Hvorfor installere batterier på skip? (Mange produserer jo uansett all strøm fra egne dieselgeneratorer.)

Mange skip har installert energilager i form av batterier (se bilde 2). Batterier på skip skal enten alene (rent elektrisk) eller sammen med en eller flere dieselegeneratorer (hybrid) sørge for stabil og sikker strømforsyning.

Begrunnelsen for å installere batterier er ikke nødvendigvis å benytte seg av strøm fra land.  I mange tilfeller er det i utgangspunktet tenkt at batteriene kun skal lades fra generatorene om bord.

Man skulle kanskje tro at det ikke vil lønne seg å installere batterier hvis man ikke baserer seg på lading fra land? Under gitte betingelser er det imidlertid mulig å redusere drivstofforbruk og utslipp ved hjelp av batterier, også i tilfeller hvor all energi produseres om bord.

Hvorfor installere batterier på skip? Og hva med dieselgeneratorene?

Hovedbegrunnelsen for introduksjon av batterier på skip vil variere avhengig av type fartøy og hvilke operasjoner fartøyet utfører. Typisk vil motivasjonen være reduksjon av en eller flere av punktene under:

• Utslipp
• Drivstoff
• Kost
• Vedlikehold
• Akustisk støy
• Risiko

En annen motivasjonen kan være at batterier fremover vil være en praktisk løsning for å oppfylle et økende omfang av lokale reguleringer som setter begrensninger på utslipp og støy (vernede områder og lokale havneregler).

Det er viktig å påpeke at batterier ikke kan løse alle utfordringer knyttet til utslipp fra maritime sektor. Dette skyldes ikke bare at energibehovet er svært høyt på mange fartøy, men også at det er vanskelig å se for seg at tilstrekkelig ladekapasitet vil kunne gjøres tilgjengelig alle steder der dette i så fall vil måtte være tilgjengelig.

• Les mer om SINTEFs ekspertise Elektriske og hybride kraftsystemer for skip 

Hvordan gir batterier på skip gevinst?

I hovedsak vil batteriene kunne gi en gevinst på følgende måter:

1. Strøm som alternativ til diesel ved kai

Batterier muliggjør bruk av strøm fra land som alternativ til diesel. Dette vil ikke være praktisk mulig for alle skip, men vil gi reduserte utslipp og redusert energikostnad siden elektrisk energi i Norge er billigere enn diesel per kWh energi en får utnyttet om bord. Om det totalt også vil gi en kostnadsreduksjon vil variere avhengig av fartøy og type operasjoner samt eventuelle avgifter for utslipp.

2. Strategisk belasting av dieselgeneratorer

Batterier kan brukes til å sørge for mer gunstig belastning av dieselgeneratorene slik at disse får kjøre med en bedre virkningsgrad. Dette kan du lese mere om senere i bloggen. (Under overskriften «Strategisk kjøring av dieselgeneratorer for redusert forbruk»)

3. Effektreserve (spinning reserve)

Batteriene kan fungere som en momentant tilgjengelig reserve for å garantere sikker strømforsyning under kritiske operasjoner (såkalt «spinning reserve»). Alternativet for skip i kritiske operasjoner er å la flere generatorer kjøre enn det som strengt tatt er nødvendig, noe som gir vesentlig høyere forbruk av diesel. Dette kan for enkelte skip gi mer enn 10% reduksjoner i forbruk og utslipp i den tiden slike operasjoner pågår.

4. Flate ut belastningstopper på dieselgeneratorene

Batteriene kan fungere som en reserve for å dekke kortvarige behov for ekstra elektrisk energi slik at en slipper å kjøre flere generatorer enn det gjennomsnittslasten tilsier, alternativt at en slipper å stadig starte og stoppe en ekstra generator, med påfølgende ekstra drivstofforbruk og ekstra slitasje på motorer. Skip med store kraner og spesielt boreskip vil kunne ha stor nytte av dette. Batteriene gjør det dessuten enklere å utnytte bremseenergi når kraner senker lasten.

5. Erstatte bruk av dieselmotorer når en ligger i ro

Batterier tillater at en stopper alle dieselmotorer når en har lavt forbruk av elektrisitet om bord. Dette kan for eksempel være når et skip ligger til kai eller ligger for anker. Dieselgeneratorene må riktignok startes nå og da for å lade batteriene men i større perioder blir mannskap og omgivelser forskånet for støy og utslipp av eksos. Reduksjonen i utslipp skyldes at dieselmotorene vil kunne kjøres med mer optimal last under ladding enn det som er mulig ved konstant kjøring ved lav last. Mer optimal last betyr bedre virkningsgrad og vesentlig reduserte utslipp.

6. Batterier som døråpner for lavtrykks gassmotorer og brenselsceller

Batterier kan være døråpner for utvidet bruk av lavtrykks gassmotorer og brenselceller. Begge disse kan bidra til reduserte utslipp, men begge har også begrensninger når det gjelder hurtige endringer i kraftbehov. Disse kan derfor ikke benyttes som eneste energikilde på alle typer fartøy.

• Batterier kan imidlertid utvide bruksmulighetene for lavtrykks gassmotorer og brenselceller siden energiflyt inn og ut av batterier uten problemer reguleres slik at energiproduksjon fra lavtrykk gassmotorene og brenselcellene hele tiden kan rampes rolig opp og ned.
  (Se: «Model Predictive Control of Marine Power Plants with Gas Engines and Battery«)

Det er ikke til å komme fra at en vil tape noe energi i batterier og i tilhørende kraftelektronikk som trengs for å regulere ladding og utlading av batteriene. Dette har imidlertid liten betydning for punkt 2, 3, 4 og 6 siden kun en liten andel av energien går via batteriet og batteriet kun benyttes sporadisk.

Det er imidlertid viktig å være bevisst på at det ikke alltid vil svare seg å sette inn batterier. Dette må vurderes for hvert enkelt tilfelle.

Likeledes må en være bevisst på hvordan en bruker batteriet. De forespeilte gevinster vil kunne utebli eller til og med ha motsatt av ønsket effekt hvis batteriene benyttes på feil måte. Feil bruk eller feil dimensjonering kan dessuten medføre at batteriene mister lagringskapasitet mye raskere enn det det er tatt høyde for.

Hva gjør SINTEF Energi innenfor batterier på skip?

SINTEF Energi har lang erfaring med design, styring og optimalisering av kraftsystemer. Dette inkluderer også design og styring av kraftelektronikkomformere som er en vesentlig og nødvendig komponent for å utnytte batterier i kraftsystemer. Denne erfaringen benytter vi som grunnlag for å se på utfordringer knyttet til batterier og andre energilager på skip. Dette inkluderer blant annet:

• Metodikk for å bestemme optimal energikapasitet (kWh) og effekt (kW) på batterisystemer
• Metodikk for å hensynta sammenhengen mellom levetid og bruksprofil i optimeringer
• Optimal styring av energiflyt (påvirker levetid, tap, kost, nytte)
• Integrasjon batteri-omformer-kraftsystem
• Evaluere alternative løsninger med hensyn til drivstofforbruk/utslipp
• Validere styrestrategier i simulering og lab

I andre avdelinger i SINTEF jobbes det med tilgrensende aktiviteter; som optimalisering av skipsdesign og utvikling av nye og bedre typer batterier. SINTEF har også aktivitet på bruk av gassmotorer og brenselceller for bruk på skip.

• Dette kan også være interessant for deg: Status biodrivstoff 2018 (i Norge og verden)

SINTEF Energi var i juni 2018 representert på IEEE Transportation Electrification Conference and Expo. Der presenterte vi artikkelen «Design of Minimum Fuel Consumption Energy Management Strategy for Hybrid Marine Vessels with Multiple Diesel Engine Generators and Energy Storage «.

Artikkelen presenterer resultater fra et pågående forskningsprosjekt som ser på hvordan man best skal optimere størrelse og bruk av energilager på skip. Artikkelen tar for seg:

• Hvordan du kan estimere forventet gevinst ved installasjon av batterier når en ikke kjenner detaljert hvordan lastprofilen vil være
• Hvordan du etablerer en optimal styrestrategi for samkjøring av batteri og dieslegeneratorer, dvs strategi for når og hvor mye en skal lade og tappe batteriet.
• Hvordan avveie mellom batteriets levetid og ønsket reduksjon i dieselforbruk

---

Utdyping:

Strategisk kjøring av dieselgeneratorer for redusert forbruk

På de fleste fartøy kjøres dieselgeneratorer med konstant turtall slik at en får generert vekselspenning  konstant frekvens på 50 eller 60Hz. Dieselgeneratorer som kjører på fast turtall har typisk en virkningsgrad som varierer veldig avhengig av hvor mye elektrisk energi de produserer. Det vil si at det varierer hvor mye elektrisk energi en får ut av hver liter diesel (se figur nedenfor).

Mest elektrisk energi per liter diesel får en typisk når en produserer i området 80 – 100% av maksimal produksjon (varierer avhengig av motordesign og tuning av denne). På et skip uten batterier vil dieselgeneratorens belastning være diktert av hvilket forbruk av elektrisk energi man til enhver tid har om bord (inkludert forbruk til fremdrift av skipet). Dette kan for mange fartøy bety at en ofte kjører med dårlig virkningsgrad.

De fleste fartøyer har i dag flere dieselgeneratorer

Flere dieselgeneratorer gir muligheten til å variere antall kjørende dieselgeneratorer avhengig av lasten. På denne måten oppnår man en bedre gjennomsnittlig virkningsgrad enn om man kjørte alle generatorer hele tiden, samt bedre gjennomsnittlig virkningsgrad enn om man satte inn en stor dieselgenerator til å dekke all last.

Dette er illustrert i figuren under.

Hvis en velger å installere batterier er man ikke lenger prisgitt å til enhver tid produsere akkurat den energimengde som trengs på fartøyet.

Med fornuftig styring på energiflyt inn og ut av batteriet kan man i stedet sørge for at dieselmotorene hele tiden er belastet slik at de har konstant høy virkningsgrad, det vil si, at man tilstreber at de hele tiden operere innenfor de grønne sirklene i figuren over.

Det må her nevnes at et alternativ til strategisk lasting av dieselmotorer er å kjøre generatorene med variabelt turtall. En kan da oppnå mye det samme når det gjelder forbedret virkningsgrad på dieselmotorene. Dette fordrer imidlertid at en omformer generert energien om bord til likepenning (DC) i stedet for 50 eller 60Hz vekselspenning (AC). Hvorvidt dette vil være en bedre løsning for et gitt fartøy avhenger imidlertid av mange andre faktorer enn de reduksjoner i forbruk som her er beskrevet.

Gir batterier økt dieselforbruk?

Det er ikke til å komme fra at man vil tape noe energi når noe av energien kjøres via batteriet. Tapene man har i batterisystemet vil medføre at man ved alle lastsituasjoner ikke klarer å komme så lavt ned i forbruk per MWh som på de laveste områdene i figuren over. Med fornuftig styring kan man imidlertid hente ut en reduksjon i forbruk.

Potensialet for reduksjon vil avhenge veldig av virkningsgradskurvene på de dieselgeneratorer som benyttes, virkningsgrad på batterisystemet samt ikke minst hvordan forbruket på fartøyet varierer. Som man ser av figuren vil det være størst potensiale for fartøyer som store deler av tiden operer ved lav last.

SINTEF har sett nærmere på hvordan man skal dimensjonere batteriene og ikke minst hvordan man skal regulere energiflyten for å få mest mulig igjen for investeringen. Disse analysene viser blant annet at det ikke er lønnsomt å konstant benytte batteriene til strategisk lasting av generatorene. Det vil i hovedsak kun være når forbruket er vesentlig avvikende fra det optimale at batteriet bør benyttes (når lasten er godt utenfor de grønne sirklene)

• Les mer om SINTEF-prosjektet Optimalisering av energilager for skip 

Det er videre slik at når batteriet kommer over en viss størrelse så vil det typisk ikke være lønnsomt å øke det ytterligere for strategisk kjøring. Merkostnaden vil ganske enkelt ikke forsvare nytteverdien. Dette skyldes at det alltid vil være et øvre tak på gevinsten en kan hente ut. Så lenge en ikke lader batterier fra land eller har andre energikilder om bord vil en aldri kunne redusere dieselforbruket under det nivå som trengs for å produsere all energien som lasten krever ved optimalt arbeidspunkt for dieslegeneratoren.

Se artikkel i TU.