusjon

Valget av løsning for elektrifisering, enten det er hybrid eller helelektrisk, bestemmes av den tiltenkte driften av kjøretøyet. Lav-/nullutslippsfartøy er ikke i stand til å utføre alle oppgaver til sjøs. Dette skyldes begrensningene i batteriteknologien og de høye sikkerhetskravene i denne sektoren. I tillegg byr de mye høyere effektkravene, det uforutsigbare driftsmiljøet til sjøs og de påfølgende sikkerhetshensynene på utfordringer.

Det optimale valget av løsning, det vil si hybrid eller helelektrisk, og i hvilken konfigurasjon, avgjøres av fartøyets tiltenkte driftsprofil. Dette er skreddersydde systemer som krever at systemintegratoren har inngående kunnskap om alle komponentene og grensesnittene mellom dem. Det er imidlertid mulig med en gradvis oppgradering eller elektrifisering i et begrenset omfang.

Til tross for utfordringene og de nye hensynene bransjen må ta, er fordelene med elektrifisering enorme. På kort sikt oppnår man et høyere sikkerhetsnivå og reduserte driftskostnader ved å ha et effektivt kjøretøy. På lang sikt kan du dra nytte av både kunnskap og kapital fra dataene som skipssystemet kan gi, og de reduserte vedlikeholdskostnadene. Og ikke minst gjør du en forskjell for miljøet og har et fremtidsrettet fartøy som er rustet for eventuelle regulatoriske tiltak.