Βάσει των νέων αυστηρών κανόνων που επιβάλλει ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός (IMO), ο οποίος είναι ο οργανισμός ναυτικής ασφάλειας των Ηνωμένων Εθνών, έχει προκληθεί αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης για φιλικά προς το περιβάλλον πλοία και υιοθέτηση νέων τεχνολογιών πρόωσης, με καινοτόμες λύσεις όπως τα ηλεκτροπροωθούμενα (ηλεκτροκίνητα) πλοία, τα πλοία με κυψέλες καυσίμου (ενεργειακά στοιχεία υδρογόνου [Fuel Cells]) και τα πλοία πρόωσης υβριδικού τύπου.
Άρθρο του κ. Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*
Ένα από τα πλεονεκτήματα της ηλεκτρικής πρόωσης είναι και η ουσιαστική ελάττωση του αξονικού συστήματος των πλοίων (βλ. εικόνα ).
Είδη αξονικών συστημάτων πλοίων
Τα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης πλεονεκτούν λόγω της συνεχούς μεταβολής των στροφών σχεδόν σε όλο το εύρος από τη μηδενική έως την ονομαστική ταχύτητα· κι επιπροσθέτως, το μέγιστο της ροπής μπορεί συνήθως να χρησιμοποιηθεί σε όλο το πεδίο λειτουργίας.
Για λόγους ασφαλείας, η έλικα κινείται από δύο (ή και περισσότερους) ηλεκτροκινητήρες ίδιας ισχύος. Η έλικα, από μηχανική άποψη, ακολουθεί το «νόμο της έλικας» όπως αναφέρεται συχνά· δηλαδή η μηχανική ροπή της είναι ανάλογη του τετραγώνου της μηχανικής ταχύτητάς της, όπως συμβαίνει στις φυγοκεντρικές αντλίες και στους ανεμιστήρες.
Μπορεί η χαρακτηριστική αυτή να είναι:
- Είτε σταθερή (έλικα σταθερού βήματος).
- Είτε μεταβαλλόμενη, με αλλαγή της κλίσης των πτερυγίων της έλικας (έλικα μεταβλητού βήματος).
Έλικα σταθερού βήματος (Fixed Pitch Propellers [FPP])
Όταν η υπερτάχυνση δεν είναι εφικτή, η έλικα σχεδιάζεται έτσι ώστε να απορροφά τη μέγιστη συνεχή ισχύ (σημείο MCR) σε καταστάσεις δοκιμών (με πλήρες φορτίο, καθαρή γάστρα και ήρεμο καιρό).
Προκειμένου να είναι δυνατή η λειτουργία με πλήρη ισχύ σε δυσμενείς συνθήκες, το σύστημα πρόωσης συνήθως υπολογίζεται για τιμή κατά 10 – 20% μεγαλύτερη της ονομαστικής, χωρίς αύξηση της ισχύος πέρα από τη μέγιστη συνεχή (MCR). Αυτό σημαίνει υπερδιαστασιολόγηση έλικας αξονικού συστήματος – μειωτήρα – κινητήρα – μετατροπέα κατά 10 – 20%.
Έλικα ρυθμιζόμενου βήματος (Controllable Pitch Propellers – CPP)
Το σύστημα είναι συχνά (ή θα έπρεπε να είναι) εφοδιασμένο με διάταξη αυτόματης επιλογής του συνδυασμού βήματος – στροφών έλικας στο διάστημα 65 – 100% των στροφών, ώστε να εξασφαλίζεται η βέλτιστη λειτουργία και η καλύτερη δυνατή απόκριση κατά τους χειρισμούς. Όταν η έλικα είναι ρυθμιζόμενου βήματος, δεν απαιτείται περιθώριο ροπής, διότι η μέγιστη ισχύς μπορεί σχεδόν πάντοτε να απορροφηθεί με ρύθμιση του βήματος.
Αζιμουθιακό προωστήριο σύστημα (Podded Propulsion – POD)
Παράλληλα με την εισαγωγή της ηλεκτρικής πρόωσης εμφανίστηκε για το προωστήριο σύστημα μία εναλλακτική λύση που έχει πολλαπλά πλεονεκτήματα. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα ηλεκτρικού κινητήρα και έλικας είναι μία ενιαία μονάδα, εμβαπτισμένη στο νερό στο πρυμναίο μέρος του πλοίου, όπως στις εξωλέμβιες. Το σύστημα μπορεί να φέρει μία ή δύο έλικες και έχει τη δυνατότητα να στρέφεται σχεδόν κατά 360ο κατά την αζιμουθιακή διεύθυνση (από όπου προέρχεται και το όνομά του), δηλ. στο οριζόντιο επίπεδο, αυξάνοντας σε μεγάλο βαθμό τις δυνατότητες ελιγμών του πλοίου. Επιπλέον, αφενός εκμηδενίζεται πρακτικά το αξονικό σύστημα και αφετέρου δεν υφίσταται μηχανισμός πηδαλίου.
Στάδια μελέτης, σχεδίασης και κατασκευής υβριδικού / ηλεκτρικού συστήματος πρόωσης
Για τη μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ή μετασκευή ενός σύγχρονου συστήματος υβριδικής ηλεκτροπρόωσης θα πρέπει να ακολουθούνται τα παρακάτω στάδια και να καθορίζονται:
- Το είδος των κινητήριων μηχανών, που μπορεί να είνα:
- Ηλεκτρικοί κινητήρες.
- Πετρελαιοκινητήρες, αεριοστρόβιλοι (για πιο αθόρυβη λειτουργία).
- Ατμοστρόβιλοι (κυρίως για πυρηνοκίνητα σκάφη).
- Τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού δικτύου, και συγκεκριμένα:
- Το είδος του δικτύου (DC, AC).
- Η τιμή της ηλεκτρικής τάσης παραγωγής και διανομής της ηλεκτρικής ισχύος.
- Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, και συγκεκριμένα:
- Ο αριθμός των γεννητριών.
- Το είδος των γεννητριών.
- Η παράλληλη ή μη λειτουργία των γεννητριών.
- Ο τρόπος αποθήκευσης και ανάκτησης ενέργειας, που μπορεί να γίνεται με:
- Συσσωρευτές.
- Ηλεκτροχημικές κυψέλες καυσίμου (fuel-cells).
- Και με τους δύο παραπάνω τρόπους.
- Το ποσοστό αυτοματισμού όσον αφορά:
- Τη λειτουργία.
- Τη φόρτωση.
- Τον παραλληλισμό.
- Την κράτηση των γεννητριών.
- Ο αριθμός και το είδος των κινητήρων πρόωσης. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά που εξετάζονται είναι:
- Η μέγιστη ισχύς.
- Ο όγκος και το βάρος ανά μονάδα ισχύος.
- Ο μέσος χρόνος μεταξύ επισκευών και βλαβών.
- Ο βαθμός αποδόσεως (αποδοτικότητα).
- Το είδος ελέγχου – χειρισμού των κινητήρων πρόωσης.
- Οι ελάχιστες απαιτήσεις σε καταστάσεις ανάγκης.
- Ο τρόπος έδρασης και ο φυσικός διαχωρισμός μηχανημάτων όπως είναι για παράδειγμα:
Οι πίνακες ηλεκτρικού δικτύου πρόωσης και οι πίνακες ηλεκτρικού δικτύου χρήσης.
Οι κινητήρες πρόωσης και των ηλεκτρονικών διατάξεων οδήγησής τους.
- Η τοποθέτηση των γεννητριών, που πρέπει να γίνεται κατά τέτοιο τρόπο ώστε να μην παραβιάζονται οι θεμελιώδεις κανόνες που σχετίζονται με:
- Την ευστάθεια του πλοίου.
- Την ισοκατανομή των φορτίων στο πλοίο.
- Την ακουστική υπογραφή.
- Την ευκολία επισκευής.
Αρθρωτή δόμηση ολοκληρωμένης πλήρους ηλεκτροπρόωσης (Integrated Full Electric Propulsion [IFEP])
Η ιδέα της αρθρωτής δόμησης IFEP βασίζεται σε τυπικές μονάδες ηλεκτρικού εξοπλισμού, οι οποίες μπορούν να συναρμολογηθούν για τη δημιουργία του επιθυμητού συστήματος. Η ιδέα αρθρωτής δόμησης καθιστά δυνατή τη χρήση ενός ελάχιστου αριθμού τυπικών μονάδων εξοπλισμού για τη διαμόρφωση συστημάτων τροφοδοσίας με προσαρμοσμένες προδιαγραφές ισχύος και τάσης.
Η αρθρωτή σχεδίαση και δόμηση της IFEP σε συνδυασμό με προηγμένες τεχνικές εκτίμησης ισχύος επιτρέπουν τη βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής ισχύος του πλοίου, καθώς ταιριάζουν καλύτερα στις προδιαγραφές του τύπου και του σχεδιασμού του εν λόγω πλοίου.
Τα πλεονεκτήματα του αρθρωτού σχεδιασμού IFEP είναι τα εξής:
- Μειωμένο κόστος και διάρκεια σχεδιασμού.
- Κατασκευαστική ευκολία.
- Εύκολη αναβάθμιση και επισκευή.
- Υψηλότερη αξιοπιστία.
- Τυποποιημένα κι ενοποιημένα μέρη του συστήματος.
- Εύκολη παραμετροποίηση, έτσι ώστε να ταιριάζει το σύστημα IFEP με τις απαιτούμενες τάσεις και εργασίες, χρησιμοποιώντας ένα τυποποιημένο σύνολο υλικού.
Συνοπτικά, τα πλεονεκτήματα του αρθρωτού σχεδιασμού IFEP παρουσιάζονται στον πίνακα 1.
ΟΡΟΛΟΓΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗΣ ΠΛΟΙΩΝ
Παρακάτω παραθέτουμε τους σημαντικότερους όρους, με μια στοιχειώδη επεξήγηση για κάθε έναν από αυτούς, μια και είναι επιβεβλημένη η αναζήτηση πηγών στη διεθνή βιβλιογραφία:
Full Electric Propulsion [FEP] (πλήρης ηλεκτροπρόωση): Το πλοίο κινείται αποκλειστικά με ηλεκτροκινητήρες. Τα ζεύγη των κινητήριων μηχανών – ηλεκτρογεννητριών που τροφοδοτούν τους ηλεκτροκινητήρες πρόωσης δεν τροφοδοτούν άλλα φορτία. Η ηλεκτρική ισχύς που απαιτείται για άλλα φορτία παράγεται από άλλες γεννήτριες.
Integrated Full Electric Propulsion [IFEP] (ολοκληρωμένη πλήρης ηλεκτροπρόωση): Τα ίδια ζεύγη κινητήριων μηχανών – γεννητριών τροφοδοτούν και τους ηλεκτρικούς κινητήρες πρόωσης και παρέχουν και όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρικά φορτία.
All Electric Ship [AES] (πλήρως εξηλεκτρισμένο πλοίο): Ένα πλοίο στο οποίο υπάρχει ολοκληρωμένη πλήρης ηλεκτροπρόωση αλλά γίνεται και ευρεία χρήση ηλεκτρικής ενέργειας σε πολλά συστήματα.
Ηλεκτρικό δίκτυο πρόωσης (propulsion network): Το ανεξάρτητο ή ενσωματωμένο τμήμα του ηλεκτρικού δικτύου πλοίου που τροφοδοτεί τα ηλεκτρικά φορτία που σχετίζονται με την πρόωση.
Ηλεκτρικό δίκτυο χρήσης (ship service system): Το υπόλοιπο ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου, εκτός του δικτύου πρόωσης.
Μότο
«Τα συστήματα ηλεκτρικής πρόωσης πλεονεκτούν λόγω της συνεχούς μεταβολής των στροφών και της δυνατότητας χρήσης του μέγιστου της ροπής σε όλο το πεδίο λειτουργίας.»
«Η αρθρωτή σχεδίαση της ολοκληρωμένης πλήρους ηλεκτροπρόωσης, σε συνδυασμό με προηγμένες τεχνικές εκτίμησης ισχύος, επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής ισχύος του πλοίου»
*Ο κ. Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι εκπαιδευτικός, ηλεκτρολόγος μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών, MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, ακαδημαϊκός υπότροφος του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής, στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων & Ηλεκτρονικών Μηχανικών (nkorakianitis@uniwa.gr).
