Færge Sekretariatet. M/F Fåborg III Oplæg til Hybriddrift

Transkript

1 Færge Sekretariatet M/F Fåborg III Vagn Skaarup Christensen

2 1 Indledning Hensigten med denne rapport er, at undersøge mulighederne for konvertering af de konventionelt hjælpemotorer, det vil sige et dieselmotor/generator anlæg til hybrid operation. Et hybrid anlægget består af de eksisterende hjælpemotorer og et sæt forbrugsbatterier, der fungerer som et energilager. Dieselmotorer/generatorerne er dimensioneret til at dækket behovet under spidsbelastning. For de fleste færger vil spidsbelastningen være under havnemanøvre. Dette medfører, at der er en lav belastning på hjælpemotorerne under selve overfarten. En diselmotor, der kører på lav belastning har et relativt højt specifikt brændstofforbrug og dermed uøkonomisk. I figur 1 er vist et diagram, hvor dieselmotorens belastning er vist på den vandrette linje og det specifikke forbrug på den lodrette. Det specifikke forbrug bliver for en dieselmotor defineret som antal gram, der skal forbrændes for, at producerer 1 kwh. Med et hybridanlæg vil diselmotoren konstant køre på den mest økonomiske belastning og oplagre overskudsenergien på forbrugsbatterierne. Forbrug under sejlads Havnemanøvre Denne forskel i det specifikke forbrug skal financierer omkostninger ved omlægning til hybriddrift Fig.#1: Specifikt brændolie forbrug som en funktion af belastningen Når batterierne er fuld oplagret, kan diselmotorerne stoppes og energi til forbrug kan tages fra batterierne. Som det fremgår af figur #1, er det specifikke forbrug på 340 g/kwh under sejlads og 225 g/kwh under havnemanøvre, hvor dieselmotoren kører på det mest økonomiske driftsområde. Det er denne forskel mellem de to specifikke forbrug, der skal financierer omkostninger ved omlægning til hybriddrift. 2 Beregningseksempel Under sejlads med M/F Fåborg III er der indsamlet data over forbrug under forskellige forhold og ud fra disse data, er der lavet beregninger over et typiske dagsforbrug. Det skal understreges, at selv om hovedparten af de tal, der er anvendt i beregningerne, er aflæste tal fra færgen, har det været nødvendigt, at estimerer nogle af tallene. 1

3 Data brugt til beregningerne Der er blevet brugt følgende tal til beregningerne: Rundture Fåborg Lyø Avernakø Fåborg: 8 gange per dag Forbrug, når færgen er oplagt i havn: 20 kw Forbrug under sejlads: 40 kw Forbrug under havnemanøvre i vindstyrke under 10 m/s 150 kw over 10 m/s (1) 260 kw Hjælpemotorer 2 * 366 kw Hjælpemotorer i drift; Vindstyrke under 10 m/s 1 stk ; Vindstyrke over 10 m/s 2 stk CO2 emission ved forbrænding af gasolie 3,2 kg CO2/kg CO2 emission når der benyttes landstrøm 0,547 kg CO2/kWh Udgifter til vedligeholdelse af hjælpemotorerne (2) 13,70 kr/h Smøreolie (3) 1,37 kr/h Landstrøm 0,9 kr/kwh Noter: 1: Når vindstyrken er over 10 m/s skal der bruges 2 bovpropeller. 2: Der er regnet med kr/år og køretimer per år 3: Der er regnet med et smøreolieforbrug på kr per år Regneeksempler Fåborg III har et mere udfordrende sejladsmønstre end mange andre færger, fordi den sejler til to øer. Dette medfører korte ture og relativ mange havneanløb. Samtidig er færgen vanskelig at manøvrer, når vindstyrken er over 10 m/s og derfor er det nødvendigt, at have to bovpropeller i drift under havnemanøvre. To bovpropeller kræver, at begge hjælpemotorerne er koblet ind på strømtavlen. Det er muligt, at stoppe den ene hjælpemotor, når havnemanøvrerne er afsluttet, men på grund af den korte afstand til næste havn, er det kutyme at lade begge motorer køre parallel på nettet. Dette medfører en meget lav belastning under selve sejladsen. Når der sejles med en hjælpemotor er belastningen omkring 10%, og når der kører to hjælpemotorer er belastningen under 5%, hvilke giver en meget dårlig brændstoføkonomi. De følgende regnestykker er delt op i to hovedgrupper, som er: 1. Vindstyrke under 10 m/s - med en bovpropel og en hjælpemotor. 2. Vindstyrke over 10 m/s - med to bovpropeller og to hjælpemotorer. For hver hovedgruppe er der regnet to eksempler. Det ene er med strøm fra land, når færgen ligger stille om natten. Det andet eksempel er batteripakken dimensioneret, så færgens el forbrug under oplægningen bliver taget fra batterierne. Konventionel drift For at kunne foretage vurdering af eventuelle besparelser, skal færgens nuværende energibehov analyseres. Under sejlads den 23. januar 2017, blev der taget observationer af el forbruget under sejlads, havne manøvre og i havn. Den pågældende dag var det næsten vindstille og der blev kun benyttet en bovpropel og der var kun en hjælpemotorer i drift. Ud fra de observationer, der blev foretaget den 23. januar er der blevet benyttet følgende forbrugstal i beregningerne: I havn med alle ventilatorer stoppet 20 kw Havnemanøvre 150 kw 260 kw når der kører to bovpropeller Sejlads 40 kw 2

4 I beregningerne er der valgt en dag med 8 rundture Forbrug, når færgen ligger stille om natten Forbrug under havnemanøvre Forbrug under sejlads Fig.#2: El forbruget, med en bovpropel 336 g/kwh 251 g/kwh 357 g/kwh 263 g/kwh Fig.#3: El forbruget, når der er to bovpropeller i brug Ovenstående søjle diagrammer viser el forbruget i 24 timer. 3

5 Figur #2 er i godt vejr, med en bovpropel i operation og figur #3 er el forbruget, når der er to bovpropeller og to hjælpemotorer i drift. I begge diagrammerne er indsat en graf, der viser hvorledes de forskellige driftspunkter er placeret i disse diagrammer, der er forklaringen på fordele ved hybriddrift. Det specifikke forbrug har sit minimumsforbrug omkring kw, hvor det ligger på 222,7 g/kwh. Når el forbruget er 40 kw er det specifikke forbrug 336 g/kwh, det vil sige 50% større. Det korte tidsrum, hvor bovpropellen kører er forbruget sat til 150 kw, hvilke giver et specifikt forbrug på 252 g/kwh. Når der kører to hjælpemotorer og forbruget under sejlads stadigvæk er 40 kw, bliver belastningen fordelt på begge motor, det vil sige 20 kw, som giver et specifikt forbrug på 357 g/kwh, svarende til et merforbrug på 60%. I de følgende regneeksempler er der regnet med, at hjælpemotoren er i drift i 16 timer og resten af tiden får færgen strøm fra land. Det giver følgende forbrugstal: En hjælpemotor To hjælpemotorer Brændolie olieforbrug 240 kg/dag 310 kg/dag Pris til el og brændstof kr/dag kr/dag CO2 emission 854 kg/dag kg/dag Ideen med hybriddrift er, at belaste hjælpemotoren til det mest økonomiske driftspunkt og oplagre overskudsenergien på batterier. Når batterierne er fyldt op, stoppes hjælpemotoren og el til forbruget tages fra batterierne. I det følgende vises nogle gennemregnede driftssituationer: Vindstyrke under 10 m/s og landstrøm En hjælpemotor i drift Konventionel Hybrid Brændolie olieforbrug 240 kg/dag 180 kg/dag Pris til el og brændstof kr/dag 719 kr/dag CO2 emission 854 kg/dag 574 kg/dag Køretimer for hjælpemotor 16 timer 2,8 timer Besparelse: 625 kr/dag kr/år 280 Kg CO2-33% Fig.#4: El forbruget og batterikapacitet med landstrøm og en bovpropel i drift 4

6 Vindstyrke over 10 m/s og landstrøm M/F Fåborg III To hjælpemotorer i drift Konventionel Hybrid Brændolie olieforbrug 310 kg/dag 232 kg/dag Pris til el og brændstof kr/dag 927 kr/dag CO2 emission kg/dag 742 kg/dag Køretimer for hjælpemotor 2*16 timer 3,6 timer Besparelse: 942 kr/dag kr/år 338 Kg CO2-31% Fig.#5: El forbruget og batterikapacitet med landstrøm og to bovpropeller i drift Vindstyrke under 10 m/s og strøm fra batteripakken En hjælpemotor i drift Konventionel Hybrid Brændolie olieforbrug 240 kg/dag 208 kg/dag Pris til el og brændstof kr/dag 835 kr/dag CO 2 emission 854 kg/dag 668 kg/dag Køretimer for hjælpemotor 16 timer 3,2 timer Besparelse: 510 kr/dag kr/år 186 Kg CO2-22% Fig.#6: El forbruget og batterikapacitet med en bovpropel i drift 5

7 Vindstyrke over 10 m/s og strøm fra batteripakken To hjælpemotorer i drift Konventionel Hybrid Brændolie olieforbrug 310 kg/dag 260 kg/dag Pris til el og brændstof kr/dag kr/dag CO2 emission kg/dag 835 kg/dag Køretimer for hjælpemotor 2*16 timer 4,0 timer Besparelse: 826 kr/dag kr/år 245 Kg CO2-23% Fig.#7: El forbruget og batterikapacitet med to bovpropeller i drift 3 Installation af batteripakke Størrelsen af en batteripakke afhænger af forbrugsmønsteret og hvilke fabrikat der vælges. Men der skal påregnes en vægt på mellem 3,5 til 4 tons og den samlede størrelse af batteripakken omkring 3,5 m 3. Batterierne er mindre enheder der samles i et eller flere stativer, så der er rimelig fleksibilitet med hensyn til placeringen. Rummet, hvor batterierne skal placeres, bliver betragtet som en maskinrum og skal derfor brandisoleres til A60 klasse. Batterierne vil afgive varme, så rummet skal kunne ventileres og der skal installeres brandslukning. Void Space mellem maskinrum og gearrum til azimutpropelerne En mulig placering af batterierne kan være i det Void Space, der er mellem maskinrummet og gearrummet til azimuthpropellerne. 6

8 4 Andre energibesparende tiltag M/F Fåborg III Akkumuleringstank Fåborg III har en akkumuleringstank til opsamling af varmeenergi fra hovedmotorernes kølevand. Tanken er på 4 m 3 og temperaturen af det opvarmede vand er omkring 57 o C. Der er ikke blevet udført beregninger på nyttevirkning af udnyttelse af varmeenergien i akkumuleringstanken, men både størrelse af tanken og den relative lave temperatur tyder på, at den kun bidrager med meget lidt energi, når skibet ligger stille. En mulig løsning vil være, at hæve kølevandstemperaturen på dieselmotorerne. Under turen den 23. januar blev afgangstemperaturen fra cylinderkølingen målt til 73 o C. Kølevandstemperatur Kølevandstemperaturen til køling af ladeluften er høj. Der blev målt en indgangstemperatur på mellem o C og afgangstemperatur på mellem o C. På hovedmotorernes overvågningssystem blev ladeluften angivet til, at ligge på mellem o C. Maskinrumstemperatur Lufttemperaturen ved turboladernes indsugningsfiltre mellem 15,6 til 22,2 o C. Lufttemperaturen i ventilationskanalerne lå på 6 o C. Bemærkninger til kølevand og maskinrumstemperaturerne Som tommelfingerregel, kan en firtakts dieselmotors brændstoføkonomi forbedres med 0,5 % for hver 10 o C indsugningsluftens temperatur bliver sænket og 0,7% for hver 10 o C ladeluftens temperatur bliver sænket- På motorerne på Fåborg III vil der kunne opnås en forbedring på et par procent, hvis ventilationskanalerne bliver ført mere direkte ned til indsugningsfilterne og kølevandstemperaturerne bliver justeret. Inden temperaturerne bliver justeret er det vigtigt, at konsulterer Scania for at høre deres anbefalinger, men generelt er anbefalingerne følgende: Temperatur efter cylinderne 90 o C Temperatur af indsugningsluften skal være så lav som muligt. Temperatur af ladeluften skal være så lav som mulig, men et par grader over dugpunktet. 5 Afsluttende bemærkninger Ovenstående beregninger viser tydeligt, at der vil være en stor besparelse md hybriddrift på Fåborg III. I denne rapport er der blevet beregnet fire senarier og de viser alle, at der vil være en besparelse ved omlægning til hybriddrift. Den årlige besparelse vil være mellem til kr og der vil kunne opnås en reduktion på CO2 emissioner på op mod 30%, på el fremstilling og 8% på det samlede forbrug. Forklaringen på det relative store spring i årlig besparelse skyldes specielle forhold for Fåborg III. Dels er der sejlruten, med relativ korte sejltider og hyppige havnemanøvre. Dertil kommer, at det i vindstyrke over 10 m/s er nødvendigt med to bovpropeller under havnemanøvre og det kræver to hjælpemotorer kørende. Dette betyder, at to store hjælpemotorer kører med meget lav belastning i det meste af tiden og kun kommer op i 7

9 belastning i et par minutter under havneanløb. På grund af de korte sejltider kører begge hjælpemotorer hele tiden. Med hybriddrift vil hjælpemotoren altid køre på den mest økonomiske belastning og det beregningseksempel, der er lavet med vindstyrke over 10 m/s vil der være en daglig besparelse på over 800 kr. Der er forskellige muligheder for energiforsyningen, når færgen ligge stille om natten. På sidste tur ankommer færgen til Fåborg kl 21:45 og ligger stille til næste morgen kl 5:50. I de otte timer får færgen landstrøm, der i beregningerne er sat til 0,90 kr/kwh. Ud fra de forudsætninger der er sat for brændstofpris, smøreolieforbrug og vedligeholdelse, bliver energiprisen for det, som hjælpemotoren producerer på 0,94 kr/kwh. Derfor vil der være en mindre økonomisk fordel i, at færgen også får landstrøm, når den ligger stille om natten. Dette har også den fordel, at batteripakken kan være lidt mindre. I beregningseksempel hvor færgen for landstrøm og vindstyrken er over 10 m/s om dagen, bliver besparelse ved omlægning til hybriddrift på 940 kr/dag eller kr/år. Uanset om man vælger landstrøm eller bruger energi fra batteripakken og uanset om vindstyrken er over eller under 10 m/s, er der en besparelse ved omlægning til hybriddrift og i tilgift kan der opnås en reduktion i CO2 udslippet. Foruden en direkte besparelse og reduktion i CO2 emissionerne ved omlægning til hybriddrift, kan der kommer en besparelse på optimering af maskinrums og kølevandstemperaturerne, hvor der uden eller med meget lille investring, kan opnås en besparelse på et par procent. Holte 31. januar 2017 Vagn Skaarup Christensen 8