Transcript Examensarbete:

¨ lvskytteln
Elektrifiering av A
Improving
landfill
monitoring programs
Examensarbete inom ho
¨gskoleingenjo¨rsprogrammet fo¨r maskin
with the aid of geoelectrical - imaging techniques
SIMON
CARLSENinformation systems
and
geographical
Master’s
Thesis
in the Master Degree Programme, Civil Engineering
ANTON
GUSTAVSSON
KEVIN
HINE
Institutionen f¨or signaler och system
¨
Chalmers
Hogskola
Department
of Tekniska
Civil and Environmental
Engineering
Division
of GeoEngineering
G¨oteborg,
Sverige 2012
Engineering Geology Research Group
Examensarbete
2012
CHALMERS
UNIVERSITY
OF TECHNOLOGY
Göteborg, Sweden 2005
Master’s Thesis 2005:22
¨
Elektrifiering av Alvskytteln
Examensarbete inom h¨
ogskoleingenj¨
orsprogrammet f¨
or maskin
SIMON CARLSEN
ANTON GUSTAVSSON
c
�SIMON
CARLSEN, ANTON GUSTAVSSON, 2012
Examensarbete 2012
Institutionen f¨
or signaler och system
Chalmers Tekniska H¨
ogskola
SE-412 96 G¨
oteborg
Sverige
Telefon: +46 (0)31-772 1000
Sammanfattning
Denna rapport presenterar den marknadsunders¨okning som gjorts f¨or vilka tekniker som
¨
kan anv¨andas f¨
or att elektrifiera Alvskytteln
1 och 2, tv˚
a fartyg som skall k¨ora i skytteltrafik i G¨
oteborg fr˚
an 2013-2014.
Syftet med detta arbete ¨
ar att utreda m¨ojligheten att driva fartygen med el fr˚
an
eln¨atet ist¨
allet f¨
or diesel.
¨
Det finns flera hinder vid elektrifiering av Alvskytteln,
bland annat vilken typ av
energilagring som ¨
ar ekonomisk att anv¨anda d˚
a livsl¨angden hos ackumulatorer fortfarande ¨ar kort f¨
orh˚
allande till dess pris. Rapporten beskriver ¨aven hur kondensatorer kan
anv¨andas f¨
or energilagring.
Rapporten beskriver vilken teknik som finns att ¨overf¨ora str¨om fr˚
an land till fartyg
¨
samt f¨or och nackdelar med dessa. Vad g¨aller energi¨overf¨oring till Alvskytteln
presenteras
ett par koncept som skulle kunna anv¨andas f¨or ¨overf¨oring.
I rapporten analyseras ¨
aven hur k¨orschema p˚
averkar n¨odv¨andig laddningseffekt samt
hur laddning vid varje stopp kan utformas f¨or att ladda fartyget. Utifr˚
an fartygens
¨
k¨orschema har ber¨
akningar gjorts f¨or att dimensionera energilager f¨or Alvskytteln.
¨
Resultatet av denna rapport visar att elektrifiering av Alvskytteln
¨ar fullt m¨ojlig men
att det finns hinder vid elektrifiering samt att viss teknik inte ¨ar mogen.
Abstract
This report presents the market research undertaken for what techniques can be used
¨
to electrify Alvskytteln
1 och 2, two ships to be running a shuttle service in Gothenburg
from 2013-2014.
The purpose of this work is to investigate the possibility of operating the ships with
electricity from the grid instead of diesel.
¨
There are several obstacles to electrification of Alvskytteln,
including the type of
energy storage that is economical to use when the life of the batteries are still short
compared to its price. The report also describes how capacitors can be used for energy
storage.
The report describes techniques to transfer power from shore to ship and the pros and
¨
cons of these. As regards the energy transfer to Alvskytteln
presents a pair of concepts
which could be used for transmission.
The report also analyzes how the route affects the necessary charging effect and how
chargingstations can be designed to transfer electricity to the vessel. Based on the ships
¨
route, calculations have been made for design of energy storage for Alvskytteln.
¨
The result of this report show that the electrification of Alvskytteln
is quite feasible
but that there are barriers to electrification, and that particular technology is not mature.
Fo
¨rord
Examensarbete ¨
ar utf¨
ort vid och i samarbete med Viktoriainstitutet samt Institutionen
f¨or Signaler och System, Chalmers tekniska h¨ogskola, G¨oteborg. Examensarbete initierades av Henrik Engdal och Tommy Fransson p˚
a Viktoriainstitutet. Omfattningen av
examensarbetet motsvarar 15 h¨
ogskolepo¨ang som ing˚
ar i utbildningen f¨or maskiningenj¨orer (180 h¨
ogskolepo¨
ang).
Arbetet har gett god insikt i den problematik som uppst˚
ar vid en ¨overg˚
ang fr˚
an fossila
br¨anslen till eldrift och de begr¨
ansningar samt hinder som uppkommer men ocks˚
a de
f¨ordelar och m¨
ojligheter som ges med elektrifiering av ¨alvskytteln.
Vi vill tacka alla p˚
a Viktoriainstitutet och framf¨orallt v˚
ara handledare Tommy Fransson
och Henrik Engdahl f¨
or st¨
od, id´eer och tankar kring arbetet. Vi vill ocks˚
a tacka v˚
ar
handledare p˚
a Chalmers, Lennart Wid´en f¨or en god v¨agledning genom examensarbetet.
Vi vill ¨aven tacka Helena Callstam p˚
a milj¨obron som l¨ankat samman oss med Viktoriainstitutet samt alla som under resans g˚
ang kommit med nya id´eer och infallsvinklar.
Memento vivere.
Simon Carlsen och Anton Gustavsson, G¨oteborg 31/5/12
Nomenklatur
Terminologi
Ackumulator
Komponent som lagrar energi
Anod
En positiv elektrod i ackumulator
Depth of discharge
Urladdningsdjup i procent
Effekt
M¨
angd arbete utr¨attat eller energi omvandlat per tidsenhet
Ekologiskt fotavtryck
M˚
att p˚
a m¨angden resurser som en m¨anniska f¨orbrukar
Elektrolyt
Substans inneh˚
allande fritt r¨orliga joner
kapacitans
M˚
att p˚
a f¨orm˚
agan att lagra elektrisk laddning
Katod
En negativ elektrod i ackumulator
Kollektor
Motagande enhet vid ¨overf¨oring via induktion
Kondensator
Komponent som lagrar energi (capacitator i anglosaxisk litteratur)
Pantograf
Kontaktdon som anv¨ands vid j¨arnv¨ag
State of charge
Ackumulatorns procentuella energim¨angd
F¨
orkortningar
A
Ampere
AC
V¨
axelstr¨
om
Ah
Amperetimmar
BMS
Battery management system
DC
Likstr¨
om
DOD
Depth of discharge
F
Farad
kW
Enhet f¨
or effekt
kWh
Enhet f¨
or energi, motsvarar 1 kW under 1 timma
LCO
Litium-koboltoxid
LFP
Litium-j¨
arnfosfat
LIB
Litium-jonackumulator
LIC
Litium-jonkondensator
LMO
Litium-manganoxid
LTO
Litium-titanat
NMC
Litium-nickel-mangan-koboltoxid
SOC
State of charge
V
Volt
Wh
Wattimmar
V¨
arden vid ber¨
akning
e1
= 9 SEK
$1
= 7 SEK
1 liter diesel (skattefri)
= 7,5 SEK
1 kWh fr˚
an eln¨
atet
= 1 SEK
Inneh˚
all
1 Inledning
1
1.1
Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.3
Forskningsfr˚
agor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4
Avgr¨
ansningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2 Fo
attningar
¨ruts¨
5
2.1
Utvecklingspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
Framdrift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3 Teori
3.1
Ackumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.1.1
3.2
11
Litiumjon-ackumulatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Livsl¨
angd Ackumulatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.1
Litium-kobolt-ackumulatorer (LiCoO2 ) . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.2
Litium-manganoxid-ackumulator (LiM n2 O4 ) . . . . . . . . . . . . 13
3.2.3
Litium-nickel-mangan-koboltoxid-ackumulator (LiN iM nCoO2 ) . . 14
3.2.4
Litium-titanat-ackumulator (Li4 T i5 O12 ) . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2.5
Litium-j¨
arnfosfat-ackumulator (LiF eP O4 ) . . . . . . . . . . . . . . 15
3.3
Superkondensatorer
3.4
Litiumjonkondensatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.5
Konduktiv o
oring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
¨verf¨
3.6
Induktiv ¨
overf¨
oring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.6.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Primove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
i
˚
INNEHALL
3.7
Eldrivna fartyg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.8
Kapslingsklassning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Metod
23
4.1
Litteraturstudier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2
Intervjuer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3
Utv¨
ardering av ackumulatortyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4
Konceptgenerering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.5
Utv¨
ardering av koncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.6
K¨
allgranskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5 Resultat
25
5.1
Utv¨
ardering av ackumulatortyper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.2
J¨
amf¨
orelse mellan kondesatorer och ackumulatorer . . . . . . . . . . . . . 27
5.3
Tekniska koncept f¨
or energilagring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.4
5.3.1
Litiumjon-ackumulator-koncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5.3.2
Koncept superkondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.3.3
Koncept litiumjonkondensatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Tekniska koncept f¨
or energi¨overf¨oring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.4.1
Koncept Konduktiv ¨overf¨oring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.4.2
Koncept Induktiv ¨overf¨oring
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.5
Kombinerade slutkoncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.6
Kostnadsanalys av koncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.6.1
Koncept 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.6.2
Koncept 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6.3
Koncept 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6.4
Dagens Framdrivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.7
SWOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.8
Ruttplanering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6 Slutsats
43
7 Diskussion
45
Litteraturf¨
orteckning
50
ii
˚
INNEHALL
A Appendix
I
¨
Ritning Alskyttel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
II
A.1 Ber¨
akningar koncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
A.1.1 Koncept 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
A.1.2 Koncept 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
A.1.3 Koncept 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V
A.2 Ber¨
akningar kostnadsanalys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V
A.2.1 Litiumjonackumulater Koncept 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
V
A.2.2 Superkondensatorer Koncept 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
A.2.3 Litiumjonkondensator koncept 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
A.2.4 Dagens koncept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI
Dimensionering av ackumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII
iii
1
Inledning
E
lektrifiering av v¨
agtransporter studeras med stort intresse av b˚
ade statliga
och industriella akt¨
orer. Hybridisering, och i ett senare skede, total elektrifiering tros kunna g¨
ora ett viktigt bidrag f¨or att minska anv¨andandet av fossila
energik¨
allor. F¨
or marina applikationer har intresset a¨n s˚
a l¨ange varit litet.
Anledningen till det kan h¨
arledas till skillnader i ekonomiska incitament och tekniska
f¨oruts¨attningar. Precis som f¨
or v¨
agtransporter finns det dock vissa marina applikationer
¨
som l¨ampar sig b¨
attre f¨
or elektrisk framdrift ¨an andra. Alvskytteln
som ¨ar ett passagerarfartyg som skall s¨
attas i skytteltrafik i G¨oteborg 2013-2014 skulle kunna vara en av
dessa. Baserat p˚
a fartygens k¨
orcykel med m˚
anga starter och stopp liknar den p˚
a m˚
anga
s¨att hybridbussens k¨
orcykler.
1.1
Bakgrund
F¨or att knyta ihop kollektivtrafiken mellan Hisingen och fastlandet anv¨ands idag fem
dieseldrivna passagerarfartyg. Mellan de tv˚
a h˚
allplatserna Rosenlund och Lindholmspiren har turt¨
atheten ¨
okat i och med att antalet resen¨arer ¨okat till f¨oljd av utbyggnaden
av Lindholmen. H¨
og turt¨
athet ger h¨og belastning under rusningstid, med m˚
anga starter
och stopp f¨
or de trafikerande fartygen. De dieseldrivna fartygen sl¨apper ut emissioner i
stadsmilj¨
o vilket bidrar till en mer luftf¨ororenad stad. Emissionerna bidrar dels till en
f¨ors¨amrad folkh¨
alsa genom att partikelutsl¨appen inandas och orsakar ¨okad d¨odlighet och
dels till att f¨
orst¨
arka v¨
axthuseffekten och ¨okad f¨orsurning. Att anv¨anda sig av f¨ornybara
energik¨
allor i st¨
orre utstr¨
ackning ist¨allet f¨or fossila br¨anslen som olja eller diesel ger en
1
1.2. SYFTE
KAPITEL 1. INLEDNING
mer h˚
allbar l¨
osning f¨
or passagerartrafiken ¨over ¨alven. Mycket tyder ¨aven p˚
a att oljepriset
kommer forts¨
atta att ¨
oka (Mundi, 2012), d¨arf¨or kan det vara viktigt att alternativ till
olja f¨or framdrivning av fartygen analyseras.
¨
V¨asttrafik har beslutat att k¨
opa in tv˚
a nya dubbel¨andade fartyg vid namn Alvskytteln som ber¨
aknas trafikera str¨
ackan Lindholmen-Rosenlund fr˚
an ˚
ar 2013-2014. Fartygen
har en kapacitet p˚
a 298 passagerare. De nya fartygen ska drivas med hj¨alp av elmotorer
som f˚
ar sin str¨
om fr˚
an dieselgeneratorer. Fartygen ¨ar t¨ankta att utrustas med tv˚
a maskinrum som skall inneh˚
alla varsin dieselgenerator varav det ena rummet ¨ar avsett f¨or
att m¨ojligg¨
ora test av nya och milj¨
ov¨anligare framdrivningstekniker (V¨asttrafik, 2012).
I examensarbetet utreds hur det extra maskinrummet kan anv¨andas f¨or att minimera
diesel˚
atg˚
angen genom ¨
okad anv¨
andning av el fr˚
an eln¨atet samt vilken teknik det finns
f¨or o¨verf¨
oring av el.
1.2
Syfte
Syftet ¨ar att unders¨
oka om det finns ett funktionellt och ekonomiskt rimligt koncept
¨
som m¨ojligg¨
or att den dieselgenererade elen till Alvskytteln
kan ers¨attas med el fr˚
an
markn¨atet.
1.3
Forskningsfr˚
agor
• Vilken typ av laddning kan anv¨
andas?
• Vilken effekt kr¨
aver fartyget f¨or framdrivning?
• Vilken energim¨
angd kr¨
avs f¨or ¨overfart ¨over ¨alven?
• Hur kan teknik f¨
or laddning implementeras?
• Vilken typ av energilagring kan anv¨andas?
2
¨
1.4. AVGRANSNINGAR
1.4
KAPITEL 1. INLEDNING
Avgr¨
ansningar
¨
¨
• De fartyg som har studerats ¨
ar endast Alvskyttel
1 och Alvskyttel
2.
• Den rutt som har studerats ¨
ar endast den mellan Rosenlund och Lindholmspiren.
• Examensarbetet har inte behandlat alternativa br¨anslen mer ¨an el fr˚
an .
• Examensarbetet har inte tagit upp energibehov och hantering vid framst¨allning
av ackumulatorer
• Rapporten behandlar inte andra f¨ornybara energik¨allor.
s˚
a som solenergi och vindkraft.
• Eventuella ekonomiska f¨
oruts¨
attningar med avseende p˚
a oljeprisets
utveckling gavs ytterst lite utrymme i denna rapport.
3
2
F¨
oruts¨
attningar
I
det f¨
orfr˚
agningsunderlag V¨
asttrafik tagit fram tillsammans med SSPA och Light
Craft Design Group p˚
a de tv˚
a nya fartyg som skall vara i drift fr˚
an ˚
ar 20132014 beskrivs det att fartygen skall vara i trafik 20 timmar per dag ˚
aret om.
Str¨
ackan som skall trafikeras mellan Lindholmen och Rosenlund a¨r 900 meter
och fartygen skall avg˚
a var sj¨
atte minut. I underlaget beskrivs ¨aven att en framtida rutt
mellan Lindholmen och Stenpiren ¨
ar h¨ogst sannolik. En framtida rutt mellan Lindholmen
och Stenpiren ¨
ar 1250 meter med en ber¨aknad ¨overfartstid p˚
a 7,5 minuter. Generella
dimensioner, se tabell 2.1 (V¨
asttrafik, 2012).
F¨or att skrovet ska klara motst˚
and mot de krafter fartygen uts¨atts f¨or vid isbildning
under vintertid skall fartygens skrov byggas i st˚
al samtidigt som ¨ovre delen av fartygen byggs i aluminium eller annat l¨attviktsmaterial f¨or att h˚
alla nere vikten. Enligt
underlaget beskrivs att is kan f¨
orekomma i omr˚
aden p˚
a ¨alven d¨ar vattnet kan st˚
a stilla,
¨ ¨ar dock inte
exempelvis den bass¨
ang som finns vid h˚
allplatsen p˚
a Lindholmen. G¨ota Alv
Tabell 2.1: Fartygsdata(V¨asttrafik, 2012)
Total l¨
angd
32 meter
L¨
angd utmed
vattenlinjen 27,6 meter
Total bredd
8,5 meter
Bredd utmed vattenlinjen
8 meter
Djup
3.3 meter
5
¨
¨
KAPITEL 2. FORUTS
ATTNINGAR
helt t¨ackt av is under vintertid (V¨asttrafik, 2012).
M˚
alet ¨
ar att transporterna ska ske med l˚
agt ekologiskt fotavtryck. Fartygen utrustas
med ett diesel-elektriskt maskineri som driver tv˚
a roderpropellrar, en i f¨oren och en i
aktern, se figur 2.2 (V¨
asttrafik, 2012).
F¨oljande citat finns i f¨
orfr˚
agningsunderlaget ang˚
aende framtida planer f¨or drivlinan:
”The ferries shall be provided with diesel electric machinery. This machinery shall be
able to be replaced or supplemented with an alternative power generation system in the
future. The goal with future alternative power generation system is to further lower the
environmental impacts of the ferries. Additional space and weight margins for further
power generation installations shall be provided for.” (V¨asttrafik, 2012).
I underlaget beskrivs senare ¨
aven f¨oljande: “One intention is to use the vessel as a
platform for testing successively available new equipment in the propulsion system in
order to reduce operational cost and environmental impact. Consequently all installed
equipment in the propulsion system need to have very high accessibility. It is also necessary to cater a lot of reserve space dedicated for possible new equipment.” (V¨asttrafik,
2012).
Styrs¨
obolaget som trafikerar str¨ackan Lindholmen-Rosenlund driver samtliga fartyg
p˚
a dieselbr¨
ansle av milj¨
o-klass 1 med inblandning av 5 procent RME (rapsmetylester)
(Styrs¨obolaget, 2012).
Figur 2.1: Rutt mellan Rosenlund och Lindholmen
6
¨
¨
KAPITEL 2. FORUTS
ATTNINGAR
2.1. UTVECKLINGSPOTENTIAL
¨
Figur 2.2: Ritning Alvskyttel
(V¨asttrafik, 2012).
2.1
Utvecklingspotential
¨
Utifr˚
an rapporten ”Utvecklingspotential Alvskytteln”
finns flera ber¨akningar som ligger
till grund f¨
or denna rapport, bland annat vilken energikonsumtion som beh¨ovs f¨or en
¨
1100 meter l˚
ang rutt baserad p˚
a tidigare lagt f¨orslag ”Alvpendel”.
Ber¨akningarna ¨ar
baserade utifr˚
an att varje ¨
overfart tar 360 sekunder inklusive 60 sekunder stopp vid
varje h˚
allplats.
I rapporten konstateras att effekten f¨or man¨ovrering kr¨aver 300 kW men framdrivningseffekten fartyget kr¨
aver vid ¨
overfart ¨ar 57 kW vilket inneb¨ar att dieselgeneratorerna
inte k¨or p˚
a full effekt under stora delar av ¨overfarten (Karlsson, 2011).
Figur 2.3: Graf ¨over rutt utan vind (Karlsson, 2011).
7
¨
¨
KAPITEL 2. FORUTS
ATTNINGAR
2.2. FRAMDRIFT
Graf 2.3 beskriver f¨
ard i 7.5 knop, ingen vind, propellereffekt begr¨ansad till 300 kW,
framdrivningseffekt vid konstant hastighet 57 kW, f¨ardstr¨acka p˚
a 1100 meter d¨ar varje
enskild resa tar 300 sekunder. Effektbehovet f¨or fartyget ¨okar vid 15m/s motvind se figur
2.4 (Karlsson, 2011).
Figur 2.4: Graf ¨
over rutt med vind (Karlsson, 2011).
2.2
Framdrift
¨
Enligt specifikationerna kommer Alvskytteln
att utrustas med en drivlina som best˚
ar
av diesel-elektriska motorer, vilka best˚
ar av dieselmotorer som genererar str¨om till fartygets elmotorer som i sin tur driver fartyget. Dieselmotorn genererar ¨aven str¨om till
andra applikationer p˚
a fartyget, exempelvis belysning och ventilation. Anv¨andning av
diesel-elektriska motorer ger goda f¨
oruts¨attningar att implementera en extern str¨omk¨alla
som komplement till dieselmotorn(V¨asttrafik, 2012). Drivlinan best˚
ar av dieselmotorer,
vilka klarar h¨
oga varvtal j¨
amf¨
ort med de motorer som anv¨ands vid traditionell mekanisk framdrivning av fartyg. F¨
ordelen med att anv¨anda sig av h¨ogvarvsmotorer ¨ar att
de v¨ager och kostar mindre j¨
amf¨ort med de l˚
agvarvsmotorer som anv¨ands f¨or direkt
mekanisk framdrivning av fartyg (K˚
are, 2003).
F¨or att omvandla dieselmotorns mekaniska energi till el anv¨ands en generator vilket
skapar en v¨
axelsp¨
anning. Frekvensen som genereras betecknas f [Hz] som ¨ar proportionell
till rotationshastigheten n[rpm] och antalet poler p hos rotorn (se ekvation 2.2) (K˚
are,
2003).
8
¨
¨
KAPITEL 2. FORUTS
ATTNINGAR
2.2. FRAMDRIFT
Tabell 2.2: Verkningsgrad (K˚
are, 2003).
η = 0.95 − 0.97
Generator
switchboard
η = 0.999
Transformator
Frekvensomvandlare
η = 0.99 − 0,995
η = 0.98 − 0.99
η = 0.95 − 0.97
Elmotor
f=
p n
∗
2 60
(2.1)
En transformator ger sedan r¨att sp¨anning varp˚
a en frekvensomformare omformar
str¨ommen f¨
or att styra varvtalet p˚
a elmotorn.
I alla komponenter sker energif¨orluster, d¨arf¨or m˚
aste dieselmotorns uteffekt vara
st¨orre ¨an elmotorns effektbehov. Enligt tabell 2.2 f˚
as att en normal total verkningsgrad
p˚
a ett diesel-elektriskt system ligger mellan 0,88 och 0,92. Verkningsgraden i systemet
skiljer sig beroende p˚
a vilken last motorerna uts¨atts f¨or (K˚
are, 2003).
Utifr˚
an komponenter i tabell 2.2 f˚
as f¨orluster p˚
a ungef¨ar 10 procent. F¨orlusterna
kan dock v¨
agas upp i den m˚
an att fartyget kan anv¨anda mer optimala motorer och att
elmotorer ger m¨
ojlighet att anv¨
anda roderpropellrar som ger en h¨ogre man¨ovrerbarhet
hos fartyget som i sin tur minskar br¨ansle˚
atg˚
angen(K˚
are, 2003).
η=
Pin
Put
=
Put
Put + Pf orluster
9
(2.2)
3
Teori
I
3.1
nedanst˚
aende kapitel beskrivs den teori som ligger till grund f¨or rapporten. Vid
framdrivning av ¨
alvskytteln med el fr˚
an markn¨atet kr¨avs ett energilager samt
teknik f¨
or att ¨
overf¨
ora energi till fartygen. H¨ar presenteras ¨aven befintliga l¨osningar
vad g¨
aller drivlinor f¨
or elektriska fordon.
Ackumulator
Ackumulatorer anv¨
ands f¨
or att lagra energi och kan ˚
ateruppladdas genom att anslutas
till en extern str¨
omk¨
alla. Ackumulatorer finns i flera olika utf¨oranden, bland annat som
bly-ackumulatorer, nickel-kadmium-ackumulatorer och litium-ackumulatorer. Ackumulatorer finns i flera olika former och storlekar. Prismatiska ackumulatorer f¨orekommer i
elfordon d˚
a de ¨
ar l¨
atta att stapla p˚
a varandra f¨or serie eller parallellkoppling till skillnad
fr˚
an cylindriska ackumulatorer (Lerner, 1999).
3.1.1
Litiumjon-ackumulatorer
Litiumjon-ackumulatorer a
¨r ett samlingsnamn f¨or de ackumulatorer som anv¨ander litiumjoner som elektrolyt. Litiumjon-ackumulatorer anv¨ands f¨orutom i mobiltelefoner ¨aven
i elfordon. Litium ¨
ar den l¨
attaste metallen med nummer tre i periodiska systemet och
har ocks˚
a st¨
orst elektrokemisk potential.
Idag a
¨r samtliga kommersiella litiumjon-ackumulatorer i princip uppbyggda enligt
figur 3.1 nedan. Litiumjonackumulatorer best˚
ar av tre huvudkomponenter, anod, katod
11
¨
3.2. LIVSLANGD
ACKUMULATORER
KAPITEL 3. TEORI
och elektrolyt. Elektrolyten ¨
ar vanligtvis en blandning av organiska kolkedjor exempelvis
etylkarbonat inneh˚
allande koordinationsf¨oreningar av litiumjoner.
Vid urladdning flyttas litiumjoner fr˚
an anod till katod och str¨om alstras medan vid
laddning flyttas litiumjonerna i motsatt riktning. Katoden ¨ar skild fr˚
an anoden med en
separator som ¨
ar byggd s˚
a att litiumjonerna kan passera genom separatorn vid ur- och
uppladdning (Panasonic, 2012).
3.2
Livsl¨
angd Ackumulatorer
F¨orslitning av litium-ackumulatorer ¨ar ett komplext och sv˚
arhanterligt problem d¨ar det
˚
idag sker mycket forskning. Aldrandet av ackumulatorerna beror i huvudsak av tv˚
a
faktorer: minskad m¨
angd anv¨
andbara litiumjoner samt minskning av elektrodyta och
˚
material. Aldrandet
accelereras kraftigt f¨or de flesta litiumjon-ackumulatorer av stora temperaturskillnader, djup urladdning (SOC-omr˚
adet) och h¨oga laddningseffekter.
Minskning av m¨
angden anv¨
andbara litiumjoner beror fr¨amst p˚
a korrosion och filmbildning p˚
a anoden n¨
ar litiumjonerna bildar f¨oreningar med grafiten. Livsl¨angd anges i tid
fr˚
an produktion och antal cykler. Antalet cykler inneb¨ar antalet g˚
anger en ackumulator
kan fulladdas f¨
or att sedan helt urladdas. Om bara delar av SOC-omr˚
adet anv¨ands kan
den cykliska livsl¨
angden ¨
oka. Ackumulatorn slits minst vid anv¨andning kring 40-50 procent av SOC-omr˚
adet (Groot, 2012a). Olika ackumulatortypers cykliska livsl¨angd skiljer
sig i k¨anslighet f¨
or hur stor del av SOC-omr˚
adet som anv¨ands samt laddningseffektens
storlek.
3.2.1
Litium-kobolt-ackumulatorer (LiCoO2 )
Litium-kobolt-ackumulatorer (LCO) anv¨ands i mobiltelefoner, b¨arbara datorer och kameror. Ackumulatorn best˚
ar av en katod av kobolt, en anod av kol och elektrolyt av
litiumjoner. Litium-koboltkatoden best˚
ar av lager av koboltoxid som litiumjonerna kan
r¨ora sig genom, se figur 3.3 (Battery-University, 2011c). Figur 3.2 visar den generella
prestandan f¨
or en litium-kobolt-ackumulator. Ackumulatorns styrkor ¨ar dess prestanda
och h¨oga energidensitet samtidigt som ackumulatorn har d˚
alig livsl¨angd i f¨orh˚
allande till
andra litiumjon-ackumulatorer (Dinger et al., 2010).
12
¨
3.2. LIVSLANGD
ACKUMULATORER
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.1: Litiumackumulator (Groot, 2012b).
Figur 3.2: Egenskaper f¨
or litium-kobolt-ackumulator (Dinger et al., 2010).
3.2.2
Litium-manganoxid-ackumulator (LiM n2 O4 )
Litium-manganoxid-ackumulatorer (LMO) anv¨ander sig av en anod av grafit och en
katod av litium-manganoxid i form av en spinell (se figur 3.5). Strukturen hos spinellen
s¨anker den inre resistansen i cellen d˚
a litiumjoner l¨attare kan r¨ora sig p˚
a katoden och
bidrar till en h¨
ogre str¨
om (Battery-University, 2011c). LMO har en energidensitet p˚
a
cirka 100-135 Wh/kg och en livsl¨
angd p˚
a 500-1000 cykler (Battery-University, 2011a).
3.2.3
Litium-nickel-mangan-koboltoxid-ackumulator (LiN iM nCoO2 )
Litium-nickel-mangan-koboltoxid (NMC) ¨ar vidareutveckling av LMO d¨ar katoden best˚
ar av en kombination av nickel och mangan. Mangan har en l˚
ag energidensistet och
tack vare sin spinellstruktur dessutom en l˚
ag inre resistans. Nickel har h¨og specifik ener13
¨
3.2. LIVSLANGD
ACKUMULATORER
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.3: Katodens uppbyggnad i en litium-kobolt-ackumulator (Battery-University,
2011c).
Figur 3.4: Egenskaper f¨or litium-manganoxid (Dinger et al., 2010).
gi och i kombination med mangan f˚
as en cell med l˚
ag inre resistans och h¨og specifik
energi(se figur 3.6). NMC anv¨
ands idag i elverktyg(Battery-University, 2011c).
3.2.4
Litium-titanat-ackumulator (Li4 T i5 O12 )
Litium-titanat-ackumulator (LTO) ¨ar en modifierad litiumjon-ackumulator, skillnaden ¨ar
att ackumulatorns anod ¨
ar t¨
ackt av ett skikt av litium-titanat ist¨allet f¨or kol. Anoden av
Figur 3.5: Uppbyggnad av Litium-Manganoxid (Battery-University, 2011c).
14
¨
3.2. LIVSLANGD
ACKUMULATORER
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.6: Egenskaper f¨
or litium-nickel-mangan-kobaltoxidt (Dinger et al., 2010).
Litium-titanat ger f¨
ordelen att ackumulatorn kan laddas snabbare ¨an en vanlig litiumjonackumulator. Titanatet medf¨
or att ackumulatorn har l¨agre energidensitet (Wh/kg) och
ett h¨ogre pris j¨
amf¨
ort med traditionella litiumjon-ackumulatorer (Battery-University,
2011c). Energidensiteten hos Litium-titanat-ackumulator ¨ar mellan 60-70 Wh/kg och
140 Wh/l med en livsl¨
angd p˚
a 6000 cykler se tabell 3.1 (Burke and Marshall, 2009).
Titanatbehandlingen medf¨
or f¨
ordelen att 85 procent av SOC-omr˚
adet kan anv¨andas utan
att accelerera ˚
aldrandet hos cellen n¨amnv¨art men g¨or ¨aven att priset blir 1500 $/kWh.
Litium-titanat-ackumulatorer anv¨
ands idag i fordon, bland annat bilen Mitsubishi iMiEV (Green-Car-Congress, 2011).
Figur 3.7: Egenskaper f¨or litium-titanat (Dinger et al., 2010)
3.2.5
Litium-j¨
arnfosfat-ackumulator (LiF eP O4 )
Litium-j¨
arnfosfat-ackumulatorer (LFP) har en katod av litium-j¨arnfosfat och en anod
av grafit. LFP har, tack vare sin nanostruktur p˚
a katoden, en god prestanda och har
l˚
ag resistans. F¨
ordelarna med LFP ¨ar att det ¨ar milj¨ov¨anligare ¨an andra litiumjonackumulatorer. LFP har b¨
attre s¨
akerhet och l¨angre livsl¨angd, se figur 3.8 (Battery15
3.3. SUPERKONDENSATORER
KAPITEL 3. TEORI
Tabell 3.1: J¨amf¨orelse ackumulatorer
LCO
LMO
NMC
LTO
LFP
Tid att ladda (min)
15
15
15
10
15
Livsl¨
angd (cykler)
500-1000
1000-2000
1000-2000
6000
2000
Sp¨
anning (volt)
3,6
3,8
3,6-3,7
2,4
3,3
Energidensitet (Wh/kg)
150-190
100-135
140-180
60-70
90-120
Kostnad per Wh
1000
1000
1000
1500
1000
University, 2011c). LFP a
¨r enligt Dinger en av de mest lovande teknikerna f¨or ackumulatorer, det syns bland annat i antalet patent som finns f¨or LFP. Det finns dubbelt
s˚
a m˚
anga patent r¨
orande LFP j¨
amf¨ort med LTO och fyra g˚
anger s˚
a m˚
anga j¨amf¨ort
med NMC (Dinger et al., 2010). Flera biltillverkare anv¨ander LFP, bland annat, Volvo Cars som anv¨
ander LFP i sina modeller C30 electric samt kommande Volvo V60
hybrid. LFP har en livsl¨
angd p˚
a 2000 cykler med en energidensitet p˚
a 90-120 Wh/kg
(Battery-University, 2011a).
Figur 3.8: Egenskaper f¨or litium-j¨arnfosfat (Dinger et al., 2010).
3.3
Superkondensatorer
En superkondensator ¨
ar en elektronisk komponent f¨or att lagra energi som best˚
ar av tv˚
a
plattor med aktiva elektroder som a¨r skilda med en isolator. Superkondensatorn lagrar
energi genom statisk laddning till skillnad fr˚
an den elektrokemiska reaktion som sker i
en ackumulator. Genom att sp¨
anningsskillnader skapas p˚
a superkondensatorns positiva
och negativa platta lagrar de energi (se figur 3.9).
16
3.4. LITIUMJONKONDENSATORER
KAPITEL 3. TEORI
E=
C ∗V2
2
(3.1)
Energim¨
angden i en kondensator ges av ekvation 3.1 d¨ar C ¨ar kapacitansen som
m¨ats i farad och V a
anningen i volt mellan plattorna (vanligtvis runt 2,5 Volt).
¨r sp¨
Isolatorns materialegenskaper best¨
ammer kondensatorns maximala sp¨anning. C ∗ V ger
kondensatorns laddning Q (Coulumb). Kapacitansen hos isolatorn beror p˚
a isolatorns
area(A), avst˚
andet (d) och kapacitiviteten (�)(Tallner and Lannetoft, 2005).
C=�
A
d
(3.2)
Figur 3.9: Schematisk konstruktion av superkondensatorer (Maxwell-Technologies, 2009b).
Vid anv¨
andning i applikationer som kr¨aver h¨ogt energiinneh˚
all och h¨og sp¨anning
kr¨avs det att cellerna serie- och parallell-kopplas, var p˚
a cellerna kan monteras i moduler,
se figur 3.10. I applikationer med flera celler ¨ar det viktigt att cellerna tillverkas med h¨og
precision f¨
or att minska variansen dem emellan s˚
a att deras kapacitans och elektriska
motst˚
and inte skiljer sig fr˚
an varandra (Battery-University, 2011b).
Vid laddning och urladdning av superkondensatorer ¨andras sp¨anningen linj¨art i f¨orh˚
allande till energiinneh˚
allet (Battery-University, 2011b).
3.4
Litiumjonkondensatorer
Litiumjonkondensatorer ¨
ar en kombination av teknik f¨or litiumjon-ackumulator och superkondensator d¨
ar en grafitkatod likt den i en superkondensatorer och en anod av kol
17
3.4. LITIUMJONKONDENSATORER
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.10: Superkondensatorer monterade i modul med kylsystem (Maxwell-Technologies,
2009a).
likt den i en litiumjon-ackumulator anv¨ands (se figur 3.12). Det unika med litiumjonkondensatorer a
¨r att man dopar anoden med litiumjoner vilket ger anoden en mer negativ
potential medan katoden beh˚
aller samma sp¨anning. Litiumjonkondensatorns konstruktion ger en st¨
orre potentiell skillnad mellan anod och katod j¨amf¨ort med traditionella
superkondensatorer. Detta medf¨
or att litiumjonkondensatorer har en sp¨anning p˚
a 3,8
volt j¨amf¨
ort med superkondensatorer som vars sp¨anning ¨ar cirka 2,6 volt, se figur 3.11
(JSR-Micro, 2011). Det uppskattade priset f¨or litiumjonkondensatorer vid ink¨op av stora
volymer uppskattas till e.015/F (Louis, 2012).
F¨ordelarna med litiumjonkondensatorn ¨ar dess h¨oga effektt¨athet p˚
a upp till 7 kW/kg
samt en h¨
og energidenistet p˚
a 14 Wh/kg om man j¨amf¨or med vanliga superkondensatorer
(Se figur: 3.13). Effektt¨
athet ¨
ar ett m˚
att p˚
a den maximala effekt ackumulatorn kan
leverera per kilogram.
Figur 3.11: Grafen visar potentiell sp¨anning hos katod, anod och totala hur totala sp¨anningen f¨
or¨
andras vid laddning och urladdning av superkondensator respektive hybridkondensator.
18
¨
¨
3.5. KONDUKTIV OVERF
ORING
3.5
KAPITEL 3. TEORI
Konduktiv ¨
overf¨
oring
Konduktiv ¨
overf¨
oring kr¨
aver att tv˚
a metalliska ledare ¨ar i kontakt med varandra, d¨ar
¨overf¨oringen kan ske med flera olika typer av anslutningsanordningar. Den vanligaste
konduktiva ¨
overf¨
oringen sker med hj¨alp av kontaktdon best˚
aende av en han- och en honkontakt, exempelvis en stickkontakt. Ett vanligt s¨att att ¨overf¨ora str¨om vid j¨arnv¨ag och
sp˚
arv¨ag ¨
ar via pantografer ¨
aven kallat str¨omavtagare som ¨ar en sl¨apkontakt som anv¨ands
till fordonets drivstr¨
om samt ¨
ovrig utrustning. Sp˚
arvagnars pantograf med likstr¨om ¨ar
av enklare karakt¨
ar ¨
an j¨
arnv¨
agens h¨ogsp¨anningspantografer d˚
a de inte uts¨atts f¨or lika
h˚
arda p˚
afrestningar som j¨
arnv¨
agspantografer (Galeotti et al., 1993). F¨or laddning av
ackumulatorer ¨
ar konduktiv laddning ett vanligt f¨orekommande s¨att f¨or att ¨overf¨ora
energi.
Figur 3.12: J¨
amf¨
orelse mellan superkondensator och hybridkondensator.
Figur 3.13: Graf o
¨ver energidensitet kontra effektdensitet (JM-Energy, 1999).
19
¨
¨
3.6. INDUKTIV OVERF
ORING
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.14: F¨
orslitning vid efter 100 000 laddcykler.
3.6
Induktiv ¨
overf¨
oring
Induktion ¨
ar en effekt som uppt¨
acktes av Michael Faraday redan under 1830-talet. Det
har gjorts f¨
ors¨
ok med induktionsladdning av elfordon, bland annat Magne Charger (se
figur 3.15) av General Motors d¨
ar laddning skedde genom manuell inkoppling (BostonUniversity, 1999). Idag utvecklas tekniker f¨or induktionsplattor i v¨agbanan, vid stoppljus
eller parkering f¨
or elbilar med ett ¨
overf¨oringsavst˚
and p˚
a runt 10 centimeter.
Induktion sker genom att sp¨
anning ¨overf¨ors fr˚
an en ledare till en annan genom att
magnetf¨
alt bildas. Vid induktiv laddning beh¨ovs ingen metallisk ledare som binder ihop
punkterna, utan ist¨
allet varierar sp¨anningen runt ledaren och ett magnetf¨alt bildas. Magnetf¨altet kan i sin tur p˚
averka elektronerna i en annan ledare varp˚
a sp¨anning induceras.
Induktionsladdning ger m¨
ojlighet att man kan kapsla ledarna med ett skyddsh¨olje vilket
g¨or dem v¨
al skyddade mot v¨
ata, en egenskap som ¨ar viktig f¨or elektroniska system i en
marin milj¨
o. Induktion kan ¨
aven ske med l¨angre avst˚
and men f¨orlusterna ¨okar ju l¨angre
avst˚
andet a
arf¨
or a
oredra att de b˚
ada ledarna har ett litet avst˚
and emellan
¨r, d¨
¨r det att f¨
varandra n¨
ar str¨
om ska ¨
overf¨
oras (Lundgren et al., 1982)
Vid laddning ¨
ar det l¨
ampligt att tre-fas anv¨ands tillsammans med en frekvensh¨ojare,
Figur 3.15: Magne Charger anv¨andes av GM f¨or induktionsladdning.
20
¨
¨
3.6. INDUKTIV OVERF
ORING
KAPITEL 3. TEORI
vilket minskar de f¨
orluster som sker vid induktionsladdning. D¨arefter kan transformatorn
som ¨ar tv˚
adelad ¨
overf¨
ora str¨
ommen fr˚
an land till fartyget med hj¨alp av tre spolpar, en
f¨or varje fas. Vid laddning ansluts j¨arnk¨arnorna intill varandra och str¨om ¨overf¨ors.
F¨or att kunna ladda ackumulatorn kr¨avs en likriktare som g¨or om v¨axelstr¨ommen
till likstr¨
om d˚
a ackumulatorn m˚
aste laddas med likstr¨om.
3.6.1
Primove
Vid framdrivning av sp˚
arvagnar brukar ¨overh¨angande kontaktledningar anv¨andas f¨or att
driva motorerna och annan elektrisk utrustning ombord p˚
a sp˚
arvagnarna. Bombardier
har tagit fram systemet Primove d¨ar energi o¨verf¨ors genom induktion fr˚
an ledningar
nedgr¨avda under sp˚
aren (Primove, 2008). Ledningarna under sp˚
aren genererar n¨amligen
ett magnetf¨
alt som kan anv¨
andas f¨or att induktivt ¨overf¨ora str¨om till sp˚
arvagnen. N¨ar
sp˚
arvagnen passerar igenom magnetf¨altet omvandlar mottagare p˚
a sp˚
arvagnens undersida f¨altet till elektrisk str¨
om som kan driva sp˚
arvagnen (Primove, 2008)(se figur 3.16).
Med hj¨
alp av en kontrollenhet generas magnetf¨altet bara n¨ar ledningen ¨ar helt t¨ackt av
sp˚
arvagnen, detta f¨
or att minska den tid magnetf¨altet ¨ar aktivt(Primove, 2012).
Tekniken bakom Primove ¨
ar baserad p˚
a induktionsprincipen f¨or en transformator
d¨ar spolen har placerats p˚
a t˚
agets undersida och sp¨anningsk¨allan placerats (ledningarna)
under r¨alsen (se figur 3.17). M¨
ojlig laddeffekt f¨or primove ligger p˚
a 100-500 kW (Primove,
2008).
Genom att anv¨
anda induktiv ¨
overf¨oring ist¨allet f¨or en konduktiv ¨overf¨oring kan slitage minskas d˚
a ledarna inte beh¨
over vara i kontakt med varandra. Primove h¨avdar att
deras framdrivning a
orlitlig och klarar v¨adervariation b¨attre a¨n sp˚
arvagnar
¨r mer tillf¨
vars str¨om f¨
orses med konduktiv kontaktledning fr˚
an ovan (Primove, 2008).
Figur 3.16: Primove (Primove, 2008, 2012).
21
3.7. ELDRIVNA FARTYG
KAPITEL 3. TEORI
Figur 3.17: Induktionsl¨
osning Primove, (1) Transformator, (2) Luftspalt i j¨arnk¨arna, (3)
Nedre j¨
arnk¨
arna ersatt med ledare (Bilodeau and Eng, 2011).
3.7
Eldrivna fartyg
Det finns fartyg som redan idag drivs med el, exempelvis pluginb˚
aten ”Raicho I” som
at som g˚
ar att ladda med den japanska standardkontakten f¨or elbilar
¨ar en passagerarb˚
”ChAdeMO”(Tokyo-Unviversity, 2009), detta fartyg har en kapacitet p˚
a 10 passagerare
och trafikerar mellan tv˚
a delar av ett universitetscampus. I skottland byggs just nu ett
hybridfartyg f¨
or statliga f¨
oretaget Caledonian Maritime Assets Ltd. Hybridfartyget ska
anv¨anda litiumjonbatterier f¨
or att minska dieself¨orbrukningen. Fartyget har m¨ojlighet
att transportera b˚
ade bilar och passagerare. Hybridfartygets emissioner ber¨aknas minska
med 20 procent j¨
amf¨
ort med om det enbart haft en diesel-elektrisk drivlina (CMAL,
2012).
3.8
Kapslingsklassning
Vid anv¨andning av elektroniska komponeter i maritim milj¨o ¨ar det viktigt att komponenterna har motst˚
and mot fukt och v¨ata. F¨or att s¨akerst¨alla detta finns en klassificering
IEC 60529 f¨
or vilka komponenter klassificeras efter dess f¨orm˚
aga att skydda vid ber¨oring och mot intr¨
angande f¨
orem˚
al respektive mot intr¨angande vatten (SP, 2009a,b). F¨or
applikationer p˚
a d¨
ack ¨
ar det l¨
ampligt att anv¨anda sig av minst IP67 vilket inneb¨ar att
komponenterna ska klara att uts¨
attas f¨or damm under l¨angre perioder samt s¨ankas ner i
en vattenbeh˚
allare till en meters vattendjup och f¨orbli d¨ar under 30 minuter (SP, 2009a).
22
4
Metod
I
4.1
nedanst˚
aende kapitel presenteras de metoder som anv¨ants f¨or att ta fram f¨orslag
¨
f¨or hur en elektrifiering av Alvsnabben
skulle kunna ske. H¨ar beskrivs vilket tillv¨
agag˚
angss¨
att som anv¨
ants f¨or att utv¨ardera energilagringstyper och vilken typ
av o
oring som a
amplig att anv¨anda.
¨verf¨
¨r l¨
Litteraturstudier
Vid projektets start p˚
ab¨
orjades en insamling av sekund¨ardata f¨or att f˚
a en tydligare och
¨
b¨attre bild av omr˚
adena snabbladdning och Alvskytteln.
F¨orfr˚
agningsunderlag, teknisk
¨
specifikation samt material om f¨
orb¨attringsf¨orslag p˚
a Alvskytteln
samlades in f¨or att
se hur passagerarfartyget kommer att utformas och se vilka m¨ojligheter det fanns f¨or
utveckling av alternativ drift.
Sekund¨
ardata kring ackumulatorer, kondensatorer och tekniker f¨or laddning samlades
in genom litteraturs¨
okning fr˚
an ett flertal forskningsrapporter samt tillverkare. Sekund¨ardata resulterade i avsnittet teoretisk referensram f¨or att st¨odja rapportens resultat
och slutsatser.
4.2
Intervjuer
F¨or vidare arbete var det viktigt att diskutera med experter inom de olika omr˚
adena. Ett
intervjuunderlag togs fram f¨
or att f˚
a svar p˚
a de fr˚
agor som var viktiga f¨or det framtida
arbetet. Inom flera omr˚
aden vad det g¨aller teknik f¨or energilagring fanns sv˚
arigheter att
23
¨
4.3. UTVARDERING
AV ACKUMULATORTYPER
KAPITEL 4. METOD
f˚
a fram relevant data d˚
a data tenderar att bli inaktuell fort. F¨or att f˚
a tillg˚
ang till aktuell
data var det speciellt viktigt att diskutera med experter. Genom intervjuer gavs en bra
bild av hur dagens teknik ser ut samt kommande teknik.
4.3
Utv¨
ardering av ackumulatortyper
En utv¨ardering av de olika litiumjonackumulatorerna genomf¨ordes f¨or att unders¨oka
¨
vilken teknik som ¨
ar optimal f¨
or Alvskyttel
1 och 2. Utv¨ardering baserades p˚
a generella
data f¨or energidensitet, livsl¨
angd och pris men ocks˚
a angivelser fr˚
an specifika produkter.
4.4
Konceptgenerering
Koncept f¨
or hur energilagring samt hur energi fr˚
an markn¨atet kan ¨overf¨oras togs fram
utifr˚
an givna data fr˚
an f¨
orfr˚
agningsunderlag samt rapporten ”Utvecklingspotential f¨or
¨
Alvsnabben”.
Dimensionering av energilager samt erfordrad laddeffekt gjordes med hj¨alp
av simuleringar i programvaran Excel 2010. Vid framtagning av koncept f¨or energi¨overf¨oring anv¨
andes tidigare litteraturstudier f¨or att bed¨oma m¨ojliga l¨osningar d¨ar s¨akerhet,
ekonomi och automatisk anslutning var av h¨ogsta vikt.
4.5
Utv¨
ardering av koncept
En j¨amf¨
orelse mellan konduktiv och induktiv ¨overf¨oring av str¨om gjordes med dess f¨ordelar och nackdelar utifr˚
an hur teknik anv¨ands idag. J¨amf¨orelsen baserades p˚
a b˚
ade h¨oga
och l˚
aga str¨
ommar. Utv¨
ardering har gjorts utifr˚
an vilka f¨orluster som sker med olika
tekniker samt kostnader f¨
or dessa.
4.6
K¨
allgranskning
Omr˚
aden som ackumulatortyper och teknik f¨or laddning ¨ar under st¨andig forskning och
utveckling, det har d¨
arf¨
or varit viktigt med k¨allgranskning. Vid insamling av sekund¨ardata och material har d¨
arf¨
or enbart tagits fr˚
an forskningsrapporter, erk¨anda organisationer,
tillverkare samt fr˚
an forskare inom omr˚
adena.
24
5
Resultat
V
¨
id elektrifiering av Alvskytteln
kr¨avs att flertalet parametrar och hinder tas
i beaktande. Det finns b˚
ade tekniska-, ekonomiska- och milj¨o-aspekter som
b¨
or analyseras vid elektrifiering eller hybridisering. I detta kapitel presenteras framf¨
orallt tekniska l¨osningar f¨or vilka denna rapport ligger till grund
f¨or vad g¨
aller energilagring samt vilken typ av ¨overf¨oring f¨or energi som kan anv¨andas till fartygen. F¨
oljande kapitel presenterar ¨aven hur fartygens k¨orschema p˚
averkar
laddningstid och erfoderlig laddningseffekt.
5.1
Utv¨
ardering av ackumulatortyper
Ackumulatorers egenskaper skiljer sig fr˚
an varandra och d¨arf¨or gjordes en analys f¨or att
¨
ta fram vilken typ som ¨
ar l¨
amplig f¨or Alvskytteln.
¨
Vid en analys av vilken typ av litiumjonackumulator som ¨ar mest optimal f¨or Alvskytteln togs fem ackumulatorer i beaktande, dessa var: LCO, NMC, LMO, LFP och
LTO.
¨
Maskinrummet begr¨
ansar vilken vikt och volym som kan anv¨andas i Alvskytteln.
Anv¨ands snabbladdning s˚
a ter sig inte ackumulatorns vikt och volym kritisk, detta s˚
a
l¨ange ackumulatorpaketets energim¨angd h˚
alls under 500 kWh. F¨or att anv¨anda acku¨
mulatorer till Alvskytteln
ar det viktigt att de har tillr¨acklig prestanda f¨or att klara
¨
snabbladdning. F¨
or att ackumulatorpaketet skall bli ekonomisk att anv¨anda ¨ar det vik¨
tigt att livsl¨
angden hos ackumulatorn ¨ar tillr¨ackligt l˚
ang. Alvskytteln
kommer kr¨ava
relativt stora ackumulatorpaket vilket inneb¨ar att s¨akerheten f¨or paketen a¨r viktig.
25
¨
5.1. UTVARDERING
AV ACKUMULATORTYPER
KAPITEL 5. RESULTAT
Figur 5.1: J¨amf¨orelse emellan ackumulatorer.
Tabell 5.1: Data ¨over ackumulatorer
LMO
NMC
LFP
LTO
Energidensitet[ Wh/kg ]
100 - 135
140 - 180
90 - 120
60 - 70
Cyklisk livsl¨
angd [ cykler ]
500 - 1000
1000 - 2000
2000
6000
Pris [ $/kWh ]
1000
1000
1000
1500
I bilindustrin anv¨
ands alla n¨
amnda ackumulatorer utom LCO. LCO ¨ar den vanligaste
kommersiella typen av litiumjonackumulator men p˚
a grund av dess instabila konstruktion med risk f¨
or v¨
armeutveckling ¨
ar tekniken inte l¨amplig f¨or framdrivning av fordon.
F¨or att ladda fartyget kr¨
avs ackumulatorer som klarar snabb ladd- och urladdning.
NMC och LMO har problem med v¨armeutveckling vid snabb laddning och urladdning.
Att anv¨anda NMC eller LMO ger ett ackumulatorpaket med l˚
ag s¨akerhet vilket medf¨or
att ett avancerat kontroll- och kylsystem (BMS) m˚
aste anv¨andas. Kontrollenheten vid
anv¨andning av NMC och LMO kr¨
aver en noggrann state of charge-givare f¨or att ackumulatorn inte ska urladdas f¨
or djupt, d˚
a detta kan accelerera ˚
aldrandet av ackumulatorn.
Livsl¨
angden hos ackumulatorerna a¨r en h¨ogt prioriterad egenskap f¨or att motst˚
a
det h˚
arda cyklande som ackumulatorer uts¨atts f¨or d˚
a de laddas under en minut, upp
till 200 g˚
anger per dag, med en energif¨orbrukning p˚
a upp till 2000 kWh per dag. Den
ackumulator med h¨
ogst energidensitet ¨ar NMC men NMC lider av flera brister och en
kort livsl¨
angd precis som LMO (se tabell 5.1).
26
¨
¨
5.2. JAMF
ORELSE
MELLAN KONDESATORER OCH ACKUMULATORER
KAPITEL 5. RESULTAT
Ackumulatortypen LTO ¨
ar ungef¨ar 50 procent dyrare ¨an ¨ovriga litiumjonackumulatorer men har l¨
angre livsl¨
angd vilket g¨or att en h¨ogre investeringskostnad kan motiveras
vid val av LTO. En f¨
ordel med LTO ¨ar att hela 85 procent av SOC-omr˚
adet kan anv¨andas utan att livsl¨
angden f¨
ors¨
amras drastiskt samt att LTO klarar av h¨ogre laddeffekter
aldrandet p˚
askyndas.
¨an andra typer av litiumjon-ackumulatorer utan att ˚
¨
Den ackumulator som f¨
orfattarna anser vara mest l¨amplig f¨or Alvskytteln
baserat p˚
a
dess k¨orschema ¨
ar litium-titanat-ackumulatorn (LTO) trots ett h¨ogre pris d˚
a den klarar
av h¨oga laddeffekter och h˚
art cyklande b¨attre ¨an andra ackumulatorer p˚
a marknaden.
5.2
J¨
amf¨
orelse mellan kondesatorer och ackumulatorer
Det finns flera f¨
ordelar med kondensatorer j¨amf¨ort med ackumulatorer. Kondensatorer
kan avge h¨
og effekt samt laddas upp fort, vilket g¨or att de a¨r l¨ampliga i applikationer som
kr¨aver att energiinneh˚
allet fylls samt avges p˚
a kort tid. Livsl¨angden hos kondensatorer ¨ar
l¨angre ¨an ackumulatorer och klarar upp till en miljon laddcykler utan att dess prestanda
f¨ors¨amras n¨
amnv¨
art. I graf 5.2 visas hur livsl¨angden hos en kondensator ¨andras beroende
p˚
a vilken sp¨
anning den laddas med.
En nackdel med superkondensatorer ¨ar att de har v¨aldigt l˚
agt energiinneh˚
all per
massa och volym j¨
amf¨
ort med ackumulatorer. Enskilda celler har b˚
ade l˚
agt energiinneh˚
all
och l˚
ag sp¨
anning.
Kondensatorer och Ackumulatorer skiljer sig p˚
a ett par s¨att. Sp¨anningen hos en kondensator ¨
andras linj¨
art vid b˚
ade laddning och urladdning medan ackumulatorer tenderar
att ha en mer konstant sp¨
anning under sin urladdningscykel.
Figur 5.2: Graf som visar superkondensatorer f¨orslitning med avseende p˚
a sp¨anning
(Maxwell-Technologies, 2009b).
27
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
5.3
KAPITEL 5. RESULTAT
Tekniska koncept f¨
or energilagring
F¨or att presentera eventuella l¨
osningar f¨or energilagring togs tre koncept fram, ett med
litiumjon-ackumulatorer i form av LTO och ett med superkondensatorer samt ett med
litiumjonkondensatorer. Koncepten dimensionerades efter att energi˚
atg˚
angen f¨or en resa
ateruppladdas vid h˚
allplats. Koncepten utformades
¨ar 10 kWh och att denna energi skall ˚
p˚
a ett s˚
adant s¨
att att de dimensionerades inom ramarna f¨or den volym och vikt som
maskinrum och fartyget begr¨
ansas av.
5.3.1
Litiumjon-ackumulator-koncept
Vid dimensionering av ackumulatorpaket finns flera faktorer som p˚
averkar valet av paketets storlek. Den viktigaste faktorn f¨or ackumulatorn a¨r dess livsl¨angd, vilket beror p˚
a
¨
att ackumulatorerna kommer cyklas h˚
art d˚
a den anv¨ands i Alvskytteln.
En ackumulators
livsl¨angd begr¨
ansas av tv˚
a faktorer, dess ˚
alder samt antal laddcykler den uts¨atts f¨or.
Dimensionering b¨
or d¨
arf¨
or ske p˚
a ett s˚
adant s¨att att ackumulatorns antal cykler
begr¨ansar livsl¨
angden och inte p˚
a grund av ackumulatorns ˚
alder. Om ackumulatorn
begr¨ansas av dess ˚
alder tyder det p˚
a att ackumulatorpaketet varit ¨overdimensionerat
och att ett enklare ackumulatorpaket varit mer idealt.
Den cykliska livsl¨
angd styrs i f¨
orsta hand av tv˚
a faktorer, laddeffektens storlek och
hur stor del av SOC-omr˚
adet som anv¨ands. Ackumulatorns cykliska livsl¨angd ¨okar om
ett mindre SOC intervall anv¨
ands.
Hur mycket ackumulatorns cykliska livsl¨angd ¨okar vid minskat SOC-intervall vid
normal anv¨
andning ¨
ar sv˚
art att ber¨akna. Vid samtal med Jens Groot framkom att ett
ackumulatorpaket som dimensionerats s˚
a att en ¨overfart st˚
ar f¨or 10 procent av paketets
totala energiinneh˚
all b¨
or klara 10 000 cykler j¨amf¨ort med de 6000 ackumulatorpaketet
klarar vid full urladdning. F¨
or att ¨oka den cykliska livsl¨angden ytterligare b¨or ackumulatorn cyklas mellan 40-60 procent av SOC-omr˚
adet.
Vid mindre SOC-intervaller antas ackumulatorns cykliska livsl¨angd ¨oka ytterligare
med n˚
agra tusen cykler men livsl¨
angden f¨orl¨angs regressivt. En ¨okad cyklisk livsl¨angd vid
anv¨andning av mindre intervaller inneb¨ar att stora ackumulatorpaket ¨ar att f¨oredra. Vid
anv¨andning av stora ackumulatorer ¨okar fordonets vikt vilket leder till ¨okad energi˚
atg˚
ang
och d¨arf¨or b¨
or en balans mellan cyklisk livsl¨angd, livsl¨angd i ˚
ar, vikt och kostnad finnas.
En anv¨
andning d¨
ar ackumulatorpaketet startar dagen p˚
a 60 procent av energiinneh˚
allet medf¨
or l¨
angre cyklisk livsl¨
angd men inneb¨ar ocks˚
a att fartygen blir mindre flexibla
vid till exempel str¨
omavbrott i laddenheten eller f¨or anv¨andning p˚
a l¨angre str¨ackor ¨an
28
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
KAPITEL 5. RESULTAT
om fartygen varit fulladdade. Vid stormiga dagar b¨or ackumulatorn fulladdas eftersom
energi˚
atg˚
angen vid s˚
adana f¨
orh˚
allanden ¨okar kraftigt och laddeffekten kan ha sv˚
art att
r¨acka till.
¨
Vid dimensionering av ackumulatorpaketet f¨or Alvskyttel
1 & 2 har tre fall analyserats d¨ar det ena ¨
ar baserat p˚
a dagens k¨orschema f¨or de befintliga fartyg som trafikerar
str¨ackan Rosenlund - Lindholmspiren och det andra baserat p˚
a den f¨orfr˚
agan V¨asttrafik
¨
lagt f¨or Alvskytteln.
Ett tredje fall har ¨aven analyserats som baseras p˚
a att det inte sker
n˚
an laddning vid h˚
allplatserna utan att laddning ist¨allet sker i hamn ¨over natten.
Vid dimensionering antogs att maximalt 65 procent av ackumulatorpaketets totala
energim¨
angd fick anv¨
ands vid normal drift f¨or att inte ¨aventyra ackumulatorpaketets
¨
livsl¨angd i allt f¨
or stor utstr¨
ackning. Alvskyttel
1 & 2 antas maximalt f˚
a starta dagen
med 80 procent SOC viket inneb¨
ar att ackumulatorn inte f˚
ar passera under 15 procent
SOC vid normal drift.
Livsl¨
angden, sett till ˚
alder, f¨
or litiumtitanatackumulator antas precis som andra litiumjonackumulatorer vara 10 ˚
ar. Detta inneb¨ar att det anses meningsl¨ost att dimensionera ackumulatorn s˚
a att den cykliska livsl¨angden blir l¨angre a¨n livsl¨angden i ˚
ar.
Fall 1
I fall 1 ber¨
aknas den dagliga energikonsumtionen utifr˚
an fartygens nuvarande tidtabell
(se tabell A.1 Appendix S.IV) och utifr˚
an en uppskattad energif¨orbrukning p˚
a 10 kWh
per resa. Detta ger en daglig energif¨orbrukning p˚
a 1020 kWh vid 102 turer per dag (se
¨
ber¨akning appendix S.V). Laddtiden f¨or Alvskyttel
1 & 2 varierar under dygnet enligt
¨
graf 5.3. Av grafen framg˚
ar att f¨
or Alvskyttelns
driftsituation inneb¨ar att ackumulatorpaket st¨orre ¨
an 300 kWh kommer att slitas ut p˚
a grund av sin ˚
alder och inte p˚
a grund
av cyklandet.
Ett ackumulatorpaket som slits ut av ˚
alder skulle inneb¨ara att man inte f˚
ar ut maximalt med energi ur ackumulatorn och ger upphov till h¨ogre kostnader ¨an n¨odv¨andigt.
¨
Alvskyttel
1 & 2 kommer dimensioneras f¨or att klara 10 ton extra vikt f¨or test av ny teknik f¨or framdrivning. D˚
a uppskattning av kontrollenhet och laddutrustnings vikt saknas
antas en maximal vikt p˚
a ackumulatorpaketet p˚
a 5 ton.
Livsl¨
angden i ˚
ar ¨
ar 10 ˚
ar men kan variera och d¨arf¨or v¨aljs ett ackumulatorpaket
p˚
a 200 kWh f¨
or att p˚
a s˚
a s¨
att f˚
a en cyklisk livsl¨angd p˚
a 6,45 ˚
ar som b¨or garantera
att ackumulatorpaketet slits ut p˚
a grund av cyklandet. Ett ackumulatorpacket p˚
a 200
kWh inneb¨
ar att en laddeffekt p˚
a 300 kW kr¨avs f¨or att h˚
alla SOC-niv˚
an ¨over 15 pro-
29
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
KAPITEL 5. RESULTAT
cent om ackumulatorpaketet antas starta dagen med 80 procent SOC(se graf 5.3). Ett
ackumulatorpaket p˚
a 200 kWh kommer v¨aga att 3077 kg och ha en volym p˚
a 1,43m3 .
Fall 2
¨
Enligt underlaget ska Alvskyttel
1 & 2 vara i drift i fem minuter f¨oljt av en minut i
hamn, 20 timmar om dagen. Detta inneb¨ar att ackumulatorpaketet kommer att laddas
i en minut 200 g˚
anger per dag. Vid laddtid p˚
a en minut kommer laddeffekten beh¨ova
vara 600 kW f¨
or att ers¨
atta de 10 kWh som en ¨overfart kr¨aver.
Med en laddeffekt p˚
a 600 kW kan ackumulatorns SOC-niv˚
a h˚
allas p˚
a ett best¨amt
intervall under hela dagen d˚
a all energi f¨or en ¨overfart ¨overf¨ors vid laddning. Av grafen
Figur 5.3: Sk¨
arningspunkten mellan den cykliska och ˚
arliga livsl¨angden.
Figur 5.4: SOC vid fall 1 under tv˚
a timmar av dagen vilket representativt f¨or hela dagen.
30
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
KAPITEL 5. RESULTAT
¨
framg˚
ar att Alvskyttelns
driftsituation inneb¨ar att ackumulatorpaket st¨orre ¨an 550 kWh
kommer att slitas ut p˚
a grund av sin ˚
alder och inte p˚
a grund av cyklandet. D˚
a en direkt
ang till underlagets driftschema anses osannolikt b¨or ackumulatorn inte dimensio¨overg˚
neras ¨over 300 kWh f¨
or att klara att anv¨andas enligt dagens k¨orschema och ¨and˚
a vara
ekonomiskt l¨
onsamt.
Fartygen kommer att vara dimensionerade att klara 10 ton extra vikt f¨or test av
ny teknik f¨
or framdrivning och d¨
arf¨or anses att vikten f¨or ackumulatorpaketet inte b¨or
a uppskattning av vikt f¨or laddutrustning och kontrollenhet saknas.
¨overskrida 5 ton d˚
Ett ackumulatorpaket p˚
a 300 kWh valdes p˚
a grund av dess vikt och cykliska livsl¨angd.
F¨or att maximera ackumulatorns cykliska livsl¨angd b¨or ackumulatorn cyklas mellan
40-60 procent av SOC-omr˚
adet. Ackumulatorpaketet antas starta dagen p˚
a 50 procent
med hj¨alp av kontrollenheten och cyklas mellan 47-50 procent vid normal drift (se graf
5.6). Ber¨
akningar utifr˚
an energidensitet f¨or litium-titanat kommer ackumulatorpaketet
p˚
a 300 kWh v¨
aga 4,5 ton och ha en volym p˚
a 2,16m3 .
Fall 3
Vid avsaknad av laddstationer vid h˚
allplatserna Rosenlund och Lindholmspiren d¨ar ackumulatorpaketet laddas ¨
over natten i hamn inneb¨ar att ackumulatorpaketet m˚
aste di¨
mensioneras f¨
or att klara hela dagens energibehov. Energibehovet f¨or Alvskytteln
a¨r
enligt dagens driftschema 1020 kWh och 2000 kWh enligt underlaget vilket skulle inneb¨ara en erfordrad laddeffekt p˚
a 85 kW vid 12 timmars drifttid som dagens k¨orschema
och 500 kW vid anv¨
andning enligt underlaget. Vikten f¨or ett s˚
adant ackumulatorpaket
skulle bli mellan 16-31 ton och kosta 7-14 miljoner SEK. D˚
a fartygen ¨ar dimensionerade
att klara 10 ton extra last skulle ett koncept utan laddstationer medf¨ora allt f¨or stora
vikter f¨or att anses som en l¨
osning. Vid anv¨andning av ett s˚
adant koncept skulle en ackumulatortyp med h¨
ogre energidensitet s˚
a som NMC kunna anv¨andas. Problemet med
anv¨andning av NMC ¨
ar dess l˚
aga cykliska livsl¨angd vilket skulle inneb¨ara att ackumulatorpaketet skulle beh¨
ova ers¨
attas vart fj¨arde ˚
ar, vilket medf¨or stora kostnader som inte
anses h˚
allbara.
5.3.2
Koncept superkondensator
Ett koncept med superkondensatorer som energilager togs fram. I detta koncept r¨acker
enbart energin till en ¨
overfart f¨
or att sedan fulladdas d˚
a laddningstiden f¨or superkondensatorer a
agra sekunder. Superkondensatorpaketet kan dimensioneras till 10 kWh
¨r n˚
31
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
KAPITEL 5. RESULTAT
Figur 5.5: Variation vid fall 2 f¨or fartygens tid i hamn.
Figur 5.6: SOC vid fall 2 under hela dagen.
vilket medf¨
or att en laddeffekt p˚
a 600 kW erfordras f¨or att fulladda superkondensatorerna under den minut fartyget ¨
ar i hamn (f¨or ber¨akningar se A.1.2). Paketet kommer
best˚
a av 3300 celler d¨
ar varje cell har en kapacitans p˚
a 3000 F. 3300 celler ger en vikt
p˚
a tv˚
a ton och en volym p˚
a 1,7 m3 . Som reservkraft skulle ett mindre litiumjonackumu-
Figur 5.7: M˚
attangivelse f¨or superkapacitator i modul
32
¨ ENERGILAGRING
5.3. TEKNISKA KONCEPT FOR
KAPITEL 5. RESULTAT
latorpaket kunna anv¨
andas f¨
or att ¨
oka drifts¨akerheten vid stormiga f¨orh˚
allande eller vid
k¨orning av l¨
angre str¨
ackor som till exempel vid service och underh˚
all.
F¨or att f˚
a en uppskattning av hur stor plats superkondensatorerna kr¨aver i maskinrummet gjordes en ritning d¨
ar superkondensatorerna placerades ut. Vid denna visualisering anv¨
andes moduler med individuella kylsystem f¨or att absolut gardera ber¨akningen.
¨
F¨or fallet Alvskyttel
1 & 2 innebar detta att 74 moduler av modell BMOD0063 P125 (se
figur 5.7) beh¨
ovdes f¨
or att tillgodose energibehovet f¨or en ¨overfart. Modulerna placerades
i maskinrummet utefter l˚
angsidorna i rader om nio och kolumner om fem vilket ger plats
f¨or totalt 90 moduler (se figur:5.8). I det andra maskinrummet beh˚
alls en dieselgenerator
som reserv f¨
or ¨
okat flexibilitet samt h¨ogre drifts¨akerhet. I figur 5.8 syns att utrymme
finns f¨or anv¨
andning av superkondensatorer.
Figur 5.8: T¨
ankbar layout f¨or superkapacitorer i maskinrum
5.3.3
Koncept litiumjonkondensatorer
Ett koncept med litiumjonkondensatorer togs fram som inom ett par ˚
ar kan vara ett
alternativ till litiumjonackumulatorer och superkondensatorer. Energilagringen kan dimensioneras p˚
a samma s¨
att som f¨
or en superkondensator med 10 kWh. Som reservkraft
skulle ett mindre litiumjonackumulatorpaket kunna anv¨andas f¨or att ¨oka drifts¨akerheten
vid stormiga f¨
orh˚
allande eller vid k¨
orning av l¨angre str¨ackor som till exempel vid service.
Med en energidensitet p˚
a 12 Wh/kg kommer det att det kr¨avas 850 kg litiumjonkondensatorer p˚
a 3300 F f¨
or att t¨
acka energif¨orbrukningen f¨or en ¨overfart. F¨ordelen med
litiumjonkondensatorer ¨
ar att dess sp¨anning aldrig sjunker under 2,2 volt vilket g¨or att
st¨orre delen av SOC-omr˚
adet kan anv¨andas.
33
¨ ENERGIOVERF
¨
¨
5.4. TEKNISKA KONCEPT FOR
ORINGKAPITEL
5. RESULTAT
5.4
Tekniska koncept f¨
or energi¨
overf¨
oring
Koncept f¨
or s˚
av¨
al konduktiv som induktiv laddning togs fram. Konduktiv laddning ¨ar
ett enkelt s¨
att att ¨
overf¨
ora energi. Koncepten utformades f¨or att klara den erfordrade
laddeffekten p˚
a 300-600 kW fr˚
an energilagringsdimensioneringen och de s¨akerhetskrav
som g¨aller vid str¨
ommar av denna karakt¨ar.
5.4.1
Koncept Konduktiv ¨
overf¨
oring
¨
Ett koncept f¨
or att generera str¨
om till Alvskyttel
1 & 2 via konduktiv laddning arbetades
fram. Konduktiv ¨
overf¨
oring via kabel ans˚
ags inte vara en h˚
allbar l¨osning d˚
a en operat¨or
m˚
aste plugga in en kabel vid varje stopp. Ett moment d¨ar det kr¨avs en operat¨or f¨or att
ansluta laddningen ans˚
ags vara f¨
or tidskr¨avande och os¨akert. Koncepten togs fram s˚
a att
ingen operat¨
or beh¨
ovs f¨
or att ansluta utrustningen utan laddning ska starta automatiskt
n¨ar fartyget dockar och st¨
angs av vid avf¨ard.
Vid ¨overf¨
oring av stora str¨
ommar ¨ar s¨akerhet en viktig aspekt, dels vad det g¨aller
personskydd och dels baserat p˚
a de situationer som kan uppst˚
a om fartyget b¨orjar driva.
Figur 5.9: Fartyg utrustat med pantograf.
Fartyget utrustas med en eller tv˚
a pantografer som ¨ar placerade p˚
a passagerarfartygets tak (se figur 5.9). Vid laddning f¨alls pantograferna upp mot tv˚
a ¨overh¨angande
kontaktskenor. Fartyget f˚
ar god kontakt med hj¨alp av den tryckmekanism som verkar
mot kontaktskenorna. Kontaktskenorna ¨ar monterade i flytbryggan vilket inneb¨ar att de
har god f¨
oljsamhet och d¨
armed kommer avst˚
andet mellan fartyg och kontaktskenorna
vara snarlika oavsett vattenst˚
and.
Vid ¨overf¨
oring via pantograf kr¨avs tv˚
a kontaktskenor, en f¨or fasen och en f¨or returstr¨om. Genom pantografen laddas fartyget under tiden den st˚
ar i hamn. N¨ar fartyget
alls pantograferna ner s˚
a att fartyget kan l¨amna hamn. De pantografer som
¨ar laddat f¨
34
¨ ENERGIOVERF
¨
¨
5.4. TEKNISKA KONCEPT FOR
ORINGKAPITEL
5. RESULTAT
skulle kunna anv¨
andas f¨
or fartyget kan vara av samma modell som de som anv¨ands vid
j¨arnv¨ag eller sp˚
arv¨
ag.
Drifts¨
akerheten f¨
or denna typ av ¨overf¨oring ans˚
ags god d˚
a det ¨ar en bepr¨ovad teknik
inom j¨arnv¨
ag och sp˚
arv¨
ag d¨
ar kontaktskenan uts¨atts f¨or st¨orre krafter j¨amf¨ort med detta
¨
fall. Overf¨
oring av str¨
om via pantografer kr¨aver en relativt stor installation p˚
a fartygets
tak samt str¨
omskenor h¨
angande i luften ¨over vattnet. Monteras pantografer p˚
a taket sker
a en relativt s¨
aker plats l˚
angt ifr˚
an passagerare vilket ger en god s¨akerhet
¨overf¨oringen p˚
mot sp¨anning.
Konduktiv laddning av fartygen via pantografer b¨or inte vara k¨anslig mot isbildning
d˚
a pantograferna ¨
ar relativt strykt˚
aliga och kan genom friktion skrapa bort is samtidigt
som ledarna utvecklar v¨
arme. Vid anv¨andning av pantografer f¨or ¨overf¨oring kan i stort
s¨att befintlig teknik fr˚
an j¨
arnv¨
agspantografer anv¨andas med den stora skillnaden att det
inte finns n˚
agon r¨
al som fungerar som ˚
aterledare utan ist¨allet kr¨avs en ˚
aterledare p˚
a
fartyget.
5.4.2
Koncept Induktiv ¨
overf¨
oring
¨
Ett koncept f¨
or att generera str¨
om till Alvskyttel
1 och 2 via induktiv laddning arbetades
fram. Konceptet som togs fram bygger p˚
a induktionsteknik f¨or ¨overf¨oring av str¨om.
Fartyget skulle kunna utrustas med tv˚
a kollektorer monterade i f¨oren respektive aktern
p˚
a fartyget. Fartyget kan med hj¨
alp av kollektorplattorna docka mot en induktorplatta
monterad p˚
a bryggan f¨
or att induktivt ¨overf¨ora str¨om f¨or laddning av fartyget. Vid
induktiv laddning skulle Bombardiers teknik, som anv¨ands i Primove, kunna anv¨andas.
Induktionsplattan beh¨
over endast vara aktiverad n¨ar fartyg ligger i hamn, aktivering
av induktorplattan kan ske med hj¨alp av exempelvis RFID, en teknik f¨or att identifiera
enheter med radiofrekvenser. Det ¨ar l¨ampligt att induktorplattan ¨ar avsk¨armad f¨or att
minska interferens med o
¨vrig elektronisk utrustning.
Ett koncept med induktion ger en ¨overf¨oring som b˚
ade ¨ar v¨al skyddad och s¨aker f¨or
omgivningen. Den stora begr¨
ansningen med induktions¨overf¨oring ¨ar att den begr¨ansas
av vilken effekt som ¨
ar m¨
ojlig att ¨
overf¨ora samt vilken storlek som induktor och kollektor
kr¨aver p˚
a bryggan respektive fartyget. Fartyget kr¨aver en likriktare f¨or att kunna ladda
energilagret med likstr¨
om.
Drifts¨
akerheten f¨
or induktiv laddning f¨orh˚
aller sig god d˚
a delar sitter b¨attre kapslade. Med induktions¨
overf¨
oring kan ¨
overf¨oringen sitta p˚
a ett st¨alle som normalt uts¨atts f¨or
35
5.5. KOMBINERADE SLUTKONCEPT
KAPITEL 5. RESULTAT
v¨ata vid ¨
overfart. Vid induktiv ¨
overf¨oring ¨ar det sv˚
arare att uppskatta eventuell problematik som kan t¨
ankas uppst˚
a d˚
a tekniken inte ¨ar bepr¨ovad i samma utstr¨ackning som
konduktiv ¨
overf¨
oring, Bombardier h¨avdar dock att drifts¨akerheten ¨ar h¨og vid induktiv
¨overf¨oring med deras teknik.
Figur 5.10: Fartyg utrustat med induktionsplattor.
5.5
Kombinerade slutkoncept
Koncepten f¨
or energilagring och energi¨overf¨oring kombinerades ihop till tre slutkoncept.
Energilagringskoncepten med litiumjonackumulator och superkondensatorer ans˚
ags som
ett alternativ redan idag och kombinerades d¨arf¨or ihop med konceptet f¨or konduktiv
ags inte som en f¨ardig teknik f¨or energilagring
¨overf¨oring. Litiumjonkondensatorer ans˚
men som en m¨
ojlighet inom ett par ˚
ar och kombinerades ihop med konceptet f¨or induktiv
laddning och bildade ett koncept som mycket v¨al kan bli verklighet inom ett par ˚
ar n¨ar
tekniken har mognat. Slutkoncepten i kortfattad form:
Koncept 1
Ett litiumjonackumulatorpaket som dimensioneras efter k¨orschemat och laddas via konduktiv ¨
overf¨
oring via en pantograf som vid dockning hissas upp mot en ledare och hissas
ner vid avf¨
ard.
Koncept 2
Ett paket med superkondensatorer som dimensioneras efter energibehovet f¨or en resa
och laddas via konduktiv ¨
overf¨
oring via en pantograf som vid dockning hissas upp mot
en ledare och hissas ner vid avf¨
ard.
36
5.6. KOSTNADSANALYS AV KONCEPT
KAPITEL 5. RESULTAT
Koncept 3
Ett litiumjonkondensatorpaket som dimensioneras efter energibehovet f¨or en resa och
laddas via induktiv ¨
overf¨
oring med hj¨alp av en induktor i hamn och en kollektor p˚
a
fartyget.
5.6
Kostnadsanalys av koncept
F¨or att analysera ekonomiska aspekter vad g¨aller investeringskostnader f¨or energilagringen, energi¨
overf¨
oring och driftkostnader samt hur de skiljs ˚
at f¨or de olika koncepten
genomf¨
ordes en kostnadsanalys (se tabell 5.2). Kostnaderna f¨or koncepten ber¨aknades
utifr˚
an en period om 20 ˚
ar med tv˚
a fartyg i drift och j¨amf¨ordes med driftkostnaden f¨or
dagens dieseldrivna fartyg.
Om kostnaden f¨
or en kilowattimme fr˚
an eln¨atet antas vara en krona ber¨aknas den
dagliga kostnaden ligga mellan 1020 och 2000 SEK f¨or framdrift per fartyg. Antalet kWh
som f¨orbrukas under dagen b¨
or vara lika varandra f¨or de olika koncepten men kan skilja
i den m˚
an att olika tekniker f¨
or ¨
overf¨oring ger olika mycket f¨orluster. F¨orluster sker i
form av att energin omvandlas till v¨arme som i sin tur ger outnyttjade energim¨angder.
Energif¨
orbrukningen kan ¨
aven p˚
averkas av den vikt de olika koncepten v¨ager.
Kostnader f¨
or laddstationer b¨or vara densamma om samma typ av ¨overf¨oring anv¨ands oavsett vilken typ av energib¨arare koncepten inkluderar. Vad g¨aller laddstationer
ligger en kostnad b˚
ade f¨
or framdragning av str¨om samt en investeringskostnad f¨or sj¨alva
ade p˚
a land och ombord p˚
a fartyget. Till investeringskostnaden tillkommer
¨overf¨oringen b˚
en underh˚
allskostnad.
Den enhet som har dyrast kontrollenhet b¨or vara superkondensatorer d˚
a dess sp¨anning sjunker mer drastiskt ¨
an andra typer av energilager, vilket g¨or att kontrollenheten
blir mer komplex. Denna skillnad b¨or dock vara marginell. Vad g¨aller kylning av kondensatorer respektive ackumulatorer b¨or dessa inte skiljas n¨amnv¨art utan kan antas vara
samma. Dieselgeneratorerna b¨
or redan idag anv¨anda n˚
agon form av v¨atskekylning som
kan anv¨andas till kylning av energilagerpaketet.
5.6.1
Koncept 1
I koncept 1 d¨
ar litiumtitanatackumulator anv¨ands kommer ackumulatorpaketet att cyklas
mellan 3 och 7 g˚
anger per dag vilket ger en f¨orv¨antad livsl¨angd p˚
a 1500-3500 dagar med
en livsl¨
angd p˚
a 12 000 cykler (se ber¨akning Appendix A.2.1).
37
5.6. KOSTNADSANALYS AV KONCEPT
KAPITEL 5. RESULTAT
Tabell 5.2: Investeringskostnader och driftkostnader f¨or ett fartyg
Koncept 1
Koncept 2
Koncept 3
Nuvarande
Kostnad per energilager [tkr]
2100-3 150
891
1 020
Energilager, 20 ˚
ar [tkr]
6 300 - 12 600
1 782
2 040
Kontrollenhet [tkr]
1 260 - 2 520
356
408
Driftkostnad [tkr/dag]
1,02-2
1,02-2
1,02-2
3,2-7,5
Driftkostnad, 20 ˚
ar [tkr]
8 760-14 600
8 760-14 600
8 760-14 600
35 100 - 70
000
Under 20 ˚
ar kommer ackumulatorpaketet beh¨ova bytas ut 3-6 g˚
anger p˚
a grund av att
ackumulatorernas cykliska livsl¨
angd f¨orbrukas. Kostnaden f¨or celler till en litiumtitanatackumulator med kapacitet mellan 200-300 kWh ber¨aknas till 2 100 000 - 3 150 000
SEK om kostnaden f¨
or litium-titanat antas vara $1500/kWh. Byts ackumulatorpaketet
ut mellan 3 och 6 g˚
anger under en tjugo˚
arsperiod blir cellkostnaden mellan 6 300 000
och 12 600 000 SEK per fartyg. Till kostnaden f¨or cellerna tillkommer en styrenhet samt
ett kylsystem som b¨
or kunna ˚
ateranv¨andas vid byte av celler.
5.6.2
Koncept 2
Superkondensatorpaketet kommer att cyklas mellan 102 och 200 g˚
anger per dag vilket ger en f¨
orv¨
antad livsl¨
angd p˚
a 13-27 ˚
ar baserat p˚
a antalet cykler, Detta betyder att
kondensatorn begr¨
ansas av det faktum att kondensatorn har en livsl¨angd p˚
a 10 ˚
ar fr˚
an
tillverkningsdatumet. Kondensatorpaketet kommer d˚
a att beh¨ova bytas tv˚
a g˚
anger inom loppet av 20 ˚
ar. Kostnaden f¨or cellerna till kondensatorpaketet ber¨aknas till 891
000 SEK, vilket ger en kostnad p˚
a 1 782 000 SEK under en period om 20 ˚
ar per fartyg. Ut¨
over kostnad f¨
or kondensatorer kan en kostnad f¨or en buffert i form av enklare
litiumjonackumulatorer tillkomma, d¨ar en bra buffert skulle kunna vara 50 kWh.
5.6.3
Koncept 3
Livsl¨angden hos en litiumjonkondensator r¨aknat till antalet cykler b¨or vara kortare ¨an f¨or
en klassisk kondensator men l¨
angre ¨an ackumulatorer, p˚
a grund av att anoden ¨ar mer
k¨anslig i denna konstruktion. I ackumulatorer slits katoden fortast men ¨aven anoden,
vilket b¨or leda till att litiumjonkondensatorers anod som liknar den i ackumulatorer
slits ut fortast. Litiumjonkondensatorn antas ha n˚
agot kortare livsl¨angd ¨an klassiska
38
5.7. SWOT
KAPITEL 5. RESULTAT
kondensatorer r¨
aknat i antalet cykler, f¨or ber¨akningar f˚
ar detta dock liten betydelse.
Litiumjonkondensatorpaketet kommer att cyklas mellan 102 och 200 g˚
anger per dag
vilket ger en f¨
orv¨
antad livsl¨
angd p˚
a 12-26 ˚
ar baserat p˚
a antalet cykler.
Antas livsl¨
angden f¨
or kondensatorn, r¨aknat i ˚
ar, precis som f¨or superkondensatorer
vara 10 ˚
ar fr˚
an tillverkningsdatum beh¨over ¨aven litiumjonkondensatorn bytas ut tv˚
a
g˚
anger inom en period om 20 ˚
ar. Styckpriset f¨or fartygens kondensatorpaket ¨ar 1 020
000 kronor. Kostnaden f¨
or tv˚
a upps¨attningar med litiumjonkondensatorer ber¨aknas till
2 040 000 kronor.
5.6.4
Dagens Framdrivning
Dieselkostnaden f¨
or framdrivning ¨
ar 35 100 000 SEK under 20 ˚
ar f¨or ett fartyg givet
att fartygen k¨
or med diesel som ¨ar skattefri p˚
a en kostnad av 7,5 kronor per liter.
Dieselkonsumtionen ¨
ar baserad p˚
a Styrs¨obolagets uppgifter d¨ar dagens fartyg g¨or ˚
at
med ungef¨
ar 4500 liter diesel per vecka.
Med en diesel-elektrisk framdrivning kr¨aver b˚
ade dieselgeneratorn och elmotorn underh˚
all. Anv¨
ands ett elektriskt system utan dieselgenerator eller d¨ar dieselgeneratorn
anv¨ands mindre b¨
or underh˚
allet minska samt drifts¨akerheten ¨oka d˚
a f¨arre kritiska komponenter anv¨
ands.
5.7
SWOT
F¨or att j¨
amf¨
ora elektrisk med dieselelektriskt framdrift gjordes en SWOT-analys. H¨ar
listas de f¨
ordelar, nackdelar, m¨
ojligheter och hot som kan uppst˚
a vid val av elektrisk
framdrift med hj¨
alp av ackumulator eller kondensatorer. SWOT:en visar styrkor och
svagheter inom flera olika omr˚
aden (se figur 5.11).
5.8
Ruttplanering
Vid ¨overfart ¨
over ¨
alven ¨
ar ruttplanering viktigt utifr˚
an det behov som finns med antal
passagerare som skall ¨
over ¨
alven. F¨or att transportera det h¨oga antalet resen¨arer under
morgontimmarna ¨
ar turt¨
atheten h¨og och fartygens tid i hamn kort. H¨og turt¨athet ger
god service f¨
or passagerarna d˚
a v¨
antetiden blir kortare och f¨arjorna blir inte maxlastade,
vilket i sin tur ger gott om utrymme ombord.
Vid h¨
og turt¨
athet kr¨
avs att mycket energi ¨overf¨ors p˚
a kort tid. Det g¨or att denna
tidpunkt p˚
a dygnet a
¨r den mest kritiska vilket kr¨aver att ackumulatorpaketet och ladd39
5.8. RUTTPLANERING
KAPITEL 5. RESULTAT
Figur 5.11: Swotanalys el- kontra dieselelektrisk-framdrift
ningseffekten ¨
ar tillr¨
ackligt dimensionerad. Vid ruttplanering inverkar b˚
ade k¨orhastighet,
k¨orschema och val av drivmedel fartygets m¨ojlighet att drivas av str¨om fr˚
an eln¨atet. K¨orhastighet och k¨
orschema p˚
averkar fartygets tid i hamn som i sin tur p˚
averkar n¨odv¨andig
laddeffekt.
Laddeffekten skulle kunna dimensioneras p˚
a ett s˚
adant s¨att att fartygen klarar alla
armed t¨
acker energibehovet under dygnet med endast kondensatorer eller
¨overfarter och d¨
ackumulatorer. En s˚
adan dimensionering kr¨aver h¨og prestanda vad g¨aller kondensatorer,
ackumulatorer samt laddeffekt. F¨
ordelen med att dimensionera enligt denna modell a¨r
att planering f¨
or framtida rutt blir l¨attare om turt¨atheten tenderar att ¨oka.
Figur 5.12: L¨
agst n¨
odv¨
andig laddeffekt vid 9,5 knop kr¨aver en ¨overf¨oringseffekt p˚
a 457 kW
under 123 sekunder.
40
5.8. RUTTPLANERING
KAPITEL 5. RESULTAT
Energipaketet kan ¨
aven dimensioneras f¨or att t¨acka 80 procent av turerna under
dagen baserat p˚
a dagens rutter d¨
ar energibehovet f˚
as fr˚
an dieselgeneratorerna under de
mest kritiska tiderna p˚
a dygnet. Med en s˚
adan dimensionering beh¨over inte effekten vid
h˚
allplatserna vara lika h¨
og d˚
a hamntiden vid h˚
allplatsen ¨ar l¨angre under stora delar av
dygnet.
Val av hastighet har en avg¨
orande betydelse f¨or hur mycket energi fartyget kr¨aver,
en vanlig uppskattning f¨
or fartygs effektbehov f¨orh˚
aller sig till hastigheten i kvadrat.
Vid de mest kritiska ¨
overfarterna p˚
a dygnet d¨ar tiden i hamn ¨ar kort ger en h¨ogre
angre laddning vilket inneb¨ar att effekten hos laddningsstationen
¨overf¨oringshastighet l¨
kan skalas ner samtidigt som det medf¨or att varje ¨overfart kr¨aver mer m¨angd energi.
Vid optimering utifr˚
an ett s˚
a l˚
agt effektbehov vid h˚
allplats som m¨ojligt f˚
as att l¨agst
laddningseffekt ges vid 9,5 knops o
a a¨r tid kontra f¨orbrukning mest
¨verfartshastighet. D˚
optimalt. Vid ¨
overfart i 9,5 knop kr¨avs 60 procent h¨ogre energibehov f¨or ¨overfart medan
tiden som fartyget ¨
ar i hamn ¨
andras fr˚
an 60 sekunder till 123 sekunder j¨amf¨ort med den
planerade ordinarie rutt p˚
a 7,5 knop. Utifr˚
an ber¨akningar skulle det kr¨avas en effekt
vid laddstation p˚
a 457 kW f¨
or att ladda 9,75 kWh under 123 sekunder (se figur 5.12
samt appendix A), vid h¨
ogre hastigheter kan dock energibehovet vara proportionellt till
hastigheten i kubik.
41
6
Slutsats
R
apporten visar att det ¨
ar fullt m¨ojligt att byta fr˚
an ett diesel-elektriskt system
till ett system d¨
ar el till fartygen kommer fr˚
an markn¨atet. Det f¨oreligger dock
¨
problematik med elektrifiering av Alvskytteln
vad g¨aller investeringskostnader f¨
or laddutrustning samt energilagring. Utveckling av eldrivna fartyg a¨r
fortfarande i stor utstr¨
ackning p˚
a id´estadie vilket inneb¨ar att teknik ¨ar obepr¨ovad i detta
sammanhang.
Fartygens effektbehov beror p˚
a flera parametrar, bland annat v¨ader, vind och str¨ommar. Fartygens effektbehov styrs a
¨ven av dess hastighet samt hur fartygen a¨r lastade. Vid
h¨ogre hastighet ¨
over ¨
alven kr¨
avs mer energi d˚
a fartygens effektbehov ¨okar propotionellt
med fartygens hastighet i kvadrat. Rapporten visar att vind har en stor p˚
averkan f¨or
fartygen och att energif¨
orbrukningen f¨or en ¨overfart kan variera fr˚
an 6 kWh vid vindstilla
f¨orh˚
allanden till 11 kWh vid 15 m/s motvind.
Rapporten visar tre m¨
ojliga tekniska fartygskoncept f¨or energilagring samt energi¨overf¨oring. Vid val av energilager anses kondensatorer mer l¨ampade ¨an ackumulatorer p˚
a
grund den h¨
oga energif¨
orbrukning och korta laddtider som skytteltrafik inneb¨ar vilket
f¨orkortar livsl¨
angden hos ackumulatorer kraftigt. Vid anv¨andning av kondensatorer kan
energilagret dimensioneras till 10 kWh f¨or att klara en ¨overfart.
Vid laddning kan b˚
ade konduktiv och induktiv ¨overf¨oring anv¨andas f¨or fartygen. Konduktiv ¨
overf¨
oring ¨
ar enklare medan induktiv ¨overf¨oring ¨ar mer komplex och fortfarande
under utveckling.
Laddning kan ske konduktivt via pantografer p˚
a fartygens tak som ansluts automa-
43
KAPITEL 6. SLUTSATS
tiskt mot ledare vid dockning i hamn. Vid val av induktiv laddning beh¨ovs induktorplattor p˚
a land samt kollektorplattor p˚
a fartyget. Induktorplattan kan placeras p˚
a bryggan
eller utmed en pir. Placeras kollektorplattan i f¨oren vid landg˚
angen eller utmed skrovet
p˚
a fartygets sidan kan kollektorplattan komma i kontakt med induktorplattan och p˚
a
s˚
a vis ¨overf¨
ora str¨
om. Val av placering f¨or plattorna b¨or g¨oras med avseende p˚
a specifik
teknik utifr˚
an hur stora anl¨
aggningsytor som kr¨avs f¨or erforderlig laddeffekt.
44
7
Diskussion
D
¨
en process som kr¨
avs f¨
or att elektrifiera Alvskytteln
¨ar komplex i de avseende
att det projektet ¨
ar unikt av den anledningen att f˚
a lyckade f¨ors¨ok med att
elektrifiera st¨
orre fartyg gjorts. I samband med denna rapport har flertalet
litteraturs¨
okningar gjorts f¨or att unders¨oka om liknande l¨osningar gjorts f¨or
andra fartyg men med negativt utfall. Det finns fartyg som drivs av el men de anv¨ands
i annat syfte eller skiljer sig i konstruktion v¨aldigt mycket. De fartyg som drivs med el
idag ¨ar oftast av mindre storlek med f¨arre antal passagerare. Resonemang i rapporten
f˚
ar ofta tas fr˚
an andra fordon d¨
ar forskning kommit l¨angre.
¨
Problematik med elektrifiering av Alvskytteln
uppst˚
ar framf¨orallt g¨allande vilken
typ av energilagring som ¨
ar ekonomisk att anv¨anda d˚
a livsl¨angden hos ackumulatorer
fortfarande ¨
ar kort f¨
orh˚
allande till dess pris. Forskning och utveckling vad det g¨aller ackumulatorer sker i stor utstr¨
ackning och ¨ar ett komplext problem n¨ar det g¨aller bland annat
livsl¨angd. Ackumulatorer har en begr¨ansad livsl¨angd och fartygens h˚
arda k¨orschema f¨orbrukar livsl¨
angden hos ackumulatorerna relativt snabbt. Livsl¨angden hos ackumulatorer
p˚
averkas av flera faktorer, bland annat temperatur, vilken del av SOC-omr˚
adet som anv¨ands och laddeffekt. Detta g¨
or det sv˚
art att f¨orutse livsl¨angd och kr¨aver faktiska tester
f¨or att f˚
a fram ett korrekt resultat.
Vad det g¨
aller kondensatorer eller hybridkondensatorer l¨ampar sig dessa b¨attre f¨or
denna applikation d˚
a energib¨
ararens vikt och volym inte ter sig kritiskt f¨or att klara
de korta avst˚
and en transport ¨
over ¨alven kr¨aver. Fartyget beh¨over d˚
a ges m¨ojlighet att
laddas med erforderlig effekt f¨
or att fyllas p˚
a med tillr¨acklig energi f¨or att klara o¨verfart
45
KAPITEL 7. DISKUSSION
¨over ¨alven.
F¨or laddning av fartyg finns flera m¨ojligheter vad g¨aller str¨om¨overf¨oring. I denna
applikation finns det flera parametrar som b¨or tas i beaktande vid val av ¨overf¨oring.
Vid ¨overf¨
oring skall laddningsstationen konstrueras p˚
a ett s¨att d¨ar h¨oga str¨ommar kan
a
¨overf¨oras automatiskt, ekonomiskt och s¨akert. Vad g¨aller ¨overf¨oringen b¨or den ske p˚
ett ekonomiskt s¨
att s˚
a att ¨
overf¨
oringen sker utan stora energif¨orluster samt att anl¨aggningskostnaden h˚
alls l˚
ag, detta samtidigt som inte tummas p˚
a s¨akerheten. Sker det stora
energif¨orluster vid ¨
overf¨
oringen leder det till ¨okade kostnader n¨ar anl¨aggningen ¨ar i drift.
F¨or att ladda fartyget kr¨
avs att man tar str¨om fr˚
an eln¨atet. Det ¨ar l¨ampligt att ¨overf¨oringen f¨
oljer standarder vad g¨
aller sp¨anning utan att str¨ommarna blir f¨or stora vilket
leder till v¨
armeutveckling.
¨
Vidare rekommendationer vad g¨aller elektrifiering av Alvskytteln
a¨r att det b¨or g¨oras
en unders¨
okning inom ett par ˚
ar d˚
a teknik f¨or hybridkondensatorer har testats och finns
p˚
a marknaden samt n¨
ar induktiv ¨
overf¨oring blir mer vanlig och tillverkas i st¨orre volymer
till ett l¨agre pris.
Det b¨
or inte vara n˚
agra st¨
orre hinder f¨or att f˚
a fungerande o¨verf¨oring vad g¨aller konduktiv teknik i den h¨
ar applikationen d˚
a det redan idag finns flera s¨att att automatiskt
ansluta en kollektor till eln¨
atet, exempelvis via pantografer.
¨
Vid ¨overg˚
ang till elektricitet fr˚
an eln¨atet som drivmedel till Alvskytteln
ligger det
stora investeringskostnader med fasta kostnader f¨or byggnation av laddningsh˚
allplatser
samt infrastruktur och investeringskostnader f¨or energilagring samt tillh¨orande kontrollenhet. Med en stor investeringskostnad kr¨avs en omfattande f¨orstudie f¨or att uppn˚
a ett
gott resultat vid val av komponenter f¨or att f˚
a god ekonomi samt en h¨og drifts¨akerhet.
¨
F¨orfattarnas ˚
asikt ¨
ar att det ¨
ar m¨ojligt att elektrifiera Alvskytteln
redan idag men
att det ¨
ar sv˚
art att motivera de investeringskostnader detta inneb¨ar d˚
a ackumulatorers
livsl¨angd kraftigt begr¨
ansar en ekonomiskt h˚
allbar l¨osning. Redan idag finns kondensatorer att tillg˚
a som kan anv¨
andas till fartygen men priset f¨or kondensatorer ser ut att
minska i framtiden vilket kan motivera ett senare beslut om investering.
¨
I samband med att dieselgeneratorerna som monteras i Alvskytteln
beh¨over bytas ut
kan en kalkyl d¨
ar kostnaden f¨
or aktuella priser f¨or energilager g¨oras.
Vid anv¨
andning av kondensatorer begr¨ansas fartygets r¨ackvidd kraftigt d˚
a konstruktionen enklast g¨
ors p˚
a ett s˚
adant s¨att att fartyget laddas fullt vid varje h˚
allplats f¨or
att ta sig till n¨
asta h˚
allplats, plus en eventuell marginal, detta f¨or att minimera vikten
f¨or kondensatorer. Konstruktion g¨or det sv˚
art att anv¨anda samma typ av teknik i sk¨arg˚
ardstrafik d¨
ar avst˚
anden mellan h˚
allplatser tenderar att vara l¨angre vilket inneb¨ar att
46
KAPITEL 7. DISKUSSION
en st¨orre volym och vikt av fartyget m˚
aste avs¨attas ˚
at kondensatorer samt kontrollenhet
med kylsystem.
Rekommendationen vad g¨
aller maskinrummen vid ¨overg˚
ang till eldrift ¨ar att ett rum
b¨or beh˚
allas med dieselgenerator. Detta f¨or att fartyget d˚
a f˚
ar en l¨angre r¨ackvidd om
det beh¨over positionera sig till en annan punkt samt att detta separata system ger
en h¨ogre flexibilitet vid underh˚
all av den elf¨orsedda delen av drivlinan men ger ocks˚
a
h¨ogre drifts¨
akerhet utifr˚
an de g˚
anger fartygen uts¨atts f¨or h˚
ard sj¨o och vind som ¨okar
energi˚
atg˚
angen f¨
or fartygen.
Kostnader vid ber¨
akningar i denna rapport ¨ar baserade utifr˚
an de nyckeltal som anv¨ands inom branschen samt akademin. Dessa har visat sig skilja sig fr˚
an verkliga v¨arden
fr˚
an tillverkare d˚
a specialsydda l¨
osningar tenderar att ha ett h¨ogre pris ¨an serietillverkade produkter. Leverant¨
orer b¨
or kontaktas samt ges m¨ojlighet att l¨amna offert f¨or att
ett noggrannare och ett mer exakt pris vad g¨aller kostnad f¨or energilager. Vidare b¨or
kostnader f¨
or kontrollenhet utv¨
arderas d˚
a f¨orfattarna gjort antagandet att kostnaden f¨or
kontrollenhet ¨
ar samma oavsett val av energilagringsenhet.
Hybridbussar har f¨
ordelen att deras bromsverkan g˚
ar att koppla direkt till en generator som saktar in fordonet vid h˚
allplatser, liknande teknik skulle kunna anv¨andas p˚
a
¨
propellern p˚
a Alvskytteln. Det f¨
orekommer dock problematik d˚
a fartygets bromsverkan
i huvudsak best˚
ar av den m¨
angd vatten skrovet pl¨ojer undan. Propellerns bromsverkan
hos fartyget f˚
ar f¨
orsumbar effekt och d¨armed blir det sv˚
art att anv¨anda sig av en liknande
l¨osning.
Problematik kring de fartyg som analyseras i rapporten uppst˚
ar p˚
a grund av att de
a l¨ange inte ¨
ar presenterade eller byggda och att det s˚
aledes inte finns n˚
agra exakta
¨an s˚
v¨arden f¨
or br¨
ansle˚
atg˚
ang. D¨
armed b¨or verkliga tester utf¨oras f¨or att ta reda p˚
a vilken
ampar sig b¨ast f¨or fartygen, hur fartygens br¨ansle˚
atg˚
ang ten¨overf¨oringshastighet som l¨
derar att skiljas vid olika farter samt fartygets faktiska energi˚
atg˚
ang beroende p˚
a v¨ader,
str¨ommar och vind. Faktiska tester kan g¨oras f¨orst n¨ar fartyget ¨ar tillverkat och satt
i trafik, eftersom man endast d˚
a kan analysera och utv¨ardera fartygens viktk¨anslighet.
Vidare kan en mer exakt ber¨
akning g¨oras n¨ar det vinnande anbudet a¨r publicerat och
producerat.
M˚
alet med arbetet var att minska dieselanv¨andningen och rapporten byggde i hu¨
vudsak p˚
a att fr˚
ang˚
a diesel och driva fartyget fr¨amst med el fr˚
an eln¨atet. Aven
sm˚
a
f¨orb¨attrings˚
atg¨
arder kan minska fartygets br¨anslebehov. Vid utbyggnad av snabbladdning f¨or fartygen b¨
or den g¨
oras p˚
a ett s¨att d¨ar el fr˚
an eln¨atet blir fartygets prim¨ark¨alla
vad g¨aller energi, detta f¨
or att motivera investeringskostnader.
47
Litteraturf¨
orteckning
Battery-University (2011a). Lithium-based batteries. Technical report, Battery University.
Battery-University (2011b). Lithium-based batteries. Technical report, Battery University.
Battery-University (2011c). Types of lithium-ion. Technical report, Battery University.
Bilodeau, G. and p. Eng (2011). Primovecity: The game changer in e-mobility. Technical
report, Bombardier.
Boston-University (1999). Applications of electromagnetic induction. Technical report,
electro.
Burke, A. and M. Marshall (2009). Performance characteristics of lithium-ion batteris
of various chemestries for plug-in hybrid vehicles. Technical report, University of
California-Davis, Institue of Transporation Studies, Califronia 95616.
CMAL (2012). Hybrid ferries project. Technical report, -.
Dinger, A., R. Martin, X. Mosquet, M. Rabl, D. Rizoilis, M. Russo, and g. Sticher (2010).
Batteries for electric cars. Technical report, The boston consulting group.
Galeotti, G., M. Galanti, S. Magrini, and P. Toni (1993). Servo actuated railway pantograph for high-speed running with constant contact force. Technical report, Institution
of Mechanical Engineers.
Green-Car-Congress (2011, 6). Mitsubishi motors selects toshiba scib for evs. Technical
report, Green-Car-Congress.
48
¨
LITTERATURFORTECKNING
¨
LITTERATURFORTECKNING
Groot, J. (2012a). muntlig k¨
alla. Technical report, Chalmers Tekniska H¨ogskola.
Groot, J. (2012b). State-of-health estimation of li-ion batteries: Cycle life test methods. Technical report, Chalmers University of Technology, Department of Energy
and Enviroment.
JM-Energy (1999). feature of lic. -.
JSR-Micro (2011). Lithium ion capacitor. Technical report, -.
¨
Karlsson, R. (2011). Utvecklingspotential Alvskytteln.
Technical report, SSPA Sweden
AB.
K˚
are, A. (2003). Maritime electrical installations and diesel electric propulsion. Technical
report, ABB AS.
Lerner, M. (1999, 9). How do rechargeable (that is, zinc-alkaline or nickel-cadmium)
batteries work and what makes the reactions reversible in some batteries, but not in
others? Scientific American.
Louis, D. (2012). mail.
Lundgren, T., R. West¨
o¨
o, L. Winell, and B. ˚
Akerberg (1982). Elkraft teknisk handbok 1.
Esselte studium.
Maxwell-Technologies (2009a). Drawing. Technical report, -.
Maxwell-Technologies (2009b). Product guide. Technical report, -.
Mundi, I. (2012, December). Crude Oil (petroleum); Dated Brent Daily Price. -.
Panasonic (2012). Rechargeable lithium ion oem batteries. Technical report, -.
Primove (2008). Primove: Catenary-free operation. Technical report, Bombardier.
Primove (2012). Primove light rail, liberating trams from overhead lines. Technical
report, Bombardier.
SP (2009a). IP-klassning - Grad av skydd mot ber¨
oring och intr¨
angande f¨
orem˚
al.
SP (2009b). IP-klassning - Grad av skydd mot intr¨
angande vatten.
Styrs¨obolaget (2012). B˚
atarna och milj¨on. Technical report, -.
49
¨
LITTERATURFORTECKNING
¨
LITTERATURFORTECKNING
Tallner, C. and S. Lannetoft (2005). Batteries or supercapacitors as energy storage in
hevs? Technical report, Dept. of Industrial Electrical Engineering and Automation
Lund University.
Tokyo-Unviversity (2009). New type of plug-in electric boat raicho-i”. Technical report,
Marine Science and Technology.
V¨asttrafik (2012). F¨
arjor f¨
or kollektivtrafik 2013-2014. Technical report, -.
50
A
Appendix
I
¨
A.1. BERAKNINGAR
KONCEPT
A.1
A.1.1
BILAGA A. APPENDIX
Ber¨
akningar koncept
Koncept 1
Energidensitet = 60 − 70W h/kg
Enerigbehov = 10kW h/tur
Fall 1
Antal turer = 102st
Erfodrad laddeffekt = 10 ∗ 3600/60 = 600kW
Energibehov = 102 ∗ 10 = 1020kW h/dag
Energilager = 200kW h
V ikt = 200000/65 = 3080kg
Kostnad = 200 ∗ 1500 ∗ 7 = 2100000SEK
Dagens k¨
orschema f¨
or ¨
alvsnabbaren
Fall 2
Antalturer = 200
Energibehov = 200 ∗ 10 = 2000kW h/dag
Energilager = 300kW h
Laddef f ekt = 300kW
V ikt = 150000/65 = 4600kg
Kostnad = 300 ∗ 1500 ∗ 7 = 3150000
Fall 3
Laddef f ekt = 2000kW h/4h = 500kW
Laddef f ekt = 1020kW h/12h = 85kW
V ikt = 2000kW h/0,65 = 30,8ton
V ikt = 1020kW h/0,65 = 15,7ton
Kostnad = 2000 ∗ 1000 ∗ 7 = 14000000SEK
Kostnad = 1020 ∗ 1000 ∗ 7 = 7140000SEK
A.1.2
Koncept 2
Energidensitet = 6W h/kg
Enerigbehov = 10kW h/tur
Antalturer = 200st
Laddtid = 1min
III
¨
A.1. BERAKNINGAR
KONCEPT
BILAGA A. APPENDIX
Tabell A.1: Tabell f¨or dagens trafik
7
05
11
17
23
29
35
41
47
53
59
8
05
11
17
23
29
35
41
47
53
59
9
05
11
20
26
35
41
50
56
10
05
11
20
27
35
42
50
56
11
05
11
20
27
35
42
50
56
12
05
11
20
27
35
42
50
56
13
05
11
20
27
35
42
50
56
14
05
11
20
27
35
42
50
56
15
05
11
20
27
35
42
50
56
16
05
11
20
27
35
42
50
56
17
05
11
20
27
35
42
50
56
18
05
11
20
27
35
42
50
56
19
05
Totalt antal resor 102 st
Erfodrad laddeffekt = 10 ∗ 3600/60 = 600kW
Energilager = 10kW h
Energim¨
angd = 3,04W h/cell
Antal celler = 10000/3,4 = 3300celler
Kapacitans = 3000F/cell
P ris = e.01/F
Kostnad = 3300 ∗ 0,01 ∗ 3000 ∗ 9 = 891000kr/superkondensatorpaket
V ikt = 10000/6 = 1667kg
Ber¨
akningar Maskinrummets utformning
Maskinrummets dimensioner
Bredd = 3
L¨angd = 4
H¨ojd = 2
Superkondensatorns dimensioner
Bredd = 0,425m
L¨angd = 1m
H¨ojd = 0,305m
Modulens Energim¨
angd = 136,7W h/st
IV
¨
A.2. BERAKNINGAR
KOSTNADSANALYS
BILAGA A. APPENDIX
Antal superkondensatorer = 10000/136,7 = 74
Antal i rader i maskinrummet = 4/0,425 = 9st p˚
a rad
Antal p˚
a h¨
ojden = 74/(9 ∗ 2) = 5 stycken p˚
a h¨ojden
A.1.3
Koncept 3
Energibehov = 10kW h/tur
12W h/kg
V ikt = 10000/12 = 850kg litiumjonkondensatorer
V ikt = 369g/cell
Antalceller = 850/0,369 = 2300 celler p˚
a 3300 F
Energilager = 10kW h
P ris = e.015/F
Kostnad = 2300 ∗ 3300 ∗ 0,015 ∗ 9 = 1,02miljoner/litiumjonkondensatorpaket
Laddtid = 1min
Erfordrad laddeffekt= 10 ∗ 3600/60 = 600kW
A.2
Ber¨
akningar kostnadsanalys
A.2.1
Litiumjonackumulater Koncept 1
Fall 1
2100000kr/ackumulatorpaket
Kostnad Kontrollenhet=20 procent av energilagring
Cyklas 5-10 g˚
anger per dag
12000
angd
10 = 1200 dagars livsl¨
12000
= 2400 dagars livsl¨
angd
5
20∗365
anger beh¨
over ackumulatorpaketet
1200 = 6 g˚
20∗365
anger beh¨
over ackumulatorpaketet
2400 = 3 g˚
3 ∗ 2100000 = 6300000SEK/20 ˚
ar
6 ∗ 2100000 = 12600000SEK/20 ˚
ar
0,2 ∗ 2100000 = 420000SEK/kontrollenhet
Fall 2
3150000kr/ackumulatorpaket
V
bytas ut under 20 ˚
ar
bytas ut under 20 ˚
ar
¨
A.2. BERAKNINGAR
KOSTNADSANALYS
BILAGA A. APPENDIX
Kostnad Kontrollenhet=20 procent av energilagring
Cyklas 3-6 g˚
anger per dag
12333
= 2100 dagars livsl¨
angd
6
12333
= 4100 dagars livsl¨
angd
3
20∗365
anger beh¨
over ackumulatorpaketet
4100 = 2 g˚
20∗365
anger beh¨
over ackumulatorpaketet
2100 = 4 g˚
bytas ut under 20 ˚
ar
bytas ut under 20 ˚
ar
2 ∗ 3150000 = 6300000SEK/204 ˚
ar
4 ∗ 3150000 = 12600000SEK/20˚
ar
0,2 ∗ 3150000 = 630000SEK/kontrollenhet
A.2.2
Superkondensatorer Koncept 2
Kostnad Energilagring=891 000 kr/superkondensatorpaket
Kostnad Kontrollenhet=20 procent av energilagring
Livsl¨
angd 10 ˚
ar eller 1 000 000 cykler
Anta cykler =102-200 cykler/dag
Livsl¨
angd=1 000 000/(102*365)= 27 ˚
ar
Livsl¨
angd= 1 000 000/(200*365)= 13 ˚
ar vilket medf¨or 10 ˚
ars livsl¨angd
G˚
anger superkondensatorpaketet beh¨over bytas ut p˚
a 20 ˚
ar= 20/10= 2 g˚
anger
2 ∗ 891000 = 1782000SEK/20r
A.2.3
Litiumjonkondensator koncept 3
Kostnad Energilagring=1,02 miljoner/litiumjonkondensatorpaket
Kostnad Kontrollenhet=10 procent av energilagring
Livsl¨
angd 10 ˚
ar eller 1 000 000 cykler
Antal cykler=102-200 cykler/dag
Livsl¨
angd=1 000 000/(102*365)=27 ˚
ar
Livsl¨
angd=1 000 000/(200*365)= 13 ˚
ar vilket medf¨or 10 ˚
ars livsl¨angd
G˚
anger litiumjonkondensatorpaketet beh¨over bytas ut p˚
a 20 ˚
ar= 20/10= 2 g˚
anger
2 ∗ 1020000 = 2040000SEK/20 ˚
ar
A.2.4
Dagens koncept
Antal b˚
atar i drift=2 st
Dieself¨
orbrukning=4500 liter/vecka
Dieselkostnad= 7,5 kr/liter
VI
¨
A.2. BERAKNINGAR
KOSTNADSANALYS
Driftkostnad=4500*7,5*52*20=35 100 000 kr
VII
BILAGA A. APPENDIX
Dimensionering av ackumulator Fall 1 (1020 kWh/år) Storlek i Cyklisk kWh livslängd 10 100 200 300 400 500 1 000 6 000 10 000 12 000 12 333 12 666 13 000 14 000 Cyklisk livslängd i år 0,16 2,69 6,45 9,94 13,61 17,46 37,60 Livslängd Vikt i kg Volym i år m^3 10 10 10 10 10 10 10 154 1538 3077 4615 6154 7692 15385 0,07 0,71 1,43 2,14 2,86 3,57 7,14 Kostnad ackumulatorpaket i SEK 105 000 1 050 000 2 100 000 3 150 000 4 200 000 5 250 000 10 500 000 Kostnad SEK/år 651 525 390 915 325 763 316 958 420 000 525 000 1 050 000 Dimensionering av ackumulator Fall 2 (2000 kWh/år) Storlek i Cyklisk kWh livslängd 10 100 200 300 400 500 1 000 6 000 10 000 12 000 12 333 12 666 13 000 14 000 Cyklisk livslängd i år 0,08 1,37 3,29 5,07 6,94 8,9 19,18 Livslängd Vikt i kg Volym i år m^3 10 10 10 10 10 10 10 154 1538 3077 4615 6154 7692 15385 0,07 0,71 1,43 2,14 2,86 3,57 7,14 Kostnad ackumulatorpaket i SEK 105 000 1 050 000 2 100 000 3 150 000 4 200 000 5 250 000 10 500 000 Kostnad SEK/år 651 525 390 915 325 763 316 958 420 000 525 000 1 050 000