Hibridni pogon

Sadržaj

1. Uvod
2. Razumijevanje motora i generirane snage
3. Hibridni pogon
4. Zaključak 

1. Uvod

Vlasnici brodogradilišta i plovila ulažu sve više u pomorske hibridne sustave kako bi povećali fleksibilnost u projektiranju i ugradnji, optimizirali operativne performanse (s obzirom na potrošnju energije i snage) i smanjili utjecaj na okoliš.

Strogi zahtjevi za učinkovitost i kontrolu emisija uvelike su poboljšali nova plovila u posljednjem desetljeću, a nadogradnja će dodatno poboljšati postojeću flotu osiguravajući ispunjavanje ciljeva postavljenih za industriju 1.

U ovom članku obrađujemo hibridni pogon i zašto su hibridni sustavi ključni u našem prijelazu na održiviju pomorsku flotu. 
Jednostavno rečeno, učinkovitost dizelskog motora je njegova sposobnost pretvaranja goriva u mehaničku energiju. Opći prikaz karakteristika motora prikazan je na slici. ¹ 

2. Razumijevanje motora i generirane snage

Jednostavno rečeno, učinkovitost dizelskog motora je njegova sposobnost pretvaranja goriva u mehaničku energiju. Opći prikaz karakteristika motora prikazan je na slici 1. 

Slika 1 Relativna specifična potrošnja lož-ulja u funkciji relativnog opterećenja motora.

Kao što se vidi, potrošnja je nelinearna funkcija opterećenja motora, a ta funkcija ima minimum pri određenom opterećenju. Stoga, kako bi se smanjila potrošnja goriva, opterećenje motora trebalo bi biti oko 2/3 najvećeg kapaciteta. ²

Međutim, tipično vrijeme rada barem manjih brodova uključuje značajnu količinu lutanja pri malim brzinama. Uzmimo za primjer tegljače. Puno svog servisnog vremena provode u praznom hodu s upaljenim glavnim (vrlo velikim) motorima , što predstavlja  rasipanje energije!

Kao što se vidi na slici 1., rad pri malim brzinama jednak je neučinkovitosti pogonskog sustava jer motori rade izvan krivulje dizajna. 

² https://www.researchgate.net/figure/The-relative-specific-fuel-oil-consumption-SFOC-as-a-function-of-the-relative-engine_fig2_252392578 3

2.1. Dinamičke performanse goriva

Čisto dizelsko ulje i plinsko ulje za brodove imaju prilično brze dinamičke performanse (100 kW/sekundu za generator od 2 MW). Međutim, Pariški sporazum, povećanje područja kontroliranih emisijama i predanost IMO-a smanjenju emisija za 50% do 2050. zahtijevaju značajna poboljšanja u potrošnji goriva za plovila i razinama emisija 3. Nove vrste goriva i upotreba čistača za čišćenje ispušnih plinova će prevladavati u napretku. Goriva s manjim utjecajem na okoliš poput tekućeg prirodnog plina (LNG) i drugih biogoriva ne ispuštaju SOx plinove ili čestice.

Korištenjem LNG -a emisije NOx smanjuju se za do 85%, a emisije CO2 za najmanje 20%. ³ Međutim, ove vrste goriva karakterizira sporiji odgovor na promjenu. Nisu prikladni za nagle promjene u učitavanju. Stoga se javlja potreba za ravnomjernim opterećenjem motora. Na primjer, potisnici s izravnim pokretanjem ili ugrađeni kompresori mogu zahtijevati velika opterećenja u nekoliko sekundi.

Tradicionalno, način rješavanja ovoga bio je održavanje velikog broja generatora koji su radili kao rotirajuća rezerva spremna za najveća opterećenja. Ovi generatori samo nastavljaju raditi, spremni za moguću potrebu za povećanom snagom. Međutim, postoje bolji načini za rješavanje vršnih zahtjeva koji omogućuju praktičnu uporabu ovih goriva s niskim emisijama.

³ https://www.skangas.com/lng/lng-for-marine/

3. Hibridni pogon

Kao što je gore vidljivo, motori na gorivo najbolje rade pri statičkom opterećenju od oko 65-80% kapaciteta. No, fluktuacije snage se stalno događaju na plovilu. Vjetar i valovi koji utječu na pogon, uključivanje i isključivanje strojeva na vozilu i potreba za trenutnim potiskom za okretanje ili zaustavljanje vrše dinamička opterećenja na sustav.

Elektronici ne smeta dinamika. Elektronika je trenutačna, reagira u nekoliko milisekundi, a ne u sekundama, i može zadovoljiti potrebu za brzim promjenama u potrošnji energije.

Osim toga, uvođenje baterija u vaš sustav također znači da možete iskoristiti činjenicu da nakon smanjenja opterećenja možete napuniti bateriju kako biste oponašali opterećenje, osiguravajući da motori pogonjeni gorivom rade u dosljednim, statičkim uvjetima. Uvođenje baterije u sustav poznato je i kao hibridizacija. 

3.1. Hibridna plovila

Hibridna plovila pokreću dva ili više izvora energije.

Glavni motori i generatori obično se kombiniraju s integriranim skladištem energije u obliku baterija ili super kondenzatora. Namjera je hibridizirati ili proizvodnju energije osiguravajući optimizaciju generatora (gore objašnjeno) ili hibridizirati stroj koji troši energiju za optimiziranje svog ponašanja. 

3.2. Prednosti hibridnih sustava

Uz hibridna rješenja, baterije i manji dizelski generatori u suradnji se mogu koristiti za opskrbu plovila energijom u praznom hodu, tranzitu, okretanju, paljenju ili zaustavljanju. Glavni motori se mogu zaustaviti.

Puštanje motora na pogon na gorivo da rade optimalno, a elektronika se brine za najveću potražnju, znači da je nestala potreba za rotacijskim motorima. Kada primijenite ovaj pristup, generatori dobivaju više energije jer rade na optimalnoj točki snage - a potrebno ih je manje. To štedi težinu, novac i trud za instalaciju, rad i održavanje. Sustav za upravljanje snagom plovila automatski kontinuirano izračunava optimalni broj okretaja motora i definira optimalnu kombinaciju izvora energije za cijeli sustav. Zbog smanjenog broja motora i generatora koji rade, razina buke je smanjena, a potrošnja goriva smanjena. Za kraj, također se smanjuje trošenje motora/generatora, pa bi se intervali održavanja produžili, potencijalno i do 50%.

Prednosti su:

• Poboljšane performanse plovila
• Smanjene emisije
• Niži operativni troškovi zbog manje potrošnje goriva
• Niži troškovi održavanja povezani s motorima
• Smanjene razine buke i vibracije na brodu - također smanjuju buku u vodi
• Poboljšana dugoročna učinkovitost sustava napajanja
• Veći višak 

Ovo je primjer brodske izmjenične mreže uključujući mrežni pretvarač, baterijske sisteme i spoj s kopnom:

Slika 2. Primjer brodske izmjenične mreže uključujući baterijski sistem i spoj s kopnom.

3.3. Vrhunsko brijanje - Smanjite dinamičko opterećenje generatora!

Sustav za skladištenje energije za izmjeničnu mrežu na plovilu je dvosmjeran, kao što je prikazano na slici 2. Dvosmjernost osigurava da se, kada se opterećenje smanji, višak energije generiran iz motora pogonjenih gorivom koristi za punjenje baterija, pa generator ne radi nagle promjene.

Na primjer, ako postavite previše velike zahtjeve dizel generatoru, riskirate da se zaštitni mehanizam generatora isključi kako bi se zaštitio. To će zauzvrat preopteretiti ostale generatore, stvarajući efekt talasa, a u najgorem slučaju učiniti elektroenergetski sustav ništavim, što znači da je potpuno zamračenje neizbježno. 

Slika 3. Nagle promjene motora/generatora su neželjene i mogu dovesti do pada električne mreže plovila.

Umjesto toga, ako dopustite sustavu za skladištenje energije da izvrši ove brze promjene, motor i generator će doživjeti glatki porast i pad snage. Ugrađeni sustav upravljanja osigurava smanjenje opterećenja na kontroliran način prikladan za promjene karakteristične za taj motor.

Slika 4. Nagle promjene kojima upravlja elektronički sustav za pohranu.

U tu svrhu potrebna je kontrola snage/bazne struje u sustavu za pohranu (izmjenični pogon) kako bi se pokrile brze promjene opterećenja.

3.4. Dijeljenje opterećenja

Kako biste osigurali najbolju moguću uporabu opreme, potrebna vam je podjela opterećenja između vaših dizelskih generatora i skladišta energije.

Dijeljenje opterećenja može se izvršiti ili putem opadajuće funkcije za frekvenciju i napon ili korištenjem izosinkronog načina rada. ⁴

Kada podjednako dijelite aktivno opterećenje između svih izvora napajanja, postavka bi trebala biti ekvivalentna ostalim izvorima napajanja u sustavu. 

⁴ VACON® NXP Grid Converter - setup peak shaving, https://www.youtube.com/watch?v=DJ1B4C8PLHI&index=8&list=PLEpz8AOKe-rWlVVCNUx_GNREZiQB_1Q58

Slika 5. Dijeljenje opterećenja

3.5. Zaštita opreme i kontrola plovila

Kao i kod svakog električnog sustava, može doći do kratkog spoja. Ako dođe do kratkog spoja, želite izolirati neispravno područje, kako ne biste oštetili frekvencijske pretvarače, što bi učinilo cijeli sustav praznim. 

Slika 6. Održana struja

Da biste zapalili ili isključili osigurač, morate održavati dovoljno jaku struju dovoljno dugo da pregori (označeno s x). Kako bismo prilagodili ovu karakteristiku osiguraču, programiramo frekvencijski pretvarač kako bismo osigurali da su ti pragovi zadovoljeni.

Kad dođe do greške, struja kratkog spoja brzo raste. Ako struja dosegne razinu hardverskog isključenja pretvarača (Over Current Trip Limit), radi zaštite hardvera pretvarač se zaustavlja i potpuni pad mreže je neizbježno. Ovo je neželjeno ponašanje. 

Slika 7. Scenarij kratkog spoja

Korištenjem pretvarača za upravljanje strujom, rastuća struja može se detektirati i prekinuti na unaprijed definiranoj razini kratkog spoja. Ova se razina može podesiti i trebala bi se postaviti sa sigurnosnom marginom na razinu putovanja HW. Struja pada na 0. Regulator struje tada dovodi struju do granice struje kratkog spoja (također podesiv parametar prema karakteristikama osigurača). Vrijeme kratkog spoja također se postavlja prema karakteristikama osigurača. Otuda poznata struja za poznato vrijeme.

Sada je sve na mjestu da pregori samo osigurač u neispravnom krugu, a ne zamrači cijeli sustav. 

4. Zaključak

Uvođenje skladišta energije u plovila ima potencijal značajno smanjiti potrošnju goriva i troškove života. Istodobno, to može imati značajno pozitivan utjecaj na razinu emisija, osiguravajući postizanje ciljeva koje je postavila međunarodna zajednica.

Skladištenje baterija omogućuje optimalno korištenje motora ili generatora prema njihovim specifikacijama, uklanja potrebu za viškom kapaciteta centrifugiranja i prekomjernim dimenzioniranjem.

Pohrana baterije kao funkcija sigurnosnog kopiranja osigurava da ćete imati na raspolaganju alternativne izvore napajanja u slučaju kvara na glavnim motorima. Kao i u vašem privatnom kućanstvu, samo se kuhinjski osigurači puknu kad kuhar stavi kuhalo za vodu, ploču za kuhanje i pećnicu baš kad kapetanu treba dodatni gas.