Hvordan unngå korrosjonsdannelse og farlige berøringsspenninger ved landstrømsanlegg

For å nå nasjonale klimamål og fremme grønn konkurransekraft er det nødvendig å redusere utslipp av karbondioksid (CO₂) i transportsektoren. EU har et internasjonalt mål om å redusere klimagassutslippene fra europeisk transportsektor med 60 prosent sammenlignet med nivået i 1990 innen 2050.

• Les mer om SINTEFs forskning på transportområdet

Elektrifisering av transport vil være viktig for å oppnå disse målet. Derfor satser både Norge og Europa på å utvikle hybrid og elektrisk fartøyteknologi og tilhørende infrastruktur for batterilading og kraftforsyning fra land.

Maritime Battery Forums Watts Up-konferanse

Et nyetablert forum som fokuserer på denne utfordringen er  Maritime Battery Forum. De har som visjon å gjøre den maritime næringen i Norge verdensledende innen batteridrevet verdiskapning. Den 7. og 8. mars arrangerte forumet sin årlige Watts Up-konferanse i Ulsteinvik. Årets tema var brukererfaring: fra konsept til virkelighet. Den to dager lange konferansen hadde 123 deltakere fra 12 forskjellige land, og det ble holdt 19 interessante presentasjoner fra myndigheter, rederier, designere, batterileverandører, skipsverft og klassifikasjonsselskaper.

Nullutslippsmobilitet

Olve Mo og Eirill Bachmann Mehammer fra SINTEF Energi deltok på konferansen, der Eirill la frem sitt bidrag til prosjektet for nullutslippsmobilitet Zero-Emission Mobility Accelerator (ZEMA). ZEMA er et strategisk initiativ der flere institutter i SINTEF deltar. Målet er å finne løsninger som kan bidra til å redusere klimaendringer ved å opprette tverrfaglige partnerskap for bærekraftig mobilitet i verdensklasse.

Det er opprettet en rekke initiativer rettet mot både landbasert og maritim transport. Dette initiativet er et samarbeid mellom SINTEF Energis avdeling for Elkraftteknologi , SINTEF Ocean og SINTEF Industri og har fokus på korrosjon på fartøy i forbindelse med forsyning av elektrisk kraft fra land og lading av batterier.

Landstrømsanlegg

Mange havner befinner seg nær boligområder. Luft- og støyforurensning bør derfor reduseres så mye som mulig. Fartøy som ligger i havn har behov for elektrisitet til forskjellige formål om bord, som lys, varme, kjøling og laste-/losseoperasjoner. Dette energibehovet dekkes som oftest av dieselgeneratorer om bord, som er lite energieffektive ved lav last og har høye utslipp av CO₂, nitrogenoksid, svoveloksid og svevestøv.

En måte å forbedre luftkvaliteten og redusere støy på er å slå av disse generatorene og koble skipet til kraftforsyning fra land mens det ligger i havn. Det å forsyne skip med strøm fra land kalles landstrøm eller kraftforsyning fra land på norsk, men har flere begreper på engelsk som shore connection, cold ironing, shore-to-ship power, eller alternative maritime power. Det er økende interesse for slike løsninger for forskjellige typer fartøy, som for eksempel Ro-Pax fartøy og offshorefartøy. De største fartøyene har stort effektbehov og trenger derfor høyspent landstrøm (high voltage shore connection – HVSC). Flere norske havner utstyres derfor nå med HVSC-teknologi. Samme teknologi kan også brukes til å lade batterier for hybride og elektriske fartøy.

Galvanisk korrosjon

Selv om HVSC er en relativt velutviklet teknologi, er det noen utfordringer knyttet til den. Det har vært noen tilfeller av alvorlig korrosjonsdannelse på fartøy som har vært tilkoblet landstrøm, selv de gjeldende standarder og regelverk her blitt fulgt. Korrosjonsproblemene oppstår fordi skroget på fartøyet fungerer som en marin elektrode med forbindelse til jordelektroden via den beskyttende jordlederen (PE), mens det er nedsenket i en elektrolyttløsning, det vil si sjøvann (se figur). Skroget og jordelektroden danner dermed et galvanisk element av stål og kobber, og strømmen som flyter mellom de to elektrodene fører til korrosjon av anoden (fartøyskroget), ettersom stål er det minst edle metallet i henhold til den galvaniske spenningsrekken.

Overførte berøringsspenninger

Den lavohmige lederen mellom fartøyskroget og jordnettverket kan også føre til at det oppstår berøringsspenninger. Jordfeilinterferens kan oppstå i jordingssystemet som er felles for primær- og sekundærsiden av transformatorstasjonen på land. Dersom det oppstår en jordfeil på transformatorstasjonens primærside, vil den doble jordingen av den beskyttende jordlederen gjøre at berøringsspenning overføres til systemet på skipssiden. Spenningsverdien vil da bestemmes av utkoblingsinnstillingene på beskyttelsesinnretningen på primærsiden. Spenningen som overføres kan derfor være høyere enn grensen for tallatt berøringsspenning (30 V) som er fastsatt i internasjonale standarder for grenseområdet mellom land og skip.

Anbefalinger

På bakgrunn av SINTEFs målinger av spenninger, strømmer og galvaniske potensialer ved forskjellige kaier, anbefales følgende:

For å begrense korrosjonsproblemene kan aktiv eller passiv katodisk beskyttelse benyttes. Passiv katodisk beskyttelse i form av offeranoder bør installeres ved alle kaier, samt på alle fartøyskrog. Offeranodene bør være av et metall som er mindre edelt enn metallet i skipsskroget, som for eksempel sink, og bør være i kontakt med sjøvannet. I tillegg bør alle fartøy males og ha aktiv katodisk beskyttelse med påtrykt strøm (ICCP). ICCP-settpunktet bør reduseres til -900 mV_Ag/AgCl, i samråd med malingsleverandørene. Dette er for å sikre at hele skroget til enhver tid har et potensial som er lavere enn -800 mV_Ag/AgCl, som er grensen for tilstrekkelig katodisk beskyttelse.

For å unngå overførte berøringsspenninger kan en bruke en annen jordingsstrategi for landstrømsanlegget, der den lavohmige lederen mellom fartøyskroget og jordnettverket brytes. En løsning som er i samsvar med standardene er et TN-island jordingssystem, der en bruker en nøytral leder i stedet for en beskyttende jordleder (PE). Dette vil også bidra til å begrense korrosjonsproblemene.

Fremtidsutsiker

Nullutslippsmobilitet er et av SINTEFs nye strategiske satsingsområder, og det er økende prosjektaktivitet både innen sjø- og landtransport. SINTEF er involvert i aktiviteter som spenner fra systemoptimalisering til materialer og komponentdesign, og det pågår aktiviteter innenfor batteriteknologi, optimalisert design og styring av transportsystemer for hybride fartøy og nullutslippstransport. SINTEFs sterke tverrfaglige kompetanse innen marin teknologi, korrosjon og høyspenningsteknologi vil være verdifull i utviklingen av høyspennings landstrømsanlegg i norske havner.

• Les mer om SINTEFs transportprosjekter