Osnovni ciljevi razvoja modernih brodskih energetskih sustava su povećanje energetske učinkovitosti i pouzdanosti te ispunjavanje kriterija ekološke prihvatljivosti. Kriterij ekološke prihvatljivosti je posebno izražen kod putničkih brodova, trajekata, brodova za unutarnju plovidbu, itd. gdje problemi utjecaja na okoliš postaju sve važniji projektni kriterij. U članku je prikazan idejni projekt hibridnog energetskog sustava višenamjenskog putničkog broda, koji se sastoji od dizelskog motora, gorivnog članka i baterije kao izvora električne energije. Za tipične režime plovidbe odabranog broda određena je energetska bilanca. Uz analizu energetske učinkovitosti i ekološke prihvatljivosti, zaključno su istaknute prednosti i nedostaci predloženog rješenja u odnosu na klasične izvedbe brodskih energetskih sustava sa smjernicama za daljnja poboljšanja

Ančić, Ivica

Burazer, Ivan

Vladimir, Nikola

Šestan, Ante

FAMENA Repository

Ivan BURAZER Ante ŠESTAN Ivica ANČIĆ Nikola VLADIMIR Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Ivana Lučića 5, 10000 Zagreb HIBRIDNI ENERGETSKI SUSTAV MALOG PUTNIČKOG BRODA Sažetak Osnovni ciljevi razvoja modernih brodskih energetskih sustava su povećanje energetske učinkovitosti i pouzdanosti te ispunjavanje kriterija ekološke prihvatljivosti. Kriterij ekološke prihvatljivosti je posebno izražen kod putničkih brodova, trajekata, brodova za unutarnju plovidbu, itd. gdje problemi utjecaja na okoliš postaju sve važniji projektni kriterij. U članku je prikazan idejni projekt hibridnog energetskog sustava višenamjenskog putničkog broda, koji se sastoji od dizelskog motora, gorivnog članka i baterije kao izvora električne energije. Za tipične režime plovidbe odabranog broda odreñena je energetska bilanca. Uz analizu energetske učinkovitosti i ekološke prihvatljivosti, zaključno su istaknute prednosti i nedostaci predloženog rješenja u odnosu na klasične izvedbe brodskih energetskih sustava sa smjernicama za daljnja poboljšanja. Ključne riječi: Hibridni brodski energetski sustav, Gorivni članak, Putnički brod HYBRID POWER SYSTEM OF A SMALL PASSENGER SHIP Summary Several basic aims characterize development of modern ship power systems; increase of energy efficiency, increase of reliability level while maintaining acceptable level of environmental acceptability. These demands are particularly emphasized in case of passenger ships, coastal ferries, and ships for inland waterways etc., where environmental issues represent important design criteria. The design of hybrid power system of a multipurpose passenger ship is presented in this paper at the conceptual level. It is comprised of diesel engines, fuel cell and battery as an electricity source. Energy balance has been derived for specific operating modes of the ship. Beside energy efficiency and ecological aspects analyses of the proposed solution, its advantages and drawbacks compared to common ship energy systems are emphasized, and in addition guidelines for future improvements are given. Key words: Hybrid ship power system, Fuel cell, Passenger ship   XX Symposium SORTA2012  Hibridni energetski sustav malog    putničkog broda   2 1. Uvod Sve veće potrebe za energijom, zahtjevi za smanjenje emisije stakleničkih plinova te nestabilne cijene nafte koje imaju dugotrajan trend rasta otvaraju vrata obnovljivim izvorima energije u svim granama industrije. Pomorski promet ovdje nije izuzet te mora biti u korak s novim tehnologijama i zakonodavstvom. U suvremenoj brodogradnji postoji niz inicijativa usmjerenih prema korištenju hibridnih modela energetskih sustava LNG pogona, gorivnih članaka i obnovljivih izvora energije. Uporaba gorivnih članaka u brodogradnji bilježi rast posebno razvojem niskotemperaturnih PEM (eng. Proton Exchange Membrane) gorivnih članaka. Suvremeni gorivni članci koji kao gorivo koriste čisti vodik (dobiven iz prirodnog plina ili obnovljivih izvora energije) predstavljaju perspektivan i moguć ekološki održiv izvor energije. Iako je već i intuitivno jasno da hibridni pogon po ekonomskim kriterijima još dugo neće biti konkurentan klasičnom pogonu dizelskim motorom, ponekad se, kao npr. u zaštićenim prirodnim područjima, nameće kao pogodna alternativa klasičnom rješenju. U ovom radu predstavljen je idejni projekt hibridnog energetskog sustava malog putničkog broda, namijenjenog za plovidbu u zaštićenim prirodnim područjima, kojeg čine dizelski motor, gorivni članak i baterije.  2. Hidrodinamičke značajke broda Kapacitet broda iznosi 240 putnika (40 u kabinskom smještaju) uz 20 članova posade [1]. Područje plovidbe je teritorijalno more Republike Hrvatske. Projektom je predviñeno da se brod koristi u jednom od dva tipična eksploatacijska režima, i to prilikom razgledavanja nacionalnih parkova i posebnih prirodnih staništa (krstarenje brzinom od 8 čv) i plovidbom od matične luke do zaštićenih područja i natrag (plovidba otvorenim morem brzinom od 15 čv).  Glavne značajke i dimenzije analiziranog broda su: Duljina preko svega:       37,3OAL =  m Duljina izmeñu okomica:      34,0PPL =  m Širina:         9,4B =  m Gaz:         2,3T =  m Istisnina:        340D =  t Za odabrani raspon brzina, komercijalnim programskim paketom [2] napravljen je proračun otpora broda, na temelju čega je izračunata snaga poriva PT, Slika 1.  Slika 1. Snaga poriva Fig. 1 Thrust power  Hibridni energetski sustav malog    XX Symposium SORTA2012 putničkog broda     3 3. Energetska bilanca broda u tipičnim eksploatacijskim režimima U koncepciji broda s potpuno integriranim hibridnim elektroenergetskim sustavom, kao što je brod analiziran u ovom radu, kojeg karakterizira jedna električna centrala s konstantnom frekvencijom i naponom mreže te regulacija broja okretaja propulzijskih elektromotora pomoću statičkih pretvarača frekvencije, sustav električnog prijenosa snage na brodski vijak pretpostavlja četiri stupnja konverzije energije, Slika 2: - mehaničko-električnu konverziju u sinkronim generatorima,  - transformaciju napona u transformatorima,  - regulaciju frekvencije i napona u pretvaračima frekvencije  - električno-mehaničku konverziju u propulzijskim elektromotorima.   Slika 2. Bilanca snage propulzije s električnim prijenosom Fig. 2 Propulsion power balance with electric transmission  U slučaju manjih plovnih objekata, u kojima se zbog male ukupne instalirane snage ne primjenjuje visoki napon, otpada drugi stupanj pretvorbe. Iz bilance snage prikazane na Slici 2 vidljivo je da, usprkos visokom stupnju djelovanja pojedinih elemenata u sustavu električne propulzije, ipak se u električnom prijenosu energije do brodskog vijka sveukupno izgubi 8-12 % snage. U usporedbi s mehaničkim prijenosom snage kod kojega su gubici snage 2-4 %, električni prijenos je s energetskog gledišta lošiji izbor. Prednost električne propulzije je meñutim sadržana u mogućnosti povećanja stupnja korisnosti na početku i na kraju propulzijskog lanca [3]. Električna propulzija omogućuje rad pogonskih strojeva u području oko optimalne brzine vrtnje bez obzira na eksploatacijski profil plovila. U Tablici 1. su prikazane potrebne snage propulzijskih elektromotora za krstarenje i plovidbu otvorenim morem hibridnog sustava kakav je prikazan na Slici 3. Energetska bilanca, uzimajući u obzir faktor stvarnog korištenja Ko koji predstavlja stvarno opterećenje ureñaja i strojeva u postocima, te faktor istovremenog korištenja Ki, prikazana je u Tablici 2. Na temelju prikazane energetske bilance odreñena je zahtijevana snaga električnih izvora koja, uzimajući u obzir gubitke u ispravljačima, pretvaračima i ostaloj rasklopnoj opremi, iznosi 995.3 kW [1]. Podjela ukupne instalirane električne snage prema pojedinim izvorima prikazana je na Slici 4. Pri krstarenju je predviñeno da je dizelski motor ugašen, a sve potrebe za energijom su pokrivene gorivnim člankom. Baterije pokrivaju vršna opterećenja, ali ponajviše služe kao amortizacija sporog odziva snage jedinice gorivnog članka, pa je prema tim zahtjevima i odreñen njihov kapacitet. Najveće nagle promjene snage se dogañaju u naglim manevrima ili prilikom pristajanja u blizini obale [1]. Na otvorenom moru je predviñeno da potrebe za energijom pokrivaju zajedno dizel-agregati i gorivni članak.    XX Symposium SORTA2012  Hibridni energetski sustav malog    putničkog broda   4 Tablica 1. Snage u raznim režimima eksploatacije Table 1 Powers in different exploitation regimes Brzina, čv Snaga otpora, PE, kW Snaga poriva, PT, kW Snaga predana vijku, PD, kW Snaga elektromotora, PEM, kW 8 50.6 53.13 78.1 85.6 15 568.6 597.1 878 962.7    Slika 3. Konfiguracija energetskog sustava Fig. 3 Power system configuration   Tablica 2. Energetska bilanca potrošnje električne energije u odreñenim režimima plovidbe Table 2 Electric power balance for specific navigation modes  Plovidba 8 čv Plovidba 15 čv Manevar Rad u luci Potrošač Snaga [kW] Ko  ·   Ki Propulzijski elektromotori 962,7 (85,6) 1 1 0,7 0 Bočni porivnik 20 0,3 0 1 0 Pritezno/sidreno vitlo 5,5 0 0 1 0 Pumpe sustava kaljuže 2,32 0,6 0,6 0,6 0,2 Pumpe sustava balasta 1,74 0,8 0,8 0,2 0,6 Protupožarni sustav 2,26 1 1 1 1 Sustav ventilacije strojarnice 3,63 0,3 1 1 0,3 Klimatizacija i ventilacija prostora 8,5 1 1 1 0,6 Pumpa hidrofora pitke vode 0,95 1 1 1 0,8 Navigacijska oprema 3,23 1 1 1 0 Ostala oprema 20,38 0,58 0,74 0,74 0,64 Ukupno [kW] 1027 117,30 995,3 730,9 19,7 Hibridni energetski sustav malog    XX Symposium SORTA2012 putničkog broda     5  Slika 4. Električna snaga pojedinih energetskih izvora [kW] Fig. 4 Electrical power of particular energy sources [kW]  Za jedinicu gorivnog članka odabran je „FCvelocity-HD6“ nazivne snage 150 kW [4] koji koristi kao pogonsko gorivo vodik čistoće SAE J2719, a kao oksidant zrak. Gorivni članak ima nešto veću snagu od potrebne jer pri nižem opterećenju gorivni članak ima veću korisnost, a i s vremenom, zbog onečišćenja elektroda, dolazi do pada napona. Kao pogonski ureñaji odabrana su 2 dizel-električna agregata „Mitsubishi MAS S6R-MPTA“ nazivne snage 515 kW pri 1500 o/min [5] pri čemu je predviñeno u energetskoj bilanci da će dizelski motori mogli raditi na 85 % maksimalne trajne snage. Odabrana je baterija tipa ZEBRA oznake Z5-278-ML3X-76 kapaciteta 76 Ah, nazivne energije 21,2 kWh, napona 278 V pri 85 % napunjenosti te najveće struje pražnjenja 224 A. Vršna snaga 30 kW tijekom 30 s je dovoljna za pokrivanje potreba bočnog porivnika. [6]  4. Energetska učinkovitost i ekološka prihvatljivost projektnog rješenja U ovom radu, kao primjer eksploatacijskih područja broda, uzeta su 3 nacionalna parka i jedno otočje na području Republike Hrvatske: NP Kornati, NP Brijuni, NP Krka i Paklinski otoci, Slika 5 [7], pri čemu je svaka ruta podijeljena na temelju brzine plovidbe (crvenom bojom označen je dio rute koji se odnosi na brzinu krstarenja, a žutom dio koji se odnosi na maksimalnu brzinu broda u službi). Ukupni radni sati za jedan izlet turističkim brodom prikazani su u Tablici 3. Za analizirani brod prikazana je usporedba klasičnog (mehaničkog) i hibridnog električnog energetskog sustava, Tablice 3 i 4. Usporedba je dana za dva režima plovidbe za svaku pojedinu rutu plovidbe. Dizelski motori u oba slučaju koriste lako dizelsko gorivo. Prema Tablici 4. za klasičan sustav odabran je motor Mitsubishi S6R2-MPTK nazivne snage 530 kW pri 1400 o/min za srednji pogon [8]. Cijenom hibridni električni sustav ne može konkurirati klasičnom, no svakako može imati prednost u slučaju strogih zahtjeva za ekološku prihvatljivost što se ponajprije odnosi na emisije CO2, NOx i SOx spojeva.   Tablica 3. Broj radnih sati t po izletu u pojedinom nacionalnom parku Table 3 Working hours t per tour for particular national park Nacionalni park Krstarenje Otvoreno more Ukupno Kornati 2,91 2,34 5,25 Brijuni 0,91 0,37 1,28 Krka 1,19 1,03 2,23 Paklinski otoci 1,41 0,23 1,64 XX Symposium SORTA2012  Hibridni energetski sustav malog    putničkog broda   6  Slika 5. Rute plovidbe broda [7] Fig. 5 Ship navigation routes [7]  Koristeći (1) te podatke iz Tablica 4 i 5 moguće je izračunati ukupnu emisiju CO2 za pojedine rute. Koeficijent pretvorbe goriva u CO2 iznosi za lako dizelsko gorivo CF = 3,206 [9]. 2 1 2CO MDO F krstarenje MDO F otvorenom m C t m C t= ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅       (1)  Tablica 4. Parametri klasičnog  energetskog sustava  Table 4 Parameters of classical power system  PD [kW] ηmeh PB [kW] gd [g/kWh] Ppom [kW] ηGen PBpom [kW] gpom [g/kWh] mMDO [kg/h] Krstarenje 78 0,96 81 242 47 0,92 51 242 31,9 Otvoreno more 878 0,96 915 220 54 0,92 59 220 214,3  Tablica 5. Parametri hibridnog energetskog sustava  Table 5 Parameters of hybrid power system  PGČ [kW] 2gHm&  [kg/h] PB [kW] gd [g/kWh] mMDO [kg/h] Krstarenje 117 0,55 0 0 0 Otvoreno more 117 0,55 878 204 179,1  Hibridni energetski sustav malog    XX Symposium SORTA2012 putničkog broda     7 Tablica 6. Ukupne emisije CO2 za različite slučajeve  Table 6 Total CO2 emissions for different cases Sustav Ruta mCO2 krstarenje mCO2 otvoreno Ukupno kg CO2 Razlika, % Klasični Kornati 298 1608 1906 - Hibridni 0 1344 1344 29,5 Klasični Brijuni 93 254 347 - Hibridni 0 212 212 38,9 Klasični Krka 122 708 830 - Hibridni 0 591 591 28,8 Klasični Paklinski otoci 144 158 302 - Hibridni 0 132 132 56,3  Osim emisija CO2, koje su prikazane u Tablici 6, i emisije NOx i SOx spojeva kod klasičnog energetskog sustava su takoñer znatno veće nego kod hibridnog sustava, što je detaljno elaborirano u [1].  5. Zaključak Područja nacionalnih parkova i zaštićenih područja predstavljaju mjesta na kojima se brodski hibridni električni sustav nameće kao alternativa klasičnom rješenju s dizelskim motorom. U članku je prikazan idejni projekt hibridnog energetskog sustava malog putničkog broda, koji se sastoji od dizelskog motora, gorivnog članka i baterije kao izvora električne energije. Za tipične režime plovidbe odabranog broda odreñena je energetska bilanca te emisije stakleničkih plinova u odnosu na klasične izvedbe brodskog energetskog sustava. Hibridni sustavi se investicijskim troškovima i troškovima održavanja još uvijek ne mogu usporeñivati s klasičnim izvedbama brodskog energetskog sustava, ali se te razlike već smanjuju zbog sve veće primjene i razvoja [10]. Problemi uporabe vodika kao energenta vezani su za cijenu njegove proizvodnje, teškoće u skladištenju, nedostatak opskrbne mreže itd. Važno je napomenuti da vrijeme hibridnih pogona tek dolazi, te su potrebna još mnoga tehnološka dostignuća na području gorivnih članaka i obnovljivih izvora energije kako bi tehnologija temeljena na vodiku kao osnovnom energentu postala konkurentnija klasičnim sustavima temeljenima na fosilnim gorivima.  Literatura [1] BURAZER, I.: „Idejni projekt hibridnog energetskog sustava putničkog broda“, Diplomski rad, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje, 2011. [2] ...: “NavCad”, User’s Manual. HydroComp, Inc. Durham, NH USA, 2009. [3] VUČETIĆ, J.D., TURKOVIĆ, D.: “Eksploatacijske prednosti električne propulzije”, Pomorstvo, 20(2006)1, p. 129-145. [4] http://www.ballard.com/files/PDF/Bus/HD6.pdf [5] http://beepdf.com/doc/200099/mitsubishi_marine_genset.html [6] http://www.fzsonick.com/uploads/scheda_tecnica_Zebra_Sonick.pdf   [7] http://www.google.com/earth/index.html [8] http://mitabmarin.se/pdf/Mitsubishi/Leaflet%20MAS%20675-S.pdf  [9] Rezolucija MEPC.212(63) [10] LIPMAN, T.E., EDWARDS, J.L., KAMMEN, D.: “Fuel cell system economics: comparing the costs of generating power with stationary and motor vehicle PEM fuel cell systems”, Energy Policy 32(2004), p. 101-125. 

Hibridni energetski sustav malog putničkog broda

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

FAMENA Repository