Brændstofoptimering. Bachelorprojekt. Aarhus Maskinmesterskole - Inge Lehmanns Gade Århus C

Transkript

1 Optimal belastning af dieselgeneratorer Af Søren Brunsgaard Poulsen Bachelorprojekt 2014 Aarhus Maskinmesterskole - Inge Lehmanns Gade Århus C

2 Forfatter: Søren Brunsgaard Poulsen Titel: Brændstofoptimering Opgavetype: Bachelorprojekt Fagområde: Termiske maskiner - elektroteknik Semester: 9. semester Uddannelsesinstitution: AAMS Aarhus maskinmesterskole Vejleder: Henrik Kerstens Sparringspartner: Lektor Henrik Møller (Elektroteknik AAMS) Lektor Tom Andersen (Skibssimulator AAMS) Lektor Ann Charlotte Graversen (Økonomi AAMS) Maskinchef André W. Shubert (Esvagt Stavanger) Maskinchef Carsten Johansen (Prinsesse Benedikte, Rødby-Puttgarden færgen) Kontakter: Service manager Allan Hjortshøj (Mak - Pon Power) Jan Halbo (Teknisk produkt support Danfoss) Kim Strate (Siemens Marine) Afleveringsdato: 15. december 2014, kl. 12:00 Antal tegn: anslag (33,1 normalsider) (25 bilag) 2

3 Abstract This report is about the problems with lowly loaded diesel generators, and the inefficiency it courses. The diesel generators I stationed on an ERRV ship named Esvagt Stavanger, which currently is sailing west of the Norwegian coast. The ship is a standby ship, and is normally driven as a diesel electric ship. Under normal operations the ship is driven by an azimuth as the only propulsion. When the need for propulsion is low, the ships generators are lowly loaded, and this causes in a low efficiency of the generators. The project came alive while reading the technical magazine maskinmesteren, where there was an article which described a newly installed battery pack aboard the ferry Princess Benedikte. The ferry sails from Rødby in Denmark to the German city Puttgarden. Because of the many accelerations, and alongside, the ferrys power plant became uneven loaded once an hour. The shipping company decided to do something about it, and installed a litium ion accumulator. This made it possible to run the diesel generators more stable and therefore more efficient. This report is partially based on the project aboard this ferry. Through this report there is also found other alternatives to installing a battery pack. By making lab experiments, and simulator experiments the basic physics behind a diesel generator was reviled, and new optimizing methods was found. This resulted in a favorable solution with a short payback. The is analyzed and described of the battery pack is based on the pack aboard Princess Benedikte. In the dimensioning of the batterypack a desire for a low payback attempted carried out. By making an excel sheet the many variables was lowered and raised till the optimal payback time was found. Although this report was a success, the biggest problem with installing a battery pack aboard a ship, is the price. On Esvagt Stavanger the payback time could not get under 10 year which is estimated to be too high. Even though the prices were changed favorably the payback time was minimum 8 year. It is strongly recommended that Esvagt looks into solving the problem with the low loaded diesel generators. It is better to find new innovative ways to thing, than staying locked in old think paths. By inventing new ways to energy optimize their ships, they will improve their competitiveness in the longer run. They will also encourage employees to make smaller changes that in the whole will make a big difference. 3

4 Indhold Forord... 3 Indledning... 4 Problemformulering... 4 Metode... 5 Afgrænsning... 5 Læsevejledning... 5 Begreber... 5 Esvagt... 6 Esvagt Stavanger... 7 Fremdrivning... 7 NOFO-udstyr... 7 Daughter craft (DC)... 8 Dynamic Positioning (DP)... 8 Ekstraudstyr... 9 Elektrisk system... 9 Skibsprofil Hoteldrift (egetforbrug) Niveau 1 drift Niveau 2 drift Niveau 3 drift Niveau 4 drift Sejlads DP Skibsprofil Delkonklusion Brændstofforbrug Delkonklusion Analyse Mulighed Mulighed Mulighed Side 1 af 44

5 Skibssimulatoren El-lab Frekvens problem Delkonklusion Mulighed Rødby-Puttgarden færgen Batterierne Delkonklusion DoD (Depth of discharge) Økonomi Metode 0 (gør intet) Metode Metode Mulighed 2 (2.0) Regneark Antal batterier Installations % af batteripris Depth of discharge Ladeeffekt Optimalt Best case Delkonklusion Konklusion Perspektivering Bibliografi Figurliste Side 2 af 44

6 Forord Jeg vil gerne bruge forordene til at takke de mange mennesker, der har været behjælpelige under udførelsen af dette projekt. Stor tak til besætningen ombord på Esvagt Stavanger for at hjælpe med ideer til projektet, information om skibet og udarbejdning af skibsprofilen. De har fra dag ét været en positiv del af mine to udmønstringer, hvor anden udmønstring har dannet ramme for starten af min projektskrivning. Herefter en stor tak til maskinchef Carsten Johansen fra Scandlines, som tog særdeles godt imod mig på mit besøg. Det var under besøget en fornøjelse at opleve en så entusiastisk leder, der gjorde en stor ære i at energioptimere færgen som han har en del af ansvaret for. Til sidst en stor tak til Lektor Henrik Møller, Lektor Tom Andersen og Lektor Ann Charlotte Graversen for altid at stå til rådighed under projektets udførelse. Der har ikke været en sur mine at trække, uanset hvornår jeg har forsøgt at kontakte dem, og de har altid haft svaret til mine spørgsmål. Side 3 af 44

7 Indledning Projektet omhandler optimering af lavt belastede dieselgeneratorer. Nærmere betegnet lavt belastede dieselgeneratorer på standbyskibe, og hvilke nye teknikker, der kan indføres som retrofit. Projektet kom til verden efter læsning i maskinmesterbladet Maskinmesteren (Goodstein, 2014, pp ), hvor der var trykt en artikel omhandlende Rødby-Puttgarden færgen. Her kunne det læses, at man ved installation af batterier ville kunne optimere driften ombord på en diesel-elektrisk færge. Efter kort tid kunne det konkluderes, at Esvagt Stavanger også ville kunne få udbytte af at installere batterier, da skibet ved standbydrift drives som et diesel-elektrisk skib. Det var efter maskinchefen André Shubert s mening en god ide at undersøge et retrofit af batterier, samt undersøge hvilke problemer og udfordringer, der lå i installationen af batterierne. Ved korrespondance med Scandlines blev der aftalt et besøg på Rødby-Puttgarden færgen Prinsesse Benedikte hos maskinchef Carsten Johansen, som var blevet interviewet til artiklen i Maskinmesteren. Carsten Johansen havde været en af de hovedansvarlige under projektet med at installere batterierne. Han mente dog, at man skulle undersøge muligheden for at hæve middeltrykket i generatorerne på andre måder og hjalp med en kontakt til Kim Strate fra Siemens Marine. Dog viste det sig at være en total renovering af det elektriske anlæg, der skulle til for at installere Siemens nye Blue Drive system (Siemens, u.d.), men ideen bag gav inspiration til forsøg og analyser. Projektet formede sig herefter gennem forsøg i El-laboratoriet og skibssimulatoren på Navitas. Her var lektor Henrik Møller til stor hjælp med opstilling af forsøg i el-laboratoriet og lektor Tom Andersen til stor hjælp med opstart og introduktion af skibssimulatoren. For at forsøge at lave en mere udførlig analyse af løsningerne vil der til sidst blive lavet et regneark. Dette gøres, da det vil give et bredere billede af fordelene og ulemperne ved indstilling af de forskellige parametre. Man vil også kunne benytte dette værktøj i senere arbejdssituationer til at skulle argumentere for installation af nye anlæg, hvor tilbagebetalingstiden vil være længere end tilsigtet. Da dette er et brændstofbesparende projekt vil det løbe i investeringsproblemer, da brændstof er en del af chartreren. Dette betyder, at besparelsen ligger ved de, som lejer skibet. Det er derfor vigtigt at kunne bestemme hvilke fordele der vil være for udlejer af skibet, samt hvilke fordele rederen vil have af nye anlæg. Derfor er det også svært at kunne fastsætte en tilbagebetalingstid, da denne vil være bestemt af en kombination af charterprisen, der vil blive forhandlet pga. mindre brændstofforbrug, samt besparelser andre steder. Da Esvagt har mange diesel-elektriske skibe vil der være en potentiel mulighed for at opnå en besparelse ved installation af nye anlæg på andre skibe. Eventuelt vil man ved fremtidige køb gøre sig overvejelser om, hvilke anlæg man skal have for at fremtidssikre sig charter til sine skibe, og samtidig opnå en grønnere profil i rederiet. Problemformulering Der er på Esvagt Stavanger problemer med lavt belastede dieselgeneratorer, hvilket resulterer i en lav virkningsgrad. Hvilke muligheder vil der være for retrofit af nye anlæg, der vil kunne skabe en bedre virkningsgrad på dieselmotoren? Side 4 af 44

8 Metode Der vil i starten af projektet blive brugt en kvalitativ metode til at skabe projektet gennem interviews med kunder og fabrikant til nye anlæg. Der vil til slut i projektet blive brugt en kvantitativ metode til at skabe en konklusion. Der vil blive lagt fokus på at finde en løsning gennem forsøg på skolen, analyser af nye anlæg og datablade fra fabrikanten. Det vil hvor det ikke er muligt at indsamle, blive antaget priser for at få et bedre helhedsindtryk. Afgrænsning I projektet vil der ikke blive brugt dybdegående termodynamiske beregninger, men i stedet interpolering af datablade, forsøg, samt erfaringer derfra. Det økonomiske aspekt af projektet vil være set med maskinmesterøjne. Der vil her blive lagt vægt på, hvad der skal til, for at et projekt er ordentlig belyst, og derved vil kunne gives videre til en overordnet/økonomiafdeling. Der vil i projektet ikke blive gennemgået opbygningen af frekvensomformere, da dette betegnes som basisviden for maskinmestre. Virkemåden bag den elektromotoriske kraft i litium-ion-batterier gennemgås ikke, da denne teori ses som specialviden og ikke er relevant for det overordnede økonomiske perspektiv. Der vil blive taget udgangspunkt i et anlæg ombord på Rødby-Puttgarden færgen, som i 2013 fik installeret et litium-ion-batterianlæg. Det har i mellemtiden ikke været muligt at få kontakt til producenten, og derfor er oplysninger og datablade udleveret af Maskinchef Carsten Johansen. Læsevejledning Rapporten er skrevet til nyuddannede maskinmestre, og maskinmestre med en basisviden up to date. Begreber Når der i projektet refereres til Lyngsøen, menes der SRO-anlægget/power management systemet ombord på Esvagt Stavanger. Når der omtales BB- og SB-hovedmotor, refereres der til skibstermerne bagbord- (venstre) og styrbord- (højre) hovedmotor. Når der nævnes azimuth i rapporten, menes der en forkortelse for azimuth thruster. Side 5 af 44

9 Esvagt Esvagt er et 800 mand stort firma, som i løbet af de sidste 20 år er gennemgået en stor forandring. Firmaet er grundlagt i 1981 og brugte i starten gamle fiskeskibe til deres arbejde i offshore branchen. Her har deres base altid været placeret i Esbjerg, hvor hovedparten af deres sejladser er foregået ud fra. I de seneste år er deres operationer blevet udvidet hovedsageligt i Norges offshore branche, men også England er kommet i søgelyset. (Esvagt, 2014) De ansatte i Esvagt er hovedsageligt danskere og færinger, dog med en enkelt svensker og englænder indblandet. Blandt de ca. 800 ansatte er der ca. 50 på land til at bestyre kontoret og bemande vedligeholde samt nybygning i deres værkstedsafdeling, oftest omtalt hallen. (Esvagt, 2014) (Larsen, 2014) Figur 1: Esvagt Promoter. Et gammelt skib fra 1965 der i dag sejler i dansk sektor. Ombygget i (Esvagt, 2014) Esvagts 38 skibs store flåde består langt hen af vejen af ERRV er (Emergency Rescue and Recovery Vessel), som har til opgave at ligge standby ved boreplatforme i Nordsøen. Deres opgave består i at være klar til at være klar. Det vil sige, at de i al slags vejr skal være klar til at rykke ud med deres FRB er (Fast Rescue Boat), som er små, meget sødygtige, gummibåde med op til 320 hestekræfter. Der er i mange år blevet udviklet på Esvagt s FRB er, og de bygger på erfaringer gjort over de sidste 20 år. Dette betyder, at FRB erne er blevet udstyret med mange gadgets, der får Esvagts FRB er til at ligge langt over standard FRB krav. Eksempelvis selvoppustelige balloner, der kan vende FRB en ved kæntring. Esvagt er dog ikke kun indenfor standby branchen. De har på deres både også oliespildsudstyr, og indgår som en aktiv del af det norske NOFO (Norsk Oljevernforening For Operatørselskap) beredskab. Dette betyder, at de på skibe som Stavanger og Bergen har flydespærringer og olieskimmere til opsamling af olieudslip fra platforme i Norge. (Esvagt, 2014) (Larsen, 2014) Figur 2: FRB 15C. Redningsbåd til 15 personer der kan sejle op til 30 knob, samt sødygtig i næsten alt slags vejr. (Esvagt, 2014) En stor del af Esvagts ERRV er indgår også i brandberedskabet på platformen. Dette betyder, at mange af Esvagt s skibe er udstyret med store vandkanoner, hvilket gør dem i stand til at kunne kaste vand ombord på platformen fra vandet. Disse kanoner er så kraftige, at de ikke blot har deres egen elmotor, men i nogle tilfælde kan være sluttet til skibets hovedmotor gennem gear og kobling. (Larsen, 2014) Enkelte skibe i Esvagt har også opgaver som tanker assist, rigmoves og supply opgaver. Disse vil være skibe på kortere kontrakter og vil i fleste tilfælde være tilknyttet en form for jack-up rig. Figur 3: Esvagt Contender afprøver deres FiFi beredskab (Esvagt, 2014) Et helt nyt skud på stammen er Esvagt s Siemensskibe. Disse skal sejle som serviceskib omkring de store offshore vindmølleparker. Her skal de forsøge at bryde traditionel service af vindmøller, hvor man hver dag Side 6 af 44

10 sejler ud fra en havn og bruger mange timer og penge på transport. I stedet skal Esvagt s Siemensskibe blive på vandet i 14 dage og herfra dagligt fragte reparatører og reservedele mellem møllerne. Skibet skal også fungere som hotel for Siemens reparatørerne, som nu ikke skal fragtes tilbage i havn hver dag og sparer mange timer på transport. Esvagt Stavanger Dette relativt nye skib fra 2012 er et af tre søsterskibe Esvagt har indkøbt af klassen: Ulatein X-Bow. X-bow skibene er særlig gode som supplyskibe, da de, med deres specialudformede bow, gør det nemmere at skære bølgerne i høj sø. Den er bygget på principper fra gamle vikingeskibe og atypisk for sin tid bygget uden bulb. (Larsen, 2014) (Esvagt, 2012) Figur 4: Esvagt Stavanger (Egne fotos, 2014) Skibet har en 12 mand stor besætning, som består af tre i maskinen, fire på dækket, fire på broen inklusiv kaptajn og en kok. Skibets primære opgave er ERRV og ligger på kontrakt ved Osebergfeltet i Norge. Feltet består af 7 faste platforme,men kan dog bestå af flere ved udboringer. ( var der 9. 7 faste + 2 ankerrigge) Osebergfeltet strækker sig over en distance på ca. 30 NM, alt efter hvor mange rigge der er placeret, og ligger ca. 1/3 mellem Bergen og Shetlandsøerne set fra Norges side. (Larsen, 2014) Fremdrivning Hovedsageligt består fremdrivningen af en 850kW Brunwoll azimuth, som er placeret under boven af skibet. En azimuth er en skrue, der drejer 360 grader og er yderst effektiv, når man skal manøvrere. Azimuther bruges gerne på færger, hvor man har mange havnemanøvrer og ikke er så fikseret på økonomisk sejlads. Den azimuth der er installeret ombord på Esvagt Stavanger kan også omdrejningsreguleres gennem en frekvensomformer, og kan ved sejlads med hovedmaskinerne trækkes op under skibet Figur 5: Brunvoll retracteble azimuth (Brunvoll, 2014) ved hjælp af hydraulik. Skibets to hovedmaskiner kan gennem hver deres skruer yde ca. 1500kW. Dog bliver disse ikke brugt lige så meget som azimuthen, da det kun er ved regulær sejlads, der er brug for så stor effekt. (Larsen, 2014) (Esvagt, 2012) NOFO-udstyr Esvagt Stavanger er bygget på kontrakt med Statoil og skal de næste 6 år ligge ved Osebergfeltet. Dette betyder, at skibet er udstyret efter Statoil specifikationer. Skibet indgår i det norske NOFO beredskab, og har agterst i skibet placeret en linse til indsamling af oliespild. I samme forbindelse er der installeret en olieskimmer til opsugning af olie, samt tanke med opvarmning til opbevaring af oliespild. Figur 6: Princip bag NOFO-linse og skimmer. (Knudsen, 2010) Side 7 af 44

11 Ombord er også et dispergeringsanlæg der vil kunne sprøjte dispergeringsvæske ud for at få eventuelt olieudslip til at samle sig og bundfælde. Forrest på skibet kan to bomme med dysser skydes ud, og man vil derefter kunne sprøjte væske ud, som en landmand ville sprøjte sine marker. Der er også indrettet et operationsrum, hvor en eventuel indsats vil kunne dirigeres fra. Operationsrummet er indrettet med projekterskærme og skærme fra skibets radar. Her er der i samme anledning installeret en olieradar på skibet, der ved olieudslip vil kunne vise udslippets omfang. (Larsen, 2014) Daughter craft (DC) Agter i skibet er der en port til DC-garage, hvor der er placeret et daughter craft. Denne kan bruges til personale transport, men bliver oftest brugt i NOFO- sammenhæng. Her bruges den til at trække olielinsen ud, og venter derefter på, at et skib med større kraft kan tage over. Denne lille waterjetdrevne båd er drevet af to 435 HP Volvo Penta motorer, men er dog hverken særlig sødygtig eller hurtig pga. sin tonnage på fire tons. Udover blot at skulle bruges til udlægning af linse i NOFO regi, kan daughter craftet også bruges til længere search-and-rescue-missioner, hvor der her er en større komfort end i en standard FRB. (Larsen, 2014) (Maritime Partner, 2014) Figur 7: DC-garage til daughter craft (Egne fotos, 2014) Dynamic Positioning (DP) Esvagt Stavanger er udstyret med et dynamic positioning system, der gør det i stand til at styre skibet i alle retninger uanset ydre påvirkninger, blot ved brug af et joystick. Dette gøres ved hjælp af de fire thruster (to bow- og to sternthruster), en azimuth og to skruer til normal fremdrivning. I systemet navngivet thruster 1-7 (T1-T7). Computeren, der er placeret på broen, bruger følere til at korrigere for vind, dønninger og strøm. Den indstiller belastningen af de syv thrustere, og man opnår derved den ønskede manøvrering. DP-systemet kan ved hjælp af to GPS-opkoblinger indstilles til at ligge komplet stille i forhold til havbunden. Denne funktion er særlig behjælpelig i forbindelse med platform interaktion. Man vil nu kunne ligge meter fra platformen og stadig have stor sikkerhed for ikke at sejle ind i benene på platformen. (Larsen, 2014) Figur 8: Esvagt Daughter craft (Maritime Partner, 2014) Der findes inden for DP-systemer et tretrins-karakteriseringssystem, som er sigende for hvor stor sikkerhed, der er indbygget i systemet. DP1-skibe er karakteriseret ved, at der ikke er backup. Det vil sige, at det blot er skibe, der har dynamic positioning system ombord. DP2 skibe, som Esvagt Stavanger, har backup af alle aktive komponenter. Dette betyder, at der er to hovedmotorer, to akselgeneratorer, to generatorer, to bowthruster og Figur 9: Esvagt Stavangers syv thruster (Esvagt, 2012) Side 8 af 44

12 to sternthruster. Der er altså indbygget redundans i skibet, og såfremt der skulle ske en fejl, vil de ikke påvirke skibets position. Azimuthen ses ikke som en aktiv komponent, da den blot er til standby-sejlads og ikke en nødvendighed for at sejle som DP-skib. DP3 skibe skal have redundans på computeren, der styrer DPsystemet. Det vil sige, at man skal kunne styre DP-systemet fra et andet sted end broen, hvor udstyret normalvis er placeret. Hvis et skib i Norge skal arbejde sammen med en offshoreinstallation er der krav om, at skibet skal være minimum DP2 udstyret. Dette er netop for at skabe større sikkerhed samt mindske muligheden for ulykker pga. fejl i udstyr. DP3-skibe bruges ofte på som dykkerskibe, hvor det kan være nødvendigt at blive liggende på positionen i længere tid, eksempelvis ved brand eller oversvømmelse af skibet. (Larsen, 2014) Ekstraudstyr Esvagt Stavanger er også udstyret med to FIFI-kanoner (Fire Fighting), der med 20 m3/h kan kaste vand op til 120m væk fra skibet og 45m i højden. Dette i kombination med DP2-udstyr gør Esvagt Stavanger til et yderst effektivt stykke værktøj ved bekæmpelse af brand ombord på en offshoreinstallation. Skibet rummer også et hospital med sengepladser til 12 patienter. Ombord er dele af personalet udannet til at kunne håndtere mindre katastrofer. De vil her kunne yde kvalificeret hjælp i startfasen af en nødsituation, og derved kunne mindske antallet af tilskadekomne. Alt i alt er Esvagt Stavanger udstyret til at kunne redde 370 nødstedte personer. (Larsen, 2014) (Esvagt, 2012) Figur 10: FIFI-kanon ombord Esvagt Stavanger (Egne fotos, 2014) Elektrisk system Esvagt Stavanger har ombord fire generatorer, der i fællesskab sørger for forsyningen af elektricitet til skibet. To af generatorerne er drevet af Mak 6M20C dieselmotorer og kan levere 1020 kw til el-nettet. De sidste to generatorer er drevet af hovedmotorerne, og har gennem et gear mulighed for at koble ind og ud under sejlads. Akselgeneratorerne er her hver på 2500kW. Opbygningen af dieselgeneratorerne og akselgeneratorerne ser således ud: Figur 11: Principtegning over generatorerne ombord på Esvagt Stavanger (Egen illustration, 2014) Forsyningsspændingen ombord er 690V 60Hz, og alle fire generatorer er gennem en 690V skinne koblet sammen. De store forbrugere, såsom de fire tunnelthrusterer og azimuthen, er også koblet herpå. Et forenklet billede fra Lyngsøen viser 690V -skinnen (Shubert, 2014): Side 9 af 44

13 Figur 12: 690 V skinnen ombord på Esvagt Stavanger (Lyngsø, 2014) Det ses her, at skibet er opdelt i to halvdele. Ved DP-operation vil man kunne åbne bryder ABB1 og ABB2, og derved opnå en opdeling af det elektriske system. Dette kræver dog, at man har indkoblet akselgenerator et og to (SG1 og SG2). Det ses også, at man ved opdeling af 690V-skinnen tildeler hver akselgenerator en bowthruster og en sternthruster. Akselgenerator et vil forsyne thruster fire og et, og akselgenerator to vil forsyne thruster fem og to. Hver akselgenerator vil også forsyne halvdelen af skibets 230V og 440V installationer gennem hvert sit sæt transformere. Skibets Azimuth vil i en DP-situation blive isoleret fra resten af elsystemet, og en dieselgenerator vil nu være aktiv med kun azimuthen som eneste forbruger. Forbrugeren consumers dækker over store el-motorer, der blandt andet driver hydraulikpumper, cargopumper, mm. Disse elmotorer er dog ikke lige så store som thrusternes elmotorer, men stadig store nok til at det kan betale sig, at de er drevet af 690V. (Shubert, 2014) Udover 690V-skinnen er der 440V-, 230V- og to nødskinner. De er forbundet således: Figur 13: 440V-, 230V- og to nødskinne ombord på Esvagt Stavanger (Lyngsø, 2014) Side 10 af 44

14 Transformerne forsynes fra 690v-skinne, og forsyner derefter hver parvis 230V og 440 V tavlen. Her kan tavlerne igen deles op ved DP-operation, nu ved hjælp af bryder ABB3 og ABB4. Alle skibets 230V- og 400Vtavler forsynes herfra. Det ses også, at man ved hjælp af tilslutning fra land kan forsyne skibet gennem 440Vtavlen. Både 230v- og 440v-skinnen forsyner ved normal drift hver sin del af nødtavlen gennem henholdsvis afgang A04 og AICE. Det kan dog lade sig gøre at forsyne 230V delen af nødtavlen gennem bryder A01A. Man vil her benytte sig af transformeren, der normalt kun vil være i brug ved kørsel med nødgeneratoren. Dog er det ikke muligt at forsyne 440V-skinnen fra 230V-skinnen, da bryderen vil slå fra pga. reverse current. Tavlerne Motor C.C er store motortavler i maskinrummet og skal tilkobles manuelt. (Shubert, 2014) Side 11 af 44

15 Skibsprofil Elforbruget ombord på Esvagt Stavanger er meget afhængigt af vejret. Derfor vil det være yderst interessant at få belyst skibsprofilen. Der er over to måneder blevet nedskrevet forbruget ombord, og der vides nu både hvor stor gennemsnitsbelastningen af generatorerne er, og hvor stor belastningen af hovedmaskinerne er. Der er tale om to meget forskellige perioder. Den ene har været en periode med stille vejr, og den anden en periode med meget uroligt vejr. Tilsammen giver det et godt billede af, hvordan Esvagt Stavanger bliver brugt. For at lave et graderingssystem af belastningerne er der til dette projekt opfundet et simpelt niveausystem til standby sejlads. Her vil niveau 1 være den laveste belastning og derefter stigende. Det næste kapitel vil tage udgangspunkt i bilag 1-1, 1-2 og 2. Hoteldrift (egetforbrug) Det er vigtigt at vide, hvor stor en del af forbruget ombord er tildelt hoteldrift, og hvor stor en del er tildelt fremdrivning. Forbruget er derfor ved havneophold blevet aflæst. Under to dages havneophold den og blev der observeret, at hoteldriften var 200kW. Niveau 1 drift Ved dage med lav sø vil den eneste form for fremdrivning være skibets azimuth, der vil være drevet af en af skibets dieselgeneratorer. Belastningen varierer her fra 200kW, som er hoteldriften, og op til 550kW. Det ses i bilag 2, at man i måneder med stille vejr vil kunne sejle niveau 1 drift. Et billede af forbruget fra generator 1 vil typisk se således ud: Figur 14: Dynamisk kurve over niveau 1 drift (Lyngsø, 2014) Figur 15: 690V-skinnen ved niveau 1 drift (Lyngsø, 2014) Side 12 af 44

16 Det ses her, at forbruget ikke har de store udsving, men dog kan tage enkelte kortvarige høje udsving. Det kan eksempelvis skyldes, at en kompressor starter op eller pumpning af ballastvand. Billedet af 690v-skinne viser også, at der ved niveau 1 drift kun er indkoblet en generator. Skibet vil i denne situation enten ligge og drive eller sejle meget langsomt op i bølgerne. Niveau 2 drift Denne drift adskiller sig ikke meget fra niveau 1 drift. Der er her også kun koblet en generator ind, men forbruget kan nu vedvarende overstige 550kW og helt op til 980kW, hvilket er grænsen for Lyngsøen. Igen er det her kun skibets azimuth, der bliver brugt til fremdrivning. Dette kan dog resultere i nogle problemer, da azimuthen går i load limit ved 80% belastning af generatorernes max effekt. Disse 80% er bestemt efter, at man ønsker at have 220kw i reserve, hvis det skulle være nødvendigt at opstarte andre store forbrugere. (Larsen, 2014) Skibet vil her ligge op imod bølgerne konstant, men dog ikke sejle mere end et par knob, da man ikke ønsker at sejle bort fra platformene. Niveau 3 drift Det vil her være nødvendigt at opstarte en ekstra generator, da skibet ikke længer vil kunne sejle med den 850kW azimuth, uden den går i load limit. Der vil nu være to stk. 1020kW generatorer til rådighed, hvilket er rigeligt til at drive hoteldriften og azimuthen. Det kan i nogle situationer være nødvendigt at opstarte en stern thruster, eller eventuelt begynde at bruge skibets styremaskiner til at holde agten af skibet i ro. Et billede af forbruget vil se således ud. Figur 16: Niveau 3 belastning af generator 1 (Lyngsø, 2014) Figur 17: 690V-skinnen ved niveau 3 drift (Lyngsø, 2014) Side 13 af 44

17 Det ses på den dynamiske kurve, at man pga. høj sø får en meget mere ujævn belastning af generatorerne. Der svinges fra belastninger helt ned til 100kW og op til 880kW i løbet af relativt kort tid. Det er her nødvendigt at holde lidt mere fart i skibet for at undgå at falde af. Hvis man falder af sin kurs, som ofte vil være vinkelret på bølgerne og vinden, vil skibet begynde at krænge voldsomt. Niveau 4 drift Overgangen til niveau 4 vil ske, hvor der ikke længere er tilstrækkelig fremdrift fra azimuthen til at kunne holde kursen. Her vil man blive nødsaget til at opstarte en hovedmaskine for at få mere fremdrivningskraft. Elforbruget vil falde drastisk, da fremdrivningen ikke længere består af den diesel-elektriske metode, men i stedet af en traditionel skrue forbundet direkte til en hovedmotor gennem et gear. Her vil man altid slukke den ene dieselgenerator pga. faldet i elforbrug. Grunden til at man ikke slukker begge dieselgeneratorer og kobler over på akselgeneratoren, er at skibet bliver opvarmet af HT-vandet fra dieselgeneratorerne. Man vil derfor miste varmen på skibet ved at slukke begge dieselgeneratorer. Dette resulterer nu i, at man har en dieselgenerator til at køre ved lav belastning, kun for at opvarme skibet. (Shubert, 2014) I situationer hvor der er meget høj sø, vil man kunne koble akselgeneratoren til for at få strøm nok til en eventuel indkobling af thrusterer. En omkobling fra niveau 3 til 4 og 690v-skinnen vil se således ud: Figur 18: omkobling fra niveau 3 til 4 (Lyngsø, 2014) Figur 19: 690V-skinnen ved niveau 4 drift, med indkoblede thrusterer og separeret tavle (Lyngsø, 2014) Det ses på den dynamiske kurve, at man ved at tage en hovedmotor i brug går fra et forbrug på to dieselgeneratorer ved en gennemsnitlig belastning på 500kW ned til en dieselgenerator på ca. 280kW. Forbruget stiger dog igen, da man vælger at tage azimuthen i brug som bowthruster. Forbruget stabiliseres også, da de store udsving skyldes bølgegangen. Det er ved niveau 4 nødvendigt at holde fart i skibet for at undgå at falde af. Dog skal man ved brug af thrustere passe på ikke at få for meget fart på, da thrusterne vil miste effekten. Ved øvelser med enten NOFO-udstyr eller MOB-båd vil man oftest bruge niveau 4 drift. Dette gøres dels for at have maskinkraft til at ligge på halvt DP, eller for at have maskinkraft nok til at få fart i skibet til at kunne sætte FRB en i vandet. Side 14 af 44

18 Ønsker man kun at opstarte en hovedmotor, vil det ved øvelse være en fordel at opstarte bagbord hovedmaskine. Da alt udstyret er placeret på styrbord side, vil man ved mand-over-bord mindske risikoen for, at en person bliver suget ind i skruen. (Shubert, 2014) Sejlads Her vil driftsforholdene ligne driften ved niveau 4. Der vil være brug for hovedmotorerne, men pga. den manglende udstødskedel vil man ikke kunne slukke dieselgeneratorerne og koble akselgeneratorerne ind. Dieselgeneratorens ydelse vil være på ca kw mere end hoteldriften på, da den ved sejlads også skal yde effekt til hovedmaskinernes hjælpepumper. (Shubert, 2014) DP Som tidligere beskrevet bliver skibets elektriske system delt op ved DP-sejlads. Her vil begge aksel generatorer være koblet ind, og den ene dieselgenerator vil som eneste forbruger have azimuthen. Forbruget for azimuthen under DP-manøvre vil være minimalt, da den ikke indgår som en del af DPsejladsen. Under manøvre er der aflæst et gennemsnitligt forbrug på 5-10kW. Desuden bruges dieselgeneratoren som varme til skibet. Under DP sejlads vil generatorerne være koblet således: Figur 20: 690V-skinnen ved DP-sejlads, med indkoblede thrusterer og separerede tavler (Lyngsø, 2014) Skibsprofil For at kunne estimere hvor meget skibet sejler på azimuth, en hoved maskine og to hovedmaskiner, er der ud fra maskinlogbogen nedskrevet hvornår, der er opstartet hovedmaskiner. Dette er vist i bilag 1-1 og 1-2. Der er her nedskrevet data fra to forskellige måneder, en med hårdt vejr og en med mildt vejr. Dette giver til sammen et godt helårsbillede. Det ses, at skibet i perioder med stille vejr sejler 3,25 % for BB-hovedmaskine, 0,83% for SB-hovedmaskine og 7,55% på begge hovedmaskiner. Sejlads kun med BB-hovedmaskine vil være øvelsessejlads. Sejlads kun med SB-hovedmaskine vil være sejlads, hvor man skal have mere fart på, end azimuthen kan klare. Man vælger her SB-hovedmaskine for at kompensere for de mange timer med øvelsessejlads på BB-hovedmotor. Sejlads med begge hovedmaskiner vil være DP-sejlads eller regulær sejlads. Oftest vil der i hver anden Side 15 af 44

19 måned være sejlads til Mongstad Statoil for at bunkere fuel og vand. Denne sejlads tager ca. 6-8 timer hver vej og kan ses d. 5. og 6. september på den stille måned. En skibsprofil, set ud fra belastning af generatorerne, vil se således ud i godt vejr: Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 drift DP/ sejlads Stille vejr 88,4% 0% 0% 4,1% 7,5% I hårdt vejr vil man flere gange komme op i niveau 3 og niveau 4 drift. Dog vil man være mindre tilbøjelig til at sejle med BB-hovedmaskine, da der ikke holdes så mange øvelser. Man vil i stedet sejle på SBhovedmaskine ved regulært niveau 4 sejlads, da man igen vil forsøge at kompensere for de mange timer man sejler på BB-hovedmaskine i godt vejr. En skibsprofil vil se således ud i hårdt vejr: Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 drift DP/ sejlads Hårdt vejr 39,3% 14,3% 28,6% 12% 5,8% Den procentvise fordeling af niveau 1, 2 og niveau 3 er lavet ud fra bilag 2. Her vises det, at der er 11 dage med niveau 1, 4 dage med niveau 2 og 8 med niveau 3. Usikkerheden her vil være stor, da der er tale om udtræk af data en gang om dagen, og ikke et gennemsnit over hele dagen. Dog giver det et godt billede af forbruget ombord. Delkonklusion Det kan klart anbefales at kigge på optimering af dieselgeneratorerne, da de det meste af tiden kører niveau 1, niveau 3 drift, og DP/sejlads. I disse drifter er generatorerne lavt belastede og vil derfor have en dårlig virkningsgrad. Gennemsnitsbelastningen af generatorerne er ca. 404kw. Side 16 af 44

20 Brændstofforbrug Databladet oplyser kun fem belastninger for dieselgeneratoren. Det vil være optimalt at finde en kurve for det specifikke brændstofforbrug. I databladet for generatoren (bilag 3) oplyses følgende: Belastning Forbrug 110 % 201,0 g/kwh 100 % 197,2 g/kwh 85 % 196,9 g/kwh 75 % 198,2 g/kwh 50 % 208,0 g/kwh For at hæve sandsynligheden og undgå fejl i de lavere områder er der under korrespondance med Allan Hjortshøj (Service Manager MaK) blevet oplyst et forbrug på 238,6 g/kwh ved en belastning på 25%. (bilag 12) Disse data kan nu indsættes i et koordinatsystem, og en graf kan derefter indtegnes herefter. Figur 21: Graf over brændstofforbrug eget arkiv Her er indsat en andengradsligning oven i punkterne, hvilket giver en R2=0,9935. Dette kan skyldes, at brændstofforbruget ikke er aflæst ved præcise belastninger, eller at grafen ikke er en andengradsligning. Det accepteres dog her, da der skal være tale om en interpolation mellem 25 % belastning og 110 % belastning, og der ikke skal bruges brændstofforbrug fra under 25 % eller over 110%. 2 Grafen bliver i programmet defineret som y x x , og vil senere kunne benyttes til at finde brændstofforbruget ud fra belastningen. Den optimale belastning kan findes ved at differentiere andengradsligningen og derefter finde skæringen med x aksen. En gennemgang af udregningen kan findes i bilag 4: Side 17 af 44

21 y' x x ,75 x Her ses, at det vil være mest optimalt for generatoren at operere ved en belastning på 885,75kW. En procentvis belastning vil være: Poptimal 885,75 % optimal ,83% P 1020 fuldlast Delkonklusion Det vil være optimalt for generatoren at køre på 86,8%, hvis man ønsker at få flest kw ud af sit brændstof. Det ses også, at der er en væsentlig stigning i forbruget ved belastninger under 60%. En motor der kører ved en belastning på 86% får altså flere kw ud af en liter diesel, end en motor der kører ved 35%. Side 18 af 44

22 Analyse Der kan ikke herske nogen tvivl om, at dieselgeneratorerne ombord på Esvagt Stavanger er overdimensioneret i forhold til standby-driften. Der vil derfor i dette afsnit blive belyst hvilke faktorer, der vil kunne ændres, for at anlægget vil kunne køre optimalt. Først skal man se på, hvilke forhold der ændrer sig, når en dieselgenerator går fra fuld last og ned til halv last. Starter man med at kigge på motordelen af dieselgeneratoren, vil man først kunne lave dele af snapzformlen om til konstanter: n n PB K pe PB s d pe z Figur 22: (Andersen, 2010) Når en dieselmotor er færdigbygget vil man ikke kunne ændre på s(slaglængden), d(diameteren) og z(antal cylindere). De er derfor ændret til konstanten K, hvilket efterlader P B (Bremseeffekten), P(effektive middeltryk) og n (Omdrejningerne) tilbage. Når man snakker om generatordrift, ønsker man at holde omdrejningerne på dieselmotoren konstant, da dette ellers vil ændre på frekvensen på elnettet. Dette betyder, at omdrejningerne også er konstante, og formindsker man bremseeffekten P B vil det effektive middeltryk falde: P K p B e n 2 60 I forrige afsnit blev det påvist, at en lavt belastet dieselgenerator vil have en dårligere udnyttelse af brændstoffet. Derfor kan man nu konkludere, at sænker man middeltrykket i motoren, vil man få et dårligere brændstofforbrug. Man kan dog kun gøre disse antagelser ud fra en 86,8 % belastet dieselgenerator, da brændstofforbruget vil stige ved en belastning herover: P specifikke brændstofforbrug B n PB K pe 2 60 n K pe specifikke brændstofforbrug 2 60 Der kan altså opnås en bedre g / kw hvis man hæver middeltrykket. Der foreslås to af følgende muligheder. Mulighed 1 Hvis man ikke har mulighed for at afsætte den producerede effekt, men sætter den som en konstant, vil man i stedet skulle sænke omdrejningerne for at hæve middeltrykket: Side 19 af 44

23 P K p B e n 2 60 Dette vil dog betyde, at man skal finde en måde at hæve frekvensen på, da man ved at ændre omdrejningerne på motoren proportionelt ændrer frekvensen på generatoren. Rent elektroteknisk vil man også komme i problemer med generatoren, da man ændre hastighederne i generatoren, vil man ændre (brudte feltlinjer) og derved ændre den elektromotoriske kraft. For at t opretholde vil man skulle analysere hvad den består af: t E B l v t Figur 23: (Petersen, 2006) Når den elektromotoriske kraft E falder, er det fordi man går ind og ændrer på hastigheden v. Hvilket er hastigheden, man bryder feltlinjerne B med. Værdien l er længden, som bryder feltlinjerne, og er i dette tilfælde også konstant, da man ikke umiddelbart kan ændre på konstruktionen af generatoren. For at kompensere for formindskelsen af v, vil man skulle forstørre B og derved opretholde E: E B l v t Rent praktisk genereres B af magnetiseringsstrømmen på generatoren, og hastigheden v genereres af omdrejningerne på dieselmotoren. Problemstillinger: Vil en dieselmotor kunne fungere ved lavere omdrejninger og høj belastning? - og hvad sker der? Vil man kunne opretholde E ved at hæve B når v falder? Kan det lade sig gøre at opretholde frekvensen, når omdrejningerne falder? Mulighed 2 Man kan hæve middeltrykket i motoren ved konstante omdrejninger og derved hæve bremseeffekten og elproduktionen. Dette gør dog, at man skal finde en mulighed for at afsætte denne overproduktion af elektricitet. P K p B e n 2 60 Da det vil være spild bare at skulle installere varmelegemer for at højne forbruget, vil det være en ide at finde en form for akkumulator, som ville kunne gemme den producerede effekt. Man vil derefter kunne slukke helt for generatoren og bruge af den akkumulerede effekt. Side 20 af 44

24 Figur 24:Illustration over forbrug ved oplagring af effekt (egen tegning) Den producerede effekt er her illustreret ved skraverede grå felter. Som det ser ud nu, vil den producerede effekt konstant være ca. 30 % af generatorens fulde effekt. Dette resulterer i en dårligere udnyttelse af brændstoffet. I stedet vil man skulle producere højere effekt og derved skabe en bedre udnyttelse af sit brændstof. Dette skal så akkumuleres (den røde linje) og derefter forbruges, når dieselgeneratoren er stoppet. Mængden af kwh vil være den samme, men mængden af brændstof vil være mindre, da man får flere kwh ud af sit brændstof ved at køre ved optimal belastning. Problemstillinger: Hvilke akkumuleringsformer findes der til at akkumulere så stor effekt? Side 21 af 44

25 Mulighed 1 For at kunne lave en optimal vurdering af problematikkerne i mulighed 1, vil der skulle laves to opstillinger. Et forsøg i skolens skibssimulator for at kunne vurdere, om det er muligt for en dieselmotor at køre med høj belastning ved lavere omdrejninger. Her vil man kunne få et overblik over udstødningstemperaturer, turboomdrejninger, middeltryk, osv. Et forsøg i el-lab for at kunne vurdere, om en synkrongenerator vil kunne yde under de givne forhold. Her vil man opleve, hvordan magnetiseringsstrømmen og omdrejningerne påvirker belastningen. Skibssimulatoren Hvis man vil regulere omdrejningerne og belastning kan man ikke bruge de dieselgeneratorer, der er en del af kraftværket i skibssimulatoren. De vil som en almindelig dieselgenerator falde ud pga. lav spænding eller reverse current. Der vil i stedet blive lavet forsøg på fremdrivningsmotoren på en mindre coaster, der er udstyret med en 4 MW 4-takt 8-cylinder MAK-motor. Der er her mulighed for at regulere omdrejningerne, og da coasterne er udstyret med CPP (controllable pitch propeller) vil man kunne regulere belastningen på motoren ved at regulere pitchen. Motoren er tilsvarende den der sidder på generatorerne på Esvagt Stavanger, dog 3-4 gange så større, og med 2 ekstra cylindere. Dette kan være en fejlmargen, men det giver dog stadig et godt indtryk af hvad der sker, når man begynder at belaste en motor ved lave omdrejninger. Et skærmbillede fra simulatoren viser både opstillingen og udtræk af data; Figur 25: Skærmbillede fra simulatoren. Viser data på hovedmotoren. (Egne fotos) Side 22 af 44

26 Det er nu muligt at sætte motoren i fixed speed, hvorefter man vil kunne justere omdrejningerne og pitch (belastning) uafhængigt af hinanden. I simulatoren ser skærmbilledet således ud: Omd. Reg. Reg. af pitch Fixed speed Figur 26: Skærm billede af kontrolpanelet til hovedmotoren (egne fotos) Det første forsøg er et fuldlastforsøg for at se, hvad normal værdierne vil være ved en fuldt belastet motor. Dette gøres ved at starte motoren op og sætte control lever en i full ahead. Ud fra dette fås følgende data: Da akselgeneratoren ikke er koblet ind, er det kun muligt at belaste motoren med 75 % - dog har data fra tidligere vist, at dette vil være det optimale område, og motoren vil ikke være overbelastet. Forbruget for motoren er 184g/kW. Dette er mere effektivt, end den dieselgenerator, den skal sammenlignes med. Dog accepteres dette, da motoren kun skal sammenlignes med sig selv for at få forståelsen for, hvad der kan ske med dieselgeneratoren. Næste forsøg laves ved 25 % belastning og pitchen justeres til 35 % for at opnå 1MW bremseeffekt. Herefter sænkes omdrejningerne, imens pitchen opjusteres for at opretholde 1MW. Data ser således ud: Ved 284 rpm. kunne det ikke lade sig gøre at justere pitchen mere, så ved af fylde ballasttankene nåede motoren 1MW belastning. Forsøget viser en klar sammenhæng mellem forbruget og middeltrykket, og gav Side 23 af 44

27 ingen alarmer på hverken high level eller low level. Dog kan det ikke lade sig gøre at belaste skibet med 1MW ved lavere omdrejninger, så der bliver lavet et forsøg ved 50 % belastning for at se om sammenhængen stadig er gældende. Det ses nu endnu gang, at der er stor sammenhæng mellem effektiviteten og middeltrykket. Der begynder dog at kunne ses en tendens til, at turboen begynder at rotere med færre omdrejninger. Dette skyldes 2 ting. Til dels at motoren ikke brænder så stor en mængde diesel af, og derved ikke skaber samme tryk i udstødsreceveren, som driver turboen. Men også at motoren kører med de halve omdrejninger, og derfor ikke kan trykke så meget luft igennem systemet. Motoren vil altså køre med et større luftoverskud ved en lavere belastning, end den vil ved en høj belastning, da den sprøjter mindre brændstof ind ved den lave belastning. Der er også en tendens til, at motorens middelcylindertemperatur og middelstempeltemperatur bliver lavere. Dette skyldes, at der ved samme leverede effekt skal brændes mindre brændstof af, og derved afsættes der også mindre varme til omgivelserne. Udstødningstemperaturen er også kraftigt faldende. Dette skyldes endnu engang den sparede mængde brændstof, men også at forbrændingen tager op til dobbelt så lang tid. Ved at sænke omdrejningerne til det halve, vil forbrændingen have dobbelt så lang tid til at ske, og der vil altså ske en mindre efterforbrænding. Det lave ladeluftstryk, som falder fra 2,1 bar og falder helt ned til 0,5 bar, vil også have en del at sige her. Motoren vil ikke kunne få lige så meget luft ind i cylindrene, og vil måske komme til at mangle luft, hvilket resulterer i en dårligere forbrænding. Dette vil kunne give problemer med tilsodning. Den lave udstødningstemperatur vil ved anlæg med udstødskedel kunne give problemer, og det vil evt. være nødvendigt at lave justeringer for at opretholde samme effekt fra udstødskedlen. Fuel-forbruget forbedres markant ved at sænke omdrejningerne. Ved at sænke omdrejningerne med det halve, vil fuelforbruget falde næsten tilsvarende. Det ses, at ved 25 % belastning 284 rpm vil forbrændingen være endnu bedre end ved en 75 % belastning. Forsøget ses som en succes, og der vil være store besparelser at hente ved at køre ned i omdrejninger. El-lab Der vil i el-lab blive lavet en opstilling, der skal simulere en dieselgenerator. Her vil det være muligt at se hvordan en synkrongenerator reagerer ved ændring af omdrejninger og belastning. I stedet for en dieselmotor vil der blive brugt en asynkron elmotor, som vil være tilsluttet gennem en frekvensomformer. Magnetiseringsstrømmen vil kunne varieres ved at påtrykke magnetiseringsspolen en variabel spænding. Til belastning af generatoren vil der blive brugt en variabel ohmsk modstand og en variabel induktiv modstand. Opstillingen ser således ud: Side 24 af 44

28 Figur 27:Opsætning af forsøg (Egne illustrationer) Opstillingen vil være forbundet med amperemeter, wattmeter og Fluke analyser således: Figur 28: Forbindelses diagram over forsøg (Egne illustrationer) Først laves et forsøg for at finde fuldlasten for generatoren. Dette gøres ved at køre frekvensomformeren op til 50Hz og derefter magnetisere synkrongeneratoren med 1,5 A, hvilket er max belastning. Samtidig skrues der ned for modstanden i de variable modstande, så de konstant påtrykkes 400 V. I forsøget vil der blive bestræbelser for at få cos til at være ca. 30 o (0,86), da dette vil være en realistisk faseforskydning. Følgende data kan nu nedskrives: Det ses her, at fuldlast effekten fra generatoren er 1.561kW ved en magnetiseringsstrøm på 1,5A og en cos på 0,88(28,4 o ). Frekvensen er 49,62Hz, da synkrongeneratoren er drevet af en asynkronmotor, der ikke kan levere effekt uden et slip. Næste forsøg vil være ved en belastning på ca. 40 % af fuldlast effekten. Herved skal der skrues ned for magnetiseringsstrømmen for at holde spændingen på ca. 400V: Det lykkedes her ikke at holde cos på 0,88, men det accepteres dog, da den kun er faldet til 0,83 (34 o ) Side 25 af 44

29 Herefter skal der simuleres, at der skrues ned på omdrejningerne på dieselmotoren, hvilket gøres ved at skrue ned på 40,7 Hz på frekvensomformerne. Herved simuleres det, at motoromdrejningerne falder med 18,6%. Der skrues nu op for magnetiseringsstrømmen (B) for at kunne opretholde den faldende kraft F, da v nu er faldende: Det ses her, at det lykkedes at opretholde spændingen, dog er magnetiseringsstrøm 0,05 A over normal. Dette accepteres dog, da det kan antages, at der ikke afsættes den samme varme i motoren ved 659 W som ved 1561 W, og motoren derved nemt kan køle den effekt, der vil afsættes ved en overmagnetisering på 0,05A. Det ses dog også, at det her allerede vil have nået max for hvor meget man ved normal drift vil kunne presse en generator. Det vil i længere tid ikke kunne lade sig gøre at overmagnetisere, da det ikke vides hvor stort kobbertværsnittet er, og om man vil risikere at brænde magnetiseringsspolen af. Der laves dog kortvarigt endnu et forsøg, hvor omdrejningerne reduceres yderligere til 27,8 % af total. Her bliver der kortvarigt skruet op for magnetiseringsstrømmen til 2,3A og nedskrevet følgende: Det ses her, at det kan lade sig gøre at opretholde en spænding uden at mætte jernet i magnetiseringsspolen. Dog ligger det lige på grænsen. Det ses, at man ved at skrue 18,6 % ned for omdrejningerne bliver nødt til at skrue 34,8 % op for magnetiseringen. Men skruer man 27,8 % ned for omdrejningerne, vil man skulle skrue magnetiseringsstrømmen op med 100 %. Man vil altså godt kunne bruge de 0,35A magnetiseringsstrøm, som ikke bliver brugt ved en 40% belastet generator til at opretholde spændingen ved 18,7% færre omdrejninger. Forsøget viser, at forholdet mellem B-feltet og hastigheden (v) ikke er ligefrem proportionel, og at den vigtigste faktor for at kunne opretholde en spænding er hastigheden. Frekvens problem Ved samtale med Kim Strate fra Siemens Marine blev der diskuteret problematikken med lavere frekvens og muligheden for at installere frekvensomformer til at hæve den. Kim fortalte, at man ofte kom i problemer ved at sænke omdrejningerne på dieselmotoren, da spændingen faldt på afgangssiden af generatoren. Problemet var nu, at frekvensomformeren ikke ville kunne generere et afgangsspænding højere end den tilsluttede, og derfor havde brug for eventuelle step-up-transformere til at opretholde spændingen. Det er nu ud fra forsøget i el-lab bevist at det kan lade sig gøre at opretholde en spænding ved lavere omdrejninger og samme belastning. Dog vil der være en grænse for, hvor langt ned man vil kunne sænke omdrejningerne, da man vil mætte magnetiseringsspolen. Men det betyder nu, at der er mulighed for at installere en frekvensomformer til at opretholde frekvensen. Side 26 af 44

30 Princippet bygger på, at man normalt vil kunne bruge en frekvensomformer til at hæve frekvensen fra 400V 50 Hz om til eksempelvis 400V 100Hz AC og derved opnå det dobbelte antal omdrejninger på en elmotor. Man vil i dette projekt kunne bruge frekvensomformeren til at hæve frekvensen fra 400V 40,7Hz til 400V 50Hz. Der vil rent elektroteknisk ikke være noget til hindring i at installere en frekvensomformer, da den ikke kræver andet end en 400V for at kunne levere 400V. (Strate, 2014) Delkonklusion Der vil være store fordele i at vælge metode 1, og det vises at der formentlig vil være en besparelse ved at sænke omdrejningerne med 18,7 %. I bilag 5 er der til højre vist det procentvise fald i omdrejninger og fuel. Der viser sig at være en stor sammenhæng herimellem, og det vil kunne estimeres, at et 18,7 % fald i omdrejninger også vil give et 18,7 % fald i fuel. Der vil dog ved installation af frekvensomformer være en stigning i elforbruget. I disse antagelser er der ikke taget højde for, at man ved større generator og mindre dieselmotor eventuelt vil have andre problematikker, eller at fysikken ikke kan opskaleres. Side 27 af 44

31 Mulighed 2 For at kunne akkumulere store mængder energi bliver man nødt til at se på, hvordan man vil lagre sin energi, og hvordan man ønsker at udnytte den igen. Producerer man eksempelvis en masse elektricitet, men ønsker at udnytte det som varme, vil det være nemmere at lagre det som varme i stedet for elektricitet. Det er også vigtigt at vide, hvor lang tid man ønsker at lagre sin energi. Skal det være sekunder, timer eller år. Desuden hvor hurtigt man ønsker at udnytte sin energi igen. På Esvagt Stavanger vil det være at fortrække, at man akkumulerer energien som elektricitet og igen kan bruge det som elektricitet. Derudover vil det være en fordel, at akkumulatoren vil kunne yde samme effekt som en generator, altså 1020kw. Kapaciteten vil være afhængig af, hvor tit man ønsker at slukke generatoren, og hvor meget effekt man har til rådighed. Da der findes få metoder til at akkumulere strøm i mere end en halv time, som stadig skal kunne installeres på et skib, vil der i dette projekt blive kigget på litium-ion-batteriet. Disse er kompakte, har en høj virkningsgrad og vedligeholdelsen er på et minimum. (Johansen, 2014) Rødby-Puttgarden færgen Ombord på Færgen Prinsesse Benedikte som sejler Rødby-Puttgarden, er der for at optimere dieselgeneratorerne blevet installeret li-on-batterier fra den canadiske leverandør Corvus. Færgen var tidligere drevet af fem dieselgeneratorer der ved hjælp af fire azimuther var skibets primære fremdrivning. Men pga. skibsprofilen var dette en meget ineffektiv løsning. Skibet har hver time en overfart, der tager ca. 45 min. Dette betyder, at skibet ligger i havn ca. 15 min. hver time. Skibet skal under acceleration bruge to generatorer ved fuld effekt for at kunne komme op i fart, og bliver i havn nødt til at have disse to tændt for at holde varme på motorerne. Dette resulterede i, at generatorerne under havneopholdet kun var belastet af hoteldriften, der belaster generatorerne ned til 8 % af fuldeffekten. Som tidligere beskrevet vil dette resultere i en helt utrolig dårlig udnyttelse af brændstoffet. (Goodstein, 2014) For bedre at kunne udnytte generatorerne i havn, er der nu installeret batterier til at aftage effekten. Man vil under acceleration af skibet kunne udnytte den akkumulerede effekt og ved hjælp af en dieselgenerator sejle resten af overfarten. På denne måde har man kunnet sejle færgen det meste af året på kun en diesel generator. Den vil i havn lade batterierne, og under startsejlads yde effekten af to dieselgeneratorer pga. batterierne. Man valgte at udskifte en dieselgenerator med batterierne, dels grundet pladsmangel, men også grundet faldet i nødvendig effekt pr overfart. (Goodstein, 2014) (Johansen, 2014) Data på Prinsesse Benedikte: Batterier: 399 á 6,5kW Gammel g/kwh: 266 Ny g/kwh: 200 Brændstof besparelse årlig: ca. 15 % Figur 29: Prinsesse Benedikte. Kan nu kaldes hybrid færge da den sejler delvis på batterier og brændstof. (Scanlines, 2014) Side 28 af 44

32 100 % 95 % 90 % 85 % 80 % 75 % 70 % 65 % 60 % 55 % 50 % 45 % 40 % 35 % 30 % 25 % 20 % 15 % 10 % 5 % 0 % Brændstofoptimering Batterierne Der er i denne størrelse akkumulatorer ikke tale om et stort batteri, men om mange batterier organiseret i et stort system. Hvert batteri består af 12 celler med en varierende spænding på 4,19-3,3V. Dette giver hvert batteri en spænding på gennemsnitlig 48V. Herefter seriekobles 21 batterier, hvilket giver hver PACK, som grupperne kaldes, en spænding på 1008V. Dette er en høj nok spænding til, at en konverter vil kunne producere en vekselspænding på 615V AC 50Hz. Ombord på Rødby-Puttgarden færgen er der i alt 19 packs, som er fordelt på tre array managers (6-6-7). En pack består af en pack controller, som er forbundet til alle batterierne ved hjælp af et kommunikations-kabel. Denne sørger for hele tiden at monitorere tilstanden på batterierne, og sender det derefter videre til en af de tre array managers. Den er også forbundet i serie med alle batteriernes DC-linje, og styrer derved hvor meget strøm, der skal trækkes ud af netop denne pack. (Siemens, 2013) (Corvus Energy, 2013) Figur 30: Eksempel på Corvus batterypack med fire batterier og en pack controller (Corvus Energy, 2013) Figur 31: oversigt billede over hvordan Corvus Array Manager er tilsluttet systemet (Corvus Energy, 2013) Array managerne er ikke del af DC-linjen, men er selve styreenheden. Den fortæller powermanagement systemet, hvad status er på systemet, og fortæller pack controllerne hvor meget strøm netop deres pack skal levere. Det er også gennem array manageren, at man vil kunne opdatere softwaren i systemet. (Johansen, 2014) For at vide hvordan batterierne reagerer under brug er der ved Siemens lavet forsøg med batterierne. Her er spændingen nedskrevet, imens man aflader batterierne. Dette er meget vigtigt, da der ønskes en konstant spænding fra batterierne. Det vil dog ikke kunne lade sig gøre, da batterierne vil levere en høj spænding ved % opladning, en jævn spænding ved % og en dalende spænding ved 15-0 %. (Corvus Energy, 2013) (Siemens, 2013) En anden vigtig ting at undersøge, før der indkøbes batterier, er depth of discharge (DoD). Dette er et udtryk for, hvor meget man udnytter af den samlede kapacitet. Ønskes eksempelvis et DOD på 100 %, lades batterierne helt, hvorefter de aflades helt. Men ønskes der kun en DoD på 20 % aflades batterierne kun til 80 %. Det er også muligt at opnå en DoD på 20 % ved eksempelvis 60-40%, da dette 1100 V 1050 V 1000 V 950 V 900 V 850 V 800 V Pack spænding Figur 32: Diagram over pack spændingen alt efter opladningen (Siemens, 2013) Side 29 af 44

33 vil give en mere stabil spænding. En høj DoD vil resultere i en kortere levetid på batterierne, og derved færre cyklusser, men en højere kapacitet. En lav DoD vil resultere i en betydelig forlængelse af batteriernes levetid. Der bliver på Rødby-Puttgarden brugt en DoD på 30%, hvilket betyder at de ud af en batterikapacitet på 2593,5 kw/h kun kan bruge 778,05kW/h. Dog gør den lave DOD, at de har over cyklusser til rådighed, hvilket med 8500 cyklusser årligt giver en levetid på 11,7 år. Op- og afladningen sker som oftest mellem % for at opretholde spænding og høj levetid. (Corvus Energy, 2013) (Siemens, 2013) (Johansen, 2014) Det er vigtigt, at temperaturen holdes konstant omkring batterierne, da en stigning i temperatur kan sænke levetiden. Den anbefalede temperatur er 0-40 o C ved en lav luftfugtighed. På grund af dette er der på Rødby- Puttgarden færgen blevet installeret et kølerum, hvori batterierne kan stå. Her er temperaturen omkring 20, hvilket er væsentligt lavere end normal maskinrumstemperatur. (Corvus Energy, 2013) (Johansen, 2014) Selve ydelsen fra batterierne er meget afhængig af, hvor meget man vil tillade batteriet at lade og aflade. Man måler ydelsen i en C-skala. C1 svarer til at de 2593,5kW/h yder 2593,5kW i en time. C2 vil være 5187kW i en halv time, og C0,5 1296,75kW i to timer. Batterierne vil kunne aflade C5 og lade C2 i et minut, men mere anbefales ikke, da det vil gå ud over levetiden. Det kan dog lade sig gøre at køre med høj afladning, hvis man kan køle batterierne nok. Generelt anbefales det, at man kører batterierne som C1 drift, men Rødby- Puttgarden færgen har valgt at køre C0,7 drift, da dette vil forlænge levetiden yderligere. Der findes ingen data på, hvor stor indflydelse C-værdien vil have på levetiden, ud over at den vil blive bedre ved at sænke den. (Corvus Energy, 2013) (Johansen, 2014) Der findes umiddelbart ingen fare ved batterierne, hverken brand- eller eksplosionsfare. Begynder temperaturen i batteriet at stige uden varsel, vil batteripacken koble fra ved 80 o C. Fortsætter temperaturen med at stige, vil det være nødvendig at få batteriet væk, da der er begyndt en nedsmeltning af batteriet. Dette vil være forårsaget af en fejl i batteriet, og point of no return vil være ved 100 o C. Nedsmeltningen foregår stille og roligt over et par dage, men man skal dog være varsom med varmeudvikling. (Corvus Energy, 2013) (Johansen, 2014) Delkonklusion Det ses, at der er udviklet modeller med kapacitet op til 2593kW/h. Der er dog nogle ting, man skal tage højde for, og specielt DoD vil spille en stor rolle ved valg af størrelse på akkumulatoren. Der vil umiddelbart ikke være nogen udfordringer ved at installere batteripack som akkumulator. Side 30 af 44

34 DoD (Depth of discharge) For senere at kunne bruge forholdet mellem DoD og antal cyklusser skal der interpoleres mellem de oplysninger, der er givet i databladene. Der er her dog en stor usikkerhed indlagt, da der kun er opgivet tre værdier, og der er en stor variation mellem disse. Oplysningerne er også kun givet ved cyklussen gældende for Rødby-Puttgarden færgen (45 min aflade / 15 min lade), men det giver dog stadig et billede af antal cyklusser, man har til rådighed ved specifik DOD. Dataene er som følger: DoD Cyklusser 100 % % % Disse tal bliver nu indsat og ved hjælp af programmet Graph indsat i et koordinatsystem, og tre grafer er derefter indsat oven i punkterne: Figur 33: graf over test funktioner Her ses at den røde graf (en ekspotentialligning) vil ligge oven i alle tre punkter. Den har også en 2 R 0,9998 hvilket er den mest præcise. Grafen bliver beskrevet som fx E x og vil fremover i projektet blive brugt til at udregne cyklusser i forhold til DOD. Når der er tale om antal cyklusser, vil der være tale om en garanti på at 80 % af batterierne stadig fungerer. Levetiden på nogle af batterierne vil være meget højere, eksempelvis med en DoD på 30 % vil 80 % af batterierne stadig køre optimalt efter cyklusser. Side 31 af 44

35 Økonomi Det er vigtigt at vide, hvor stor en besparelse man vil kunne få ved de forskellige metoder, og hvor stort forbruget er nu. Man vil ud fra dette bagefter kunne veje det op i mod eventuelle drift- og vedligeholdelsesfordele. Alle udregninger vil være at finde i bilag 6. Metode 0 (gør intet) Hvis man ikke gør noget, vil forbruget være det samme som altid. Middelforbrug på kan aflæses i bilag 2 til 91,05 kg/h. Det daglige forbrug er fundet ved at aflæse effekten dagligt og udregne g/kw ved hjælp af tidligere funden formel. De 91,05kg/h er derefter et gennemsnit af de daglige udregninger. Prisen på en liter MDO er fra Esvagt oplyst til 4,8kr/l, og ved bunkring blev en densitet på MDO oplyst til at være 0,854. Dette betyder, at et kg MDO koster 5,62kr. (Bilag 14 og 17) En dieselgenerator vil derved have en omkostning på diesel på 511,70kr/h, eller et forbrug for kr/årligt. Metode 1 Ved tidligere forsøg blev det påvist, at omdrejningerne vil kunne sænkes med 18,7 %, og at man derved ville opnå en besparelse på 18,7 %. Dette vil betyde, at omkostningerne nu vil være kr/årligt, altså en besparelse årligt på kr. Ved indhentning af priser hos Danfoss er en pris på kr. oplyst for en 1MW frekvensomformer. Se bilag 7 for flere data. Et estimat for installationen og programmering vil være ca kr., hvilket giver en total pris på kr. Virkningsgraden på frekvensomformeren er 0,98, dette giver et egetforbrug på 8,2kW ved snitforbruget på 404kW. Ved en forbrænding på 221 g/kw -18,7 % vil en kwh koste 1,01kr, hvilket betyder en ekstra udgift på kr. Nu er den totale årlige besparelse kr. Hvis man laver en direkte tilbagebetaling, vil det give en tilbagebetalingstid på 1,88(1 år og 11 mdr.) Estimatet for programmering og installation kan her være forkert, men selv ved en pris på kr. vil tilbagebetalingstiden stadig være acceptabel (2,18år). Desuden er prisen på frekvensomformeren uden rabatter fra grossisten, så tilbagebetalingstiden kan med sikkerhed antages at være 1,8-2 år. Metode 2 For at finde tilbagebetalingen på installation af batteriakkumulatoren kræver det en lidt længere udregning. Priserne vil alle være baseret på det anlæg, der er installeret på Rødby-Puttgarden færgen. For at tage udgangspunkt i at akkumulatoren skal kunne yde samme effekt som en generator, vil man skulle have en samlet størrelse på 1.020kWh ved en c-værdi på 1. Dette betyder, at man skal have 147 batterier fordelt på 7 batteripacks, med en samlet effekt på 955,5 kwh. Side 32 af 44

36 En total pris for pack-controller, kabler og batterier kan der bruges 1.168$ pr kwh, som ved en dollarpris på 5,75 ( , valutakurser.dk) giver 6.716kr/kWh. Dette betyder, at totalprisen for batterierne inklusiv kabler og batteripack vil være kr. (Corvus Energy, 2013) Prisen for en konverter vil være den samme som prisen for frekvensomformerne til metode 1. Dette antages da en konverter, som skal kunne lade, indeholder samme komponenter som en frekvensomformer. Der bruges altså kr. som pris for konverteren. For at kunne udnytte dieselgeneratorerne optimalt, skal der lades ved en motorbelastning på 86,8 %, hvilket betyder at der er 885,7kW minus gennemsnitsforbruget til at lade med. Dette giver 482,7kW ladeeffekt, og ved en DOD på 0,3, en ladetid på 35min. Afladningen vil ske med 403 kw, som er det gennemsnitlige forbrug. Dette vil med en DoD på 0,3 foregå ved over 42min. En cyklus vil derved tage 1 time og 17 min, og der vil årligt være cyklusser. Hvilket med en levetid på cyklusser gerne skulle give en garanti på 14,6 år. Det kan dog være batterierne holder længere, da man kun har en c-værdi på 0,5 og 0,42 på henholdsvis lade og afladning. Egetforbruget for konverteren vil igen være udregnet ud fra, hvad den foretager sig. Da total virkningsgraden for hele konverteren inklusiv ensretter er 0,98, regnes der her med 0,99 på hver del. Dette betyder, at egetforbruget er 2,83kWh ved en ladning og 2,9 kwh ved en afladning. Også batterierne vil pr. opladning have et egetforbrug. Virkningsgraden er for batterierne 0,97, hvilket giver et egetforbrug på 8,9kWh pr opladning. Batterierne og konverterne vil have en samlet effekt på 11,4kW. En kwh er billigere nu, end da dieselgeneratoren kørte ved lav belastning, og vil nu koste 1,10kr (før ca. 1,24kr). Dette giver en årlig ekstra udgift ved egetforbruget på kr. Da man ved at vælge metode 2 sparer driftstimer, vil det være relevant at vide hvor meget en drifttime koster. Det er efter snak med maskinchefen ombord på Esvagt Stavanger blevet oplyst, at de eneste udgifter der er udover fuel vil være smøreolie og reservedele. Under bilag 8 ses et overblik over smøreolieforbruget i samt nedskrivning af timetælleren. Et gennemsnitforbrug af smøreolie ligger på 0,32L olie pr. motortime. Der er fra Esvagt s side oplyst en pris på kr. for L smøreolie, hvilket giver en literpris på 14,91kr/L. Dette betyder, at en motortime koster 4,77 kr/h i smøreolie. (bilag 15) Reservedelspriserne kan opgøres i reservedelspakker for et vist antal timer. Eksempelvis koster et timers overhaling euro. Dette er priser oplyst af MAK fra et projekt, der skulle overdimensioneres, og Allan Hjortshøj anslog at prisen var 30% for høj. Eurokursen er sat til 7,45 ( , valutaurser.dk), hvilket giver et reelt bud på en timers reservedelspakke på kr. Herefter kan der findes en timepris på 10,71kr pr motortime for timers overhaul. Resten af priserne kan ses i bilag 9 og giver en samlet pris pr. motortime på 37,07kr pr motortime. Inklusiv smøreolie vil prisen være 41,84 kr. pr. motortime. Bilag (9,13) For at finde antallet af sparede timer vil man skulle finde forholdet mellem lade- og cyklustiden. Dette er 0,45 og vil betyde, at motoren kører 45 % færre timer end før. Med et konstant årligt timetal på 8760 timer, vil det nye timeforbrug blive 3.942timer årligt med en besparelse timer årligt. Dette giver en årlig besparelse på kr. Side 33 af 44

37 Besparelsen i brændstof vil nu nemt kunne findes ved at finde forbruget på generatoren nu. Dette gøres ved at indsætte 885,7kW formlen fra tidlige afsnit om brændstofforbruget. Her kan nu aflæses et forbrug på g/kW. Hvilket med 3.942timer årligt ved en belastning på 885,7kW giver kr. Dette giver en besparelse i brændstof på kr. Som produkt af at spare timer vil man også spare arbejdstimer. Der er ud fra samtale med maskinchefen ombord på Esvagt Stavanger fundet en ca. tid for hver timebaseret overhaling. Disse er baseret på beskrivelse af opgaven og 15 års erfaring til søs. I bilag 9 ses mandetimerne der skal til ved hvert timebaseret overhaul. (bilag 9, 18-1, 18-2, 18-3) Et 150 timers overhaling består eksempelvis af kontrol af om udstødningsventilerne kan rotere, hvilket tager 0,5 time. Dette giver 0,0033 mandetime pr driftstime. Alt i alt vil man få en total mandetimebesparelse på 0,0385 pr motortime. Med udgangspunkt i de sparede driftstimer årligt vil man altså stå med 185 besparede mandetimer eller 5 uger årligt (37timer pr uge). Alt efter hvad man mener en arbejdstime koster, vil den koste mellem kr (200 og 500 kr. i timen). Det kommer også meget an på, om det er folk man hyrer ind til at lave overhaling i dok, eller om man selv laver arbejdet på skibet. Der antages her, at det vil koste , da det meste af arbejdet er dokarbejde, hvor personalet ombord også er med til arbejdet. Installationen af projektet vil være en omkostning, som vil være meget afhængig af, hvor meget man selv ønsker at lave ombord, og hvor stor en del man mener skal laves af folk udefra. Selve rummet til 399 batterier kostede ombord på Rødby-Puttgarden færgen ca kr. Hvis man ønsker en pris på et rum til 147 batterier vil lidt forholdsregning resultere i, at rummet koster kr. Rummet består hovedsageligt af et simpelt kølesystem og et hyldesystem, hvori batterierne kan stå. Ombord på Esvagt Stavanger vil det være muligt at bruge et rum, der allerede er ventileret, så prisen her er formentlig en smule høj. Hvis man i stedet får hyldesystemet lavet på land og sendt ud, vil prisen dog være en helt anden. Der regnes her med kr. for rummet. (bilag16-2) Det resterende, der skal installeres, vil være opsætning og programmering af konverter, programmering af power management systemet, samt tilslutning af eventuel ny maksimal afbryder. Igen er dette meget afhængigt af, hvor meget man selv ønsker at lave, men et estimat er 20 % af batteriprisen, tilsvarende kr. Figur 34: Rack til 6 batterier (Corvus Energy, 2013) For at skabe overblik over priserne kommer her et kort budget: Investering Batterier : 955,5kWh á kr = kr Konverter : 1 stk. á kr = kr Rum : 147/399 á kr = kr Installation : 20 % á kr = kr kr Side 34 af 44

38 Årlig stigning i udgifter Egetforbrug kwh á kr.1,1 kr Årlig gevinst Brændstof : L á kr. 5,62 = kr Motortimer : 4818 h á kr. 41,84 = kr Løn : 185 h á kr. 200 = kr kr Årlig besparelse kr Tilbagebetaling 12,16 år Man vil altså stå med en årlig besparelse på kr., hvilket giver en direkte tilbagebetalingstid på 12,16 år. Mulighed 2 (2.0) Hvis man har mulighed for at udnytte allerede eksisterende installationer, vil man kunne opnå en kortere tilbagebetalingstid. Dette kan gøres ved at koble batterierne til frekvensomformeren på Azimuthen. Herved vil batterierne kunne bruge allerede installerede kabler og inverter til at levere den akkumulerede energi. Hos NES (Norwegian Electric System) har man brugt denne løsning og derved minimeret egetforbruget og tabene i systemet. En skitse over systemet i metode 2 og ny metode ser således ud: Figur 36: Installationsprincip til metode 2 (NES, 2014) Figur 35: Installationsprincip ved metode 2 (2,0) (NES, 2014) Side 35 af 44

39 Ved at koble ind på DC-delen af frekvensomformerne vil man kunne udnytte frekvensomformerens ensretter og inverter til at oplade og levere energi til azimuthen. Man vil dog ikke kunne levere strøm til skibets hoteldrift, når generatoren slukkes, og vil derfor blive nødt til at installere en inverter til at levere de 200 kw til hoteldriften. Egetforbruget vil falde drastisk, men man vil også opnå en mere effektiv udnyttelse af den effekt, der skal videreleveres til azimuthen. Det årlige forbrug er 404kW i gennemsnit og hoteldriften er ca. 200 kw i gennemsnit. Dette betyder, at azimuthen i snit bruger 204kW til fremdrivning. Der vil altså kunne spares det tab, som normalt vil være ved frekvensomformeren, og med en virkningsgrad på 98 % vil dette give kWh årligt. Ved en dårlig forbrænding vil en kwh koste ca. 1,24kr, hvilket giver et sparet egetforbrug på kr. årligt. Der vil formentlig også kunne spares på installationen, og det antages, at installationsprisen vil falde til 10% i stedet for de førnævnte 20 %. Da der ikke længere skal installeres maksimal afbryder, køling, eller konverter antages dette at være et realistisk bud. Dette gør, at installationsprisen falder til kr. Konverteren vil man nu kun skulle have inverterdel til at levere 200kW til hoteldriften, og man sparer derved ensretter og 800kW inverter. Det antages derfor, at prisen på en inverter vil være ¼ af før kr. Det vil sige kr. Driftstimer, batteristørrelse og batterirum forholder sig stadig på samme måde. Dog vil man nu spare på installationen. Et regnskab vil nu se således ud: Investering Batterier : 955,5kWh á kr = kr Inverter : 1 stk. á kr = kr Rum : 147/399 á kr = kr Installation : 10 % á kr = kr Årlig stigning i udgifter kr Egetforbrug kwh á 1,1 kr. pr. kwh kr Årlig gevinst Brændstof : L á kr. 5,62 = kr Motortimer : 4818 h á kr. 41,84 = kr Løn : 185 h á kr. 200 = kr Egetforbrug : kwh á kr. 1,24 kr kr Årlig besparelse kr Tilbagebetaling 9,51 år Tilbagebetalingstiden vil nu være 2,5 år kortere end metode 2. Prisen er hentet i større årlig gevinst og lavere investering. Side 36 af 44

40 Regneark For bedre at kunne skabe et overblik over tilbagebetalingstiden på anlægget i metode 2 er der til formålet blevet udarbejdet et regneark. Dette er vedlagt rapporten på cd-rom sammen med bilagene, og et udprint kan ses i bilag 10. Regnearket har til formål at finde den optimale størrelse og indstilling for akkumulatoren. Der er her gjort følgende overslag for at kunne udregne tilbagebetalingen: Inverter koster 1.200kr. pr. 1 kw (1MW koster kr.) Rummet koster 626,57 kr. pr. batteri ( kr. for 399) Generatorforbruget udregnes efter fx= *x^ *x Antal cyklusser er udregnet ud fra fx= e+10*x^ De mange variabler vil nu kunne justeres i regnearket (gule felter), og den mindste tilbagebetalingstid vil kunne findes ud fra DoD, Antal Batterier og Dieselgeneratorens ladeeffekt. Da regnearket ikke kan optimeres til generatorens optimale drift (86 %) og heller ikke afrunder tiderne, vil tilbagebetalingen her være 14,4 år. Der er i regnearket indbygget en advarsel, hvis C-værdierne begynder at overstige lade/aflade niveauet ombord på Rødby-Puttgarden færgen. Ved 0,7 vil den begynde at blive lyserød og ved værdien 1 vil den være meget rød, da fabrikantens grænseværdi er nået. Der er også indbygget en advarsel, hvis garantien på batterierne vil være mindre end tilbagebetalingstiden. Inden det optimale niveau findes, forklares nu hvad de forskellige parametre påvirker. Parametrene ændres ud fra udgangspunktet med 7 batteri packs, DoD 30 %, installation 20 %, Ladeeffekt 85 %, og med priser som i forrige kapitel. Antal batterier Ved at justere Antal Batterier vil det ændre på kapaciteten, men også på den samlede investering. Ændring af kapaciteten vil resultere i, at batterier vil skulle yde mere, da færre batterier skal trække læsset. Dette vil kunne ses på C-værdien, som stiger ved færre batterier: Antal packs [Stk.] C-værdi lade 0,48 0,57 0,68 0,85 1,13 1,7 3,39 C-værdi aflade 0,42 0,49 0,59 0,74 0,99 1,48 2,96 Ladetid [min] Afladetid [min] Garanti udløber [år] Der vil ved en DoD på 30% være en garanti på cyklusser, som vil være færre og færre år, jo færre batterier der vil være. Dette skyldes, at der vil være flere og flere cyklusser årligt. Det kan dog med en DoD på 30 % ikke anbefales at have færre batterier end 5, da man derved vil overskride en C-værdi 0,7, som er udgangspunktet for de cyklusser. Det ses her også, at cyklussen er ca. en time, hvilket er samme cyklus som hos Rødby-Puttgarden færgen. Side 37 af 44

41 Antal Packs Batterier [kr.] Konverter[kr.] Installation [kr.] Rum [kr.] I alt [kr.] Tilbagebetalingstid [år] 14,41 13,35 10,29 8,23 6,18 4,12 2,06 I takt med at investeringen falder med antallet af batterier, vil tilbagebetalingen også falde. Da man ikke ændrer ved måden batterierne virker på, vil besparelsen være den samme. Installations % af batteripris Ved at ændre denne justeres installationsprisen. Man vil kunne se effekten af denne på tilbagebetalingstiden, men det har dog ikke den store indflydelse: Installations % af batteripris 5 % 10 % 15 % 20 % 25 % 30 % 35 % Tilbagebetalingstid [År] 12,86 13,38 13,89 14,41 14,93 15,45 16,48 Installation [Kr.] Depth of discharge Som sagt tidligere vil der ved en mindre DoD være flere antal cyklusser til rådighed. Det ses tydeligt, at antallet af cyklusser stiger drastisk ved blot at sænke DoD med 5 procentpoint. Det vil dog i sidste ende have stor betydning på, hvor lang tid cyklussen vil vare, men også på hvor lang tid der vil gå, før garantien udløber. Depth of Discharge 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% Effekt til rådighed [kwh) 47,775 95,55 143, ,1 238, ,65 334,425 Cyklusser [cyklusser] Garanti udløber [År] Ladetid [min] Afladetid [min] I dette tilfælde vil DoD ikke kunne hæves yderligere, da garantien på de 11 år er lavere end de 14,4 år tilbagebetalingstiden vil være. Ladeeffekt Ved at ændre ladeeffekten på dieselgeneratoren vælger man, hvilken effekt man ønsker generatoren skal levere, når den kører. Dette har stor indflydelse på antallet af sparede motortimer, men også stor indflydelse på virkningsgraden på dieselgeneratoren: Depth of Discharge 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% 100% Total effekt [W] Lade effekt [W] Ny forbrug [g/kwh] 202,39 200,34 198,82 197,83 197,37 197,44 198,04 199,17 Garanti udløber [år] Lade tid [min] Side 38 af 44

42 C-værdi lade 0,27 0,32 0,38 0,43 0,48 0,54 0,59 0,64 %-besparelse [%] 8,9 9,82 10,51 10,95 11,16 11,13 10,86 10,35 Nyt timetal [h] Årligt sparede mandetimer [h] Tilbagebetalingstid [år] 18,88 16,91 15,65 14,85 14,41 14,26 14,37 14,77 Som det ses her bliver besparelsen større og større op til en belastning på 85 %. Dette passer med tidligere beregninger, der viser at dieselmotoren er mest effektiv omkring 86 %. Det ses også, at jo højere ladeeffekt, jo mere vil man kunne lade på batterierne, hvilket kan ses på C-værdien og den kortere lade tid. Dog går dette ud over garantien, som vil falde. Det positive er dog, at c-værdien aldrig kommer over de 0,7. Det interessante er her, at den korteste tilbagebetalingstid ikke er ved de 85 % belastning, men ved 90 % belastning. Dette skyldes, at brændstofbesparelsen falder utrolig lidt mellem 85 % og 90 %. Dog bliver besparelsen i mandetimer og motortimer ved med at stige, hvilket resulterer i et større rådighedsbeløb, og derved en lavere tilbagebetalingstid. Optimalt For at kunne optimere anlægget og minimere tilbagebetalingstiden kan der nu ud fra forrige analyse justeres på parametrene. Ladeeffekten indstilles først på 90 %, da dette har vist sig at give den største besparelse. Derefter justeres antal batterier, så c-værdien bliver omkring de 0,7. Der vælges 5 batteripacks, hvilket giver en c-værdi lade på 0,75, og en c-værdi aflade på 0,59. Cyklustiden vil nu være 54 min., hvilket også er tilsvarende den tid på en time, de har ombord på Rødby-Puttgarden færgen. Ved nuværende indstilling vil tilbagebetalingen være 10,18 år og garantien udløber efter 10,9 år. DoD er indstillet til 0,3, men ved at nedjustere den til 0,25 fås en garanti på 19,6 år. Cyklussen falder nu til 45 min. med en lade tid på 20 min. Den lavest accepterede tilbagebetalingstid er altså 10,18 år. Budget kan ses i bilag 11. Best case Hvis tilbagebetalingstiden skal yderligere ned, skal man begynde at justere på priserne til egen fordel. Følgende ændres nu i priserne: Brændstofpriserne stiger med 20 % (5,62kr/kg 6,74kr/kg) Mandetimer koster det dobbelte (200kr/timen 400kr/timen) Vedligeholdelsestimerne opjusteres med 20 % (0,0385 time/time 0,0462 time/time) Motortimepris opjusteres med 30 % pga. tidligere nedjustering (41,8 54,34) Installationsprisen nedjusteres (20 % 10 %) Tilbagebetalingstiden bliver nu 8,05 år, hvilket må siges at være den allerkorteste tilbagebetalingstid, der vil kunne accepteres. Delkonklusion Det vil ikke kunne lade sig gøre at nedjustere tilbagebetalingstiden så den kommer inden for en acceptabel ramme. Efter samtale med både André Shubert og Carsten Johansen forstås det, at tilbagebetalingstiden som minimum skal under 5-4 år, før den accepteres af rederiet. Side 39 af 44

43 Konklusion Det ses at man ved hjælp af de to metoder beskrevet i denne rapport, kan afhjælpe problemet med lavt belastede dieselgeneratorer ombord på Esvagt Stavanger. For nemmere at kunne få et overblik over metode 0-2 er her en oversigt over for og imod: Metode 0 Metode 1 Metode 2 For Ingen kvaler Statoil Spar brændstof Spar brændstof betaler Øget konkurrenceevne Spar driftstimer Ingen power Øget konkurrenceevne management Mindre vedligehold Kort tilbagebetalingstid Buffer ved DP (2 år) Projekt afprøvet Imod Mindske Projektet ikke afprøvet Power-management konkurrenceevne Indkøb af kølerum Minus innovation /Pladsmangel Lang tilbagebetalingstid(8-14 år) Vælger man intet at gøre, og derved leve videre med mentaliteten: Ingen kvaler Statoil betaler, vil man formentlig fortsætte i samme stil som man gør nu. Dette er ikke en dårlig tilgang, men man opfordre dog til en distancering til en af de største problemer i dag. Nemlig Co2-udledningen, miljø og No x -udledning. Det vil i stedet for at vende det blinde øje til, klart være en fordel at vælge innovation, og derved være en forløber for andre. Man undgår derved at de andre overhaler en indenom, med mere effektive skibe. Det vil også være med til at skabe en holdningsændring ombord på Esvagts skibe, og forhåbentlig opfordre til mere energieffektivisering. Det er ved besøg på Rødby-Puttgarden færgen set hvad innovation kan gøre ved et forbrug, og der kan klart ske forbedringer i Esvagt. Fokus skal som det er nu, stadig være sikkerhed, da det er det man sælger. Dog bør man ikke glemme sin grønne profil. Metode 1 har vist sig at være en særdeles favorabel løsning til at optimerer dieselgeneratorerne. Med en tilbagebetalingstid på 2 år, vil dette klart være at anbefale. Der vil ikke skulle laves ændringer i det eksisterende elinstallation, da man blot skal lave tilføjelser til selve dieselgeneratoren. Der er bevist at man vil kunne hente store besparelser på brændstof, og derved også på Co2-udledningen. Dette vil være med til at øge konkurrence evnen og skabe en bedre grøn profil. Projektet vil være at foretrække, da man vil kunne bruge sin viden på andre skibe og derved få endnu mere ud af de investerede penge. Med en flåde på snart 40 skibe, vil der være flere steder man har lavt belastede generatorer. Dog vides det ikke om den lave udstødstemperatur vil kunne forsage tilsodning af dieselmotoren, og på længere sigt skabe flere udgifter end gevinster. Det anbefales derfor at man laver et sammenspil med eventuelt NES og Pon Power, for derved at få det bedste udbytte. Det skal dog stadig gøres klart at denne rapport ikke har lavet fuldskala forsøg, og det vides derfor ikke om metode 1 fungerer i virkeligheden. Metode 2 har flere fordele end metode 1. Man vil her kunne spare både brændstof og timer, og samtidig kunne forbedre sin grønne profil. Man vil ved DP-sejlads kunne optimere sine dieselgeneratorer og også opnå en ekstra sikkerhed i form af disponibel energi. Ved et eventuelt udfald vil man straks kunne koble over på batterierne og sejle væk, eller sørge for nødvendig energi til betydningsfuld udstyr. Man vil også kunne bruge batteripack i eventuel nødsituation, og derved kunne holde styrekraft i længere tid. Dog gør alle disse sikkerhedsmæssige plusser ikke op for den meget lange tilbagebetalings tid der vil være ved dette anlæg. Side 40 af 44

44 Her er det specielt den høje kwh-pris på batterierne med til at skabe den høje tilbagebetalingstid, men også ekstra indkøb som kølerum og powermanagement gør en stor forskel. Havde brændstofbesparelsen været større, eller brændstofpriserne været højere, ville man også kunne have opnået en kortere tilbagebetaling. Alt i alt anbefales det ikke på nuværende tidspunkt at investere i batteripack til Esvagt Stavanger da tilbagebetalingstiden skal være under 5 år. Der er i metode 2.0 vist et alternativ til den traditionelle installationsmetode. Det har her vist sig at man vil kunne skære 2 år af tilbagebetalingstiden. Det vil, hvis man i fremtiden vælger at installere batterier som akkumulator, være en stor fordel at bruge denne metode. Perspektivering Der blev under forløbet observeret en sløset holdning til brændstofforbruget. Det kan være en ide til kommende energioptimeringer at gøre besætningen opmærksom det daglige brændstofforbrug. Specielt styrmændene vil kunne have stor gavn af disse oplysninger. Man kan forestille sig en konkurrence styrmændene i mellem, om at kunne opnå det mindste fuel forbruge på hver sin vagt. Det vil dog kræve at man installere flowmålere ombord, men dette må antages at være en relativ billig løsning. Man vil herudover vide hvem som har den mest effektive sejlads, og lære af hinanden. Det blev ombord Rødby-Puttgarden observeret hvad en holdningsændring kunne gøre ved brændstofforbruget. Dette resulterede i en besparelse på % bed blot at ændre deres sejladsmønster. Det blev i analyse af skibsprofilen opdaget flere problemer med power management systemet: Under niveau 2 drift, hvilket er den tredje mest forekommende drift, vil det være smartere at ændre på hvornår azimuthen går i load limit. Hvis man skulle se på hvornår den skulle gøre det i forhold til belastningen af generatoren, kunne den lige så godt vente til generatoren var belastede med 90%-95%. Her ville den så gå i load limit hvis de sidste 100kW blev brugt. Dette vil give styrmanden 100kW mere fremdrivning, og der er alligevel ikke forbrugere ved niveau 2 drift som bruger 200kW. Det er derfor spild at gå op i niveau 3 drift uden at udnytte generatorens fulde udbytte. En dieselgenerator er på 1020kW, den samlede effekt af hoteldriften (200kW) og Azimuthen (850kW) er på 1050kW, hvilket indvirker at man ikke burde gå i niveau 3 drift med mindre man skal have en sternthruster ind. En fuldt belastet generator er mere effektiv end en generator der er belastet halvt, som i mange tilfælde vil være i niveau 3 drift. Man kan også se at alle målingerne ved niveau 3 drift ligger på ca. 800 kw hvilket er grænsen for load limit. Man kører altså med to generatorer med et forbrug på 40 %, frem for en med 80 %. Det ses at der under sejlads og niveau 4 drift stadig køres med dieselgenerator for at holde varme på skibet. Dette er endnu engang et eksempel på meget ineffektivt brug af en diesel generator. Når man i forvejen kører med hovedmotoren kan man lige så godt forsøge at gøre dem mere effektive ved at indkoble akselgeneratorerne, og helt slukke dieselgeneratorerne. Det foreslås derfor at man i fremtiden undersøger mulighederne for at køre HT-vand ud fra hovedmotorerne, og bruger denne til opvarmning af skibet under sejlads og niveau 4 drift. Dette vil man også kunne nyde godt af det under DP-sejlads, da man her vil kunne tildele Azimuthen til en aksel generator, som har mere end rigelig effekt til dække azimuth forbruget. Det er her under DP-drift at dieselgeneratoren er på sit absolutte minimum og belastes med under 1 %. Dette må siges at være yders ineffektivt, dog er DP-sejlads kun i kortere tid af gangen. Side 41 af 44

45 Bibliografi Andersen, T. B., Noget om dieselmotorer. In: Undervisningsmateriale til maskinmesteruddannelsen. Aarhus: Århus Maskinmesterskole, p Brunvoll, Azimuth Retractable Thruster. [Online] Available at: 2,2 [Accessed ]. Corvus Energy, Maintenance manual Corvus, Richmond: Corvus. Esvagt, Datablad Esvagt Stavanger. s.l.:s.n. Esvagt, NEW ESVAGT VESSELS. [Online] Available at: [Accessed ]. Esvagt, About Esvagt. [Online] Available at: [Accessed ]. Esvagt, ESVAGT CONTENDER. [Online] Available at: [Accessed ]. Esvagt, ESVAGT FRB 15C. [Online] Available at: [Accessed ]. Esvagt, ESVAGT PROMOTER. [Online] Available at: [Accessed ]. Goodstein, J., Fremtidens færger skal være batteridrevne. Maskinmesteren, Issue 8, pp Johansen, C., Senior Chief Engineer [Interview] ( ). Knudsen, S. W., Nofo s knudsen. [Online] Available at: [Accessed ]. Larsen, O. F., Info om Esvagt Stavanger [Interview] ( ). Lyngsø, Power Management Single Line. 11: 04. Side 42 af 44

46 Maritime Partner, MP 1111 FRDC TWJ. [Online] Available at: [Accessed ]. NES, THE QUEST. [Online] Available at: [Accessed ]. Petersen, P. E., Elektroteknik 1. In: Elektricitet og Magnetisme. København: Bogfondens Forlag A/S, pp Scanlines, CSR Erhvervsmagasinet. [Online] Available at: [Accessed ]. Shubert, A. W., Senior Chief Engineer [Interview] ( ). Siemens, Siemens Scandlines Ferry proposa, s.l.: Siemens. Siemens, n.d. BlueDrive PlusC. [Online] Available at: [Accessed 27 Oktober 2014]. Strate, K., Global Account Manager [Interview] ( ). Side 43 af 44

47 Figurliste Figur 1: Esvagt Promoter. Et gammelt skib fra 1965 der i dag sejler i dansk sektor. Ombygget i (Esvagt, 2014)... 6 Figur 2: FRB 15C. Redningsbåd til 15 personer der kan sejle op til 30 knob, samt sødygtig i næsten alt slags vejr. (Esvagt, 2014)... 6 Figur 3: Esvagt Contender afprøver deres FiFi beredskab (Esvagt, 2014)... 6 Figur 4: Esvagt Stavanger (Egne fotos, 2014)... 7 Figur 5: Brunvoll retracteble azimuth (Brunvoll, 2014)... 7 Figur 6: Princip bag NOFO-linse og skimmer. (Knudsen, 2010)... 7 Figur 7: DC-garage til daughter craft (Egne fotos, 2014)... 8 Figur 8: Esvagt Daughter craft (Maritime Partner, 2014)... 8 Figur 9: Esvagt Stavangers syv thruster (Esvagt, 2012)... 8 Figur 11: Principtegning over generatorerne ombord på Esvagt Stavanger (Egen illustration, 2014)... 9 Figur 10: FIFI-kanon ombord Esvagt Stavanger (Egne fotos, 2014)... 9 Figur 12: 690 V skinnen ombord på Esvagt Stavanger (Lyngsø, 2014) Figur 13: 440V-, 230V- og to nødskinne ombord på Esvagt Stavanger (Lyngsø, 2014) Figur 14: Dynamisk kurve over niveau 1 drift (Lyngsø, 2014) Figur 15: 690V-skinnen ved niveau 1 drift (Lyngsø, 2014) Figur 16: Niveau 3 belastning af generator 1 (Lyngsø, 2014) Figur 17: 690V-skinnen ved niveau 3 drift (Lyngsø, 2014) Figur 18: omkobling fra niveau 3 til 4 (Lyngsø, 2014) Figur 19: 690V-skinnen ved niveau 4 drift, med indkoblede thrusterer og separeret tavle (Lyngsø, 2014) Figur 20: 690V-skinnen ved DP-sejlads, med indkoblede thrusterer og separerede tavler (Lyngsø, 2014) Figur 21: Graf over brændstofforbrug eget arkiv Figur 22: (Andersen, 2010) Figur 23: (Petersen, 2006) Figur 24:Illustration over forbrug ved oplagring af effekt (egen tegning) Figur 25: Skærmbillede fra simulatoren. Viser data på hovedmotoren. (Egne fotos) Figur 26: Skærm billede af kontrolpanelet til hovedmotoren (egne fotos) Figur 27:Opsætning af forsøg (Egne illustrationer) Figur 28: Forbindelses diagram over forsøg (Egne illustrationer) Figur 29: Prinsesse Benedikte. Kan nu kaldes hybrid færge da den sejler delvis på batterier og brændstof. (Scanlines, 2014) Figur 30: Eksempel på Corvus batterypack med fire batterier og en pack controller (Corvus Energy, 2013).. 29 Figur 31: oversigt billede over hvordan Corvus Array Manager er tilsluttet systemet (Corvus Energy, 2013). 29 Figur 32: Diagram over pack spændingen alt efter opladningen (Siemens, 2013) Figur 33: graf over test funktioner Figur 34: Rack til 6 batterier (Corvus Energy, 2013) Figur 35: Installationsprincip ved metode 2 (2,0) (NES, 2014) Figur 36: Installationsprincip til metode 2 (NES, 2014) Side 44 af 44