Renere skipstrafikk

En rekke av de tekniske komiteene i IEC (TC) og underkomiteer (SC) utvikler internasjonale standarder som bygger opp under utviklingen av ny teknologi for elektrisk fremdrift til vanns.

Ferjen Movitz i Stockholm

Ferjen Movitz i Stockholm

Green City Ferries

Miljøhensyn er en pådriver for elektrifisering

Miljøhensyn er noe mange selskaper innen skipsfart er opptatt av, slik man er innen flere typer industrier. I flere land møter man miljøhensyn med elektrifisering av ulike infrastrukturaspekter innen skipsfart. Et eksempel på dette er høy- og lavspenningsinstallasjoner på land, til skip som ligger til kai, for å redusere utslippene fra dieselgeneratorene om bord.

Landstrømsanlegg har det vært mulig å bygge etter internasjonale standarder siden 2012, gjort mulig av publiseringen av internasjonal standard IEC/ISO/IEEE 80005-1:2012, Utility connections in port – Part 1: High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems – General requirements. Et resultat av arbeid utført i IEC TC 18 –Electrical installations of ships and of mobile and fixed offshore units, i samarbeid med IEC SC 23H – Industrial plugs and socket-outlets, i tillegg til en underkomité av ISO TC 8 – Ships and marine tecnology, ISO/TC 8/SC 3 – Piping and machinery, samt IAS Petroleum and Chemical Industry Committee (PCIC) ved Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

IEC TC 18 har også utviklet en landstrømsspesifikasjon for lavspenningsanlegg, IEC PAS 80005-3:2014. IEC TC 18 er også nær ved å erstatte denne spesifikasjonen med en internasjonal standard. Nå må det tas større grep for å gjøre skipsfart renere og imøtekomme stadig strengere retningslinjer for havner og innlandsvannveier. Dette oppnår man blant annet med global enighet om full elektrifisering.

De kjente ukjente faktorene

Marine dieselmotorer (inkludert diesel-elektrisk) har store ulemper. I tillegg til klimagassene som slippes ut er de svært helseskadelige.

Det europeiske miljøbyrået EEA anslår at 432 000 mennesker i 40 europeiske land døde for tidlig i 2012 på grunn av for høye konsentrasjoner av partikler (PM) i atmosfæren, mens 75 000 døde av langtidseksponering av nitrogenoksid (NOx). Dieselmotorer regnes for å bidra massivt til nivåene av PM og NOx-utslipp, i tillegg til at de produserer CO2. Skipsfarten bidrar til disse dystre statistikkene, selv om det er vanskelig å si nøyaktig hvor stor andel som direkte kommer derfra.

Konkrete eksempler som viser skjulte kostnader ved dieselmotorer brukt i mindre skipsfart innlands er nå tilgjengelig, takket være nøyaktige undersøkelser utført av det Sverige-baserte firmaet Echandia Marine.

De to driftsenhetene på 125 kW under Movitz bruker en magnetelektrisk motor i en vanntett kapsel under vannlinjen. Ekstra girkasse eller ekstra avkjøling er unødvendig, propellen drives direkte fra kapselmotoren. Vedlikehold er redusert til et minimum. Hele drivverket på en 125 kW kapsel veier bare 330 kg.

De to driftsenhetene på 125 kW under Movitz bruker en magnetelektrisk motor i en vanntett kapsel under vannlinjen. Ekstra girkasse eller ekstra avkjøling er unødvendig, propellen drives direkte fra kapselmotoren. Vedlikehold er redusert til et minimum. Hele drivverket på en 125 kW kapsel veier bare 330 kg.

Ifølge dette firmaet, som baserer sine tall på relativkostnadene for diesel og elektrisk fremdrift i flere europeiske land i tillegg til kostnadene på samfunn, gir elektrisk fremdrift store fordeler når grunnlaget er blitt slik at man kan sammenligne de to.

Ett eksempel er Djurgården-ferjen, som inngår i Svensk Kollektivtrafik i Sverige. Hans Thornell, skipsarkitekt og grunnlegger av Green City Ferries, kunne fortelle deltakerne på messen IDTechEx Printed Electronics Europe 2016 at ferjen slipper ut 5 tonn nitrogenoksid (NOx) og 75 kg partikler (PM) per år, som gir en samfunnskostnad på respektive EUR 4 og EUR 1310 per kilo ifølge Transportstyrelsen i Sverige.

Resultatet, sier Thornell, er en samfunnskostnad på ca EUR 120 000 årlig, altså en euro per liter diesel. Svenske skipsfartoperatører betaler ca 40 eurocent per liter diesel.

Kort sagt betyr det at samfunnet subsidierer forurensningen fra skipsfarten.

For å vise teknisk og økonomisk levedyktighet på el-ferjer, har Green City Ferries kjøpt en dieseldrevet ferje på 75 fot, Movitz, med tilskudd fra Energimyndigheten (svensk statsorgan). Fartøyet, som kan frakte 100 passasjerer, fikk installert to elektriske motorer på 125 kW, avanserte batterier og et toppmoderne ladesystem.

Ferjen Movitz i Stockholm

Ferjen Movitz i Stockholm

En energieffektivitet på 85-90 % når ferjen bare bruker elektrisitet, kontra 30-35 % energieffektivitet for dieselmotor, gjør at Echandia Marine mener en elektrifisering vil redusere driftskostnadene drastisk.

Forbruk av drivstoff for en vanlig ferje som går 3000 timer i året er omtrent 95 000 liter diesel, eller ca. 294 MWh om den kun går på elektrisitet. Når man tar med de ulike prisene på diesel og elektrisitet i sju europeiske land, anslår Echandia Marine at besparelsene på driftskostnadene alene (kostnader til diesel og vedlikehold kontra el-kostnader og redusert batterilevetid) er mellom 50 % i Italia (ca. EUR 33 800) og 65 % i Sverige (ca. EUR 45 500).

I tillegg til innsparingene for operatørene, vil også elektriske ferjer gi storsamfunnet mye renere luft.

Teknologiske utfordringer

Fram til nokså nylig var drift av elektrisk drevne båter begrenset av batteriteknologi (tidligere avhengig av blysyrebatterier), tilgjengelig effekt og tiden det tok å lade batteriene. Nå endrer dette seg raskt med nye typer batterier med ny kjemisk sammensetning og avanserte ladesystemer.

Internasjonal standard for sekundærbatterier utvikles av IEC TC 21: Secondary cells and batteries, uavhengig av type eller applikasjon. Avhengig av hvilken batteriteknologi som brukes, dekker vilkårene alle aspekter, som for eksempel sikkerhetsinstallasjoner, yteevne, batterisystem, dimensjoner og merking. Alle elektrokjemiske systemer er tatt med i standarden.

Ferjen Movitz benytter avanserte nikkel-metallhydridbatterier på 180 kWh som gir god kraft umiddelbart og kan lades ekstremt raskt fra en ladestasjon på 300 kW (som skal oppgraderes til 600 kW). Batteriene har et skreddersydd kontrollsystem for batterihåndtering og minimum levetid på 5 – 7 år eller 25 000 laderunder. Ferjen har en driftstid på en time etter ti minutters lading. Man har planer om å innføre elektromagnetisk induksjon, hvor batteriene lades på 2 – 3 minutter mens fartøyet ligger til kai.

Et annet interessant eksempel er Ampere, den første elektrisk drevne bilferjen som gikk i rute i Norge fra mai 2015. Med en kapasitet på inntil 120 biler og 360 passasjerer krysser Ampere et strekk på 6 km vannvei 34 ganger daglig i Sognefjorden, nord for Bergen.

Fartøyets to elektriske motorer på 450 kW blir drevet av litium-ion-batterier med en total ytelse på 1000 kWh og en vekt på 10 tonn.

Batteriene blir ladet 10 minutter med en litium-ion-batteri-lader på 260 kWh installert ved hver kai og som fungerer som en buffer-strømkilde, siden det lokale strømnettet kun er laget for å gi strøm til små tettsteder og er relativt svakt. Bufferbatteriene lades sakte mens fartøyet krysser, fartøyets batterier lades direkte med vannkraft fra det lokale nettet mens ferjen ligger til kai natten gjennom.

En vanlig dieseldrevet ferje vil med samme rute bruke en million liter diesel i året og slippe ut nærmere 2700 tonn CO2 og 40 tonn NOx.

Med sine 80m lengde og 20m bredde, frakter Ampere opptil 120 biler og 360 passasjerer. Skroget er av aluminium som gir skipet omtrent halve vekten av et stålskip.

Med sine 80m lengde og 20m bredde, frakter Ampere opptil 120 biler og 360 passasjerer. Skroget er av aluminium som gir skipet omtrent halve vekten av et stålskip.

Standardiseringsarbeidet i IEC TC 18: Electrical installations of ships and of mobile and fixed offshore units er helt sentralt for videre utvikling av el-drevne skip.

Publikasjoner fra tekniske komiteer og underkomiteer spiller en viktig rolle for flaggskip som Ampere og Movitz, inkludert IEC TC 2: Rotating machinery, som utvikler internasjonale standarder for den typen maskinerier som blir brukt i elektriske motorer.

Ampere har også systemer designet for å optimalisere energiforbruket. Dette inkluderer LED-lys, solcellepaneler og HVAC-systemer som benytter varmegjenvinning.

Internasjonale standarder for LED-lys lages på grunnlag av IEC TC 34: Lamps and related equipment og dennes underkomiteer. Solenergisystemer utvikles av IEC TC 82.

Ytelse og sikkerhetsaspekter ved HVAC-systemer ivaretas av underkomiteen til IEC TC 59: Performance of household and similar electrical appliances, samt IEC TC 61: Safety of household and similar electrical appliances, som danner grunnlag for relevante internasjonale standarder.

Partenes innstilling

Nasjonale og lokale myndigheter vil gjerne anspore transportoperatører på land, til vanns og i luften til å rydde opp etter seg. Offentlige anbud på ferjelinjer i Norge oppfordrer til utslippsfri teknologi der det er mulig.

Framtidens fremdriftsløsninger på skip vil være ulik dagens løsninger, men ser ut til å inkludere en større andel elektrisitet, inkludert hybrid diesel-elektrisk eller kombinert gass og dampturbin med elektrisitet, i tillegg til kun el-drevet.

Norge, med sine mer enn 100 kortdistanse ferjelinjer, vil nok de følgende årene benytte flere fullelektriske eller hybridelektriske fartøy. Denne vurderingen ble i høy grad bekreftet av Remi Eriksen, administrerende direktør i DNV GL som i 2014 estimerte at ”man innen nærskipsfart vil se mye mer bruk av batterier de neste ti årene.”

Denne artikkelen er supplert og basert på en IEC-artikkel skrevet av Morand Fachot, til glede for nye lesere.