Η χρήση της ηλεκτροπρόωσης στα πλοία.

Άρθρο του Νικόλαου Σ. Κορακιανίτη*

Η αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης για φιλικά προς το περιβάλλον πλοία οδηγεί στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών πρόωσης πλοίων, όπως είναι η ηλεκτροπρόωση, η οποία δημιουργεί νέα δεδομένα.

Οι αυστηροί κανόνες που επιβάλλονται από τον Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (IMO), έναν οργανισμό ναυτικής ασφάλειας των Ηνωμένων Εθνών, έχει προκαλέσει αύξηση της παγκόσμιας ζήτησης για φιλικά προς το περιβάλλον πλοία. Επιπροσθέτως, το ολοένα και αυξανόμενο ενδιαφέρον στον τομέα της ναυτιλίας εδράζεται:

α) Στα αυξημένα περιβαλλοντικά οφέλη της χρήσης ηλεκτρικής ισχύος.

β) Στα σημαντικά οικονομικά οφέλη, καθώς το κόστος της κατανάλωσης ορυκτών καυσίμων ολοένα και αυξάνει.

Η αναζήτηση τρόπων και μεθόδων μείωσης των εκπομπών ρύπων από τα πλοία, οι αυξημένες απαιτήσεις για πλοία αποτελεσματικότερα και φιλικότερα προς το περιβάλλον, καθώς και η παγκόσμια προσπάθεια για προστασία του περιβάλλοντος, έκαναν τους πλοιοκτήτες να στρέψουν το ενδιαφέρον τους:

α) Στην υιοθέτηση νέων τεχνολογιών πρόωσης πλοίων, όπως είναι:

  • Ηλεκτροπροωθούμενα (ηλεκτροκίνητα) πλοία.
  • Πλοία με ενεργειακά στοιχεία υδρογόνου.
  • Πλοία πρόωσης υβριδικού τύπου.

β) Στην παροχή ηλεκτρικής ισχύος στα ελλιμενισμένα πλοία από τη στεριά για:

  • Κάλυψη λειτουργικών ενεργειακών αναγκών των συμβατικών πλοίων.
  • Φόρτιση των συστοιχιών συσσωρευτών υβριδικών – ηλεκτροπροωθούμενων πλοίων.

Η επάρκεια παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι νευραλγικής σημασίας για τη λειτουργία ενός πλοίου και την ασφάλεια των επιβαινόντων σε αυτό. Η ηλεκτρική εγκατάστασή του αποτελεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα παραγωγής, διανομής και κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο χαρακτηρίζεται από αυτάρκεια και αξιοπιστία και αποτελείται από τρία κύρια υποσυστήματα, που είναι:

  1. Το υποσύστημα ισχύος.
  2. Το υποσύστημα φωτισμού.
  3. Το υποσύστημα επικοινωνιών-ναυσιπλοΐας.

Η χρήση της ηλεκτροπρόωσης αυξάνεται συνεχώς κι έχει δημιουργήσει νέα δεδομένα και μεγαλύτερες ηλεκτρικές απαιτήσεις από την πλευρά της παραγωγής, του ελέγχου, της διανομής και της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος. Η τάση που υπάρχει είναι οι κύριες και βοηθητικές λειτουργίες του πλοίου να γίνονται πλέον μόνο από ηλεκτρικά συστήματα και μηχανήματα, με καθολική αντικατάσταση υδραυλικών, μηχανικών ή συστημάτων ατμού κ.ά. Η συγκεκριμένη τάση οδηγεί σε πλήρη εξηλεκτρισμό όλων των εγκατεστημένων υποσυστημάτων.

Ο πλήρης εξηλεκτρισμός αυξάνει τη σημασία του συστήματος ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου για την ομαλή και ασφαλή πλεύση του πλοίου, καθώς και για την επιβίωση του πληρώματος και των επιβατών. Και η επικρατούσα ορολογία είναι το «πλήρως εξηλεκτρισμένο πλοίο», όπως αποδίδεται ο διεθνής όρος «All Electric Ship – AES».

Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χρήση της ηλεκτροπρόωσης, όχι μόνο από το χώρο της εμπορικής ναυτιλίας αλλά και από την πολεμική βιομηχανία, και οι βασικοί λόγοι για αυτό είναι τρεις:

  1. Η ανάγκη για όσο το δυνατόν πιο «αθόρυβη» λειτουργία των πλοίων και των υποβρυχίων.
  2. Η αναζήτηση προωστήριων συστημάτων με χαμηλότερο κόστος λειτουργικής συντήρησης και μειωμένες απαιτήσεις επανδρώσεως.

iii. Η «ωρίμανση» των τεχνολογιών που απαιτούνται για να αξιοποιηθεί το πλήρες δυναμικό της ηλεκτροπρόωσης, όπως των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών ισχύος για τον έλεγχό τους.

 

Ηλεκτροπρόωση πλοίων

«Ηλεκτροπρόωση» ονομάζεται η πρόωση που προκύπτει από την ύπαρξη ηλεκτροκινητήρων που συνδέονται στον κύριο ελικοφόρο άξονα με σχέση μετάδοσης κίνησης η οποία είναι:

  • Είτε με αναλογία ένα προς ένα (1:1).
  • Είτε μειωμένη, χρησιμοποιώντας μειωτήρα στροφών (σπανιότερη χρήση).

Για να θεωρείται αμιγής (καθαρή) η ηλεκτροπρόωση, δεν θα πρέπει να υφίσταται η ύπαρξη άλλου είδους μηχανών, όπως είναι δίχρονοι ή τετράχρονοι πετρελαιοκινητήρες, αεριοστρόβιλοι ή ατμοστρόβιλοι, εκτός αν αυτά χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία της αξονικής γεννήτριας του πλοίου (εικόνα 1).

 

Υβριδική πρόωση πλοίων

Υβριδική πρόωση έχουν τα πλοία που διαθέτουν κύρια πετρελαιομηχανή και αξονικές γεννήτριες (εικόνα 2) με σκοπό την βελτιστοποίηση της λειτουργίας του πλοίου, χάρη στην ευελιξία της χρήσης της αξονικής γεννήτριας πάντα προς όφελος της λειτουργικότητας του πλοίου με βάση την πρόωση αυτού.

Έτσι επιτυγχάνεται βέλτιστη χρήση της αξονικής γεννήτριας με σκοπό τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, αλλά και βέλτιστη λειτουργία της μηχανής με τη μεγαλύτερη ισχύ για συγκεκριμένες στροφές (MCR). Η ηλεκτρική μηχανή στην περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια ή ως κινητήρας, και αυτός είναι ο κύριος λόγος που εξασφαλίζει ευελιξία στον χειρισμό ενός οποιουδήποτε πλοίου (εικόνες 3, 4).

 

Πλεονεκτήματα

Τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η ηλεκτροπρόωση είναι τα εξής:

  • Ακριβής έλεγχος της ταχύτητας περιστροφής της έλικας και του πλοίου, όπως και της θέσης.
  • Υψηλή δυνατότητα ελιγμών.
  • Γρήγορη απόκριση κατά τη διάρκεια χειρισμών.
  • Χαμηλά επίπεδα θορύβου και κραδασμών.
  • Οικονομία καυσίμου, εφόσον είναι εφικτή η φόρτιση των μηχανών κοντά στο βέλτιστο σημείο.
  • Χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης.
  • Εξοικονόμηση χώρου, κάτι που προσφέρει ευελιξία στο σχεδιασμό του σκάφους.
  • Ευκολία αυτοματισμού.
  • Αυξημένη αξιοπιστία με πολλά συστήματα συνδεδεμένα παράλληλα, και επομένως αυξημένη ασφάλεια.
  • Περιορισμός των εκπεμπόμενων ρύπων, εφόσον η κατανάλωση καυσίμου είναι μικρότερη.
  • Περιορισμός του κινδύνου ρύπανσης του περιβάλλοντος από ατυχήματα όπως είναι αυτά των δεξαμενόπλοιων, χάρη στην ταχύτερη απόκριση του συστήματος.

 

 

Μειονεκτήματα

Στον αντίποδα, τα μειονεκτήματα της ηλεκτροπρόωσης είναι τα εξής:

  • Υψηλό κόστος επένδυσης. Αυτό γίνεται η προσπάθεια να μειωθεί κατά το δυνατόν, αξιοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία των ηπειρωτικών ηλεκτρικών δικτύων (Commercial Off The Shelf [COTS]). Ωστόσο το υψηλό κόστος των κινητήρων και των διατάξεων ελέγχου τους δεν δείχνει να μειώνεται εύκολα.
  • Υψηλότερες απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης, σε σύγκριση με το μηχανικό σύστημα. Για παράδειγμα, σε συμβατικό σύστημα κινητήρα Diesel – έλικας ρυθμιζόμενου βήματος, οι απώλειες του συστήματος μετάδοσης (οι οποίες εντοπίζονται στην έλικα και στο μειωτήρα) είναι περίπου 4% όταν η έλικα λειτουργεί στο βέλτιστο συνδυασμό ταχύτητας – βήματος. Σε εγκατάσταση ντιζελοηλεκτρικής πρόωσης, το σύστημα μετάδοσης προκαλεί απώλειες 7-8%, που οφείλονται στις γεννήτριες, στους μετασχηματιστές, στους μετατροπείς συχνότητας και στους προωστήριους ηλεκτροκινητήρες. Επομένως, ο ολικός βαθμός απόδοσης είναι υψηλότερος στο σύστημα ηλεκτρικής πρόωσης μόνο όταν κάθε μηχανή λειτουργεί σε σταθερή ταχύτητα περιστροφής και επί μεγάλα χρονικά διαστήματα στη βέλτιστη περιοχή.
  • Προβλήματα ποιότητας ηλεκτρικής ενέργειας εξαιτίας της εγκατάστασης διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος.
  • Υψηλό βάρος μπαταριών για την πλήρη κάλυψη μεγάλης ισχύος πλοίων, κάτι που συνεπάγεται ελάττωση του φορτίου που μπορεί να μεταφέρει το πλοίο.
  • Επιπλέον φόρτιση της κύριας μηχανής: Όταν μία αξονική γεννήτρια συνδέεται στον ελικοφόρο άξονα μίας μηχανής, τότε αυξάνεται το φορτίο της και κατ’ επέκταση αυξάνεται η κατανάλωση καυσίμου και η κατανάλωση σε λιπαντικό έλαιο, γεγονός που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την επιλογή της κύριας προωστήριας μηχανής.

 

Εφαρμογές ηλεκτροπρόωσης

Σε αντίθεση με το παρελθόν, κατά το οποίο η ηλεκτρική πρόωση χρησιμοποιούνταν μόνον σε πολύ εξειδικευμένες εφαρμογές (όπως σε παγοθραυστικά, σε ερευνητικά σκάφη και σε σκάφη πόντισης καλωδίων), κατά τη δεκαετία του 1990 παρουσίασε μια έντονα αυξανόμενη διάδοση και σε άλλα είδη πλοίων, όπως σε μεγάλα επιβατηγά, οχηματαγωγά, κρουαζιερόπλοια, δεξαμενόπλοια κλπ. Γενικά, η ηλεκτρική πρόωση μπορεί να υιοθετηθεί ως καταλληλότερη επιλογή στις ακόλουθες κατηγορίες εφαρμογών:

  • Σκάφη με υψηλές απαιτήσεις ελκτικών ικανοτήτων.
  • Σκάφη με μεγάλη ισχύ βοηθητικών μηχανημάτων.
  • Σκάφη με μεγάλα φορτία ενδιαίτησης και έντονη διακύμανση της ισχύος πρόωσης.
  • Σκάφη εξοπλισμένα με πολλές ταχύστροφες και μη αναστρέψιμες μηχανές.
  • Υποβρύχια και βαθυσκάφη.

 

Πολεμικό ναυτικό

Στην πολεμική βιομηχανία, η ηλεκτροπρόωση αποτελεί τη βασική επιλογή για την κίνηση των υποβρυχίων, αλλά και για πολεμικά πλοία επιφάνειας, στα οποία ήταν αρκετά περιορισμένη η χρήση της μέχρι σήμερα.

Έτσι η ηλεκτροπρόωση προσελκύει ξανά το έντονο ενδιαφέρον των ναυτικών χωρών που κατασκευάζουν πολεμικά πλοία και εξετάζεται πλέον σαν υποψήφιο σύστημα για την προωστήρια εγκατάσταση της επόμενης γενιάς και των μεγάλων πολεμικών πλοίων. Οι αυξημένες απαιτήσεις και οι αυστηρότερες –σε σχέση με τα εμπορικά πλοία– προδιαγραφές των πολεμικών ναυτικών πλοίων (περιορισμοί χώρου και τεχνικές απαιτήσεις του προωστήριου συστήματος) προϋποθέτουν περαιτέρω ανάπτυξη των υποσυστημάτων της ηλεκτροπρόωσης.

Ένας επιπρόσθετος λόγος για τη μελλοντική ανάπτυξη της ηλεκτροπρόωσης είναι η ταυτόχρονη ανάπτυξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε.), των οποίων η εκμετάλλευση προϋποθέτει τη μετατροπή οποιασδήποτε μορφής ενέργειας σε ηλεκτρική. Και μέσω της ηλεκτροπρόωσης γίνεται πιο εφικτή και άμεση η εκμετάλλευση των τεράστιων ποσών ενέργειας που μπορούμε να λάβουμε.

Εξάλλου, βάσει και του «Tier III» (IMO NOx Tier III) υφίσταται υποχρέωση περιορισμού των εκπομπών SOx & NOx. Συνεπώς, ο κόσμος της ναυτιλίας θα πρέπει να κινηθεί σε πιο πράσινες λύσεις πρόωσης, με την υβριδική ηλεκτροπρόωση να έχει πρωταγωνιστικό ρόλο (εικόνα 5, 6).

 

Σειριακό υβριδικό σύστημα

Σε ένα σειριακό υβριδικό σύστημα (Σ.Υ.Σ.), ο ηλεκτροκινητήρας είναι ο μόνος τρόπος παροχής ισχύος στην έλικα. Ο κινητήρας λαμβάνει ηλεκτρική ενέργεια είτε από τη συστοιχία συσσωρευτών είτε από μια γεννήτρια που λειτουργεί μέσω μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Αυτό επιτρέπει σε ένα σκάφος να συνεχίσει να λειτουργεί και μετά την αποφόρτιση των συσσωρευτών (εικόνες 7, 8).

 

Παράλληλο υβριδικό σύστημα

Σ’ ένα παράλληλο υβριδικό σύστημα (Π.Υ.Σ.), τόσο η μηχανή εσωτερικής καύσης όσο και ο ηλεκτροκινητήρας είναι σε θέση να παρέχουν ισχύ στην έλικα. Η αξονική γεννήτρια μπορεί είτε να κινεί την έλικα είτε να χρησιμοποιείται ως γεννήτρια για τη φόρτιση μπαταριών (εικόνες 9, 10).

 

Σειριακό / παράλληλο υβριδικό σύστημα

Ο τρίτος τύπου υβριδικού συστήματος είναι ένας συνδυασμός των δύο παραπάνω. Συνδυάζοντας τα δύο συστήματα λαμβάνουμε ταυτόχρονα τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα και των δυο.

 

Πλήρως εξηλεκτρισμένο σύστημα

Το πλήρως εξηλεκτρισμένο σύστημα αποτελείται από έναν ηλεκτρικό κινητήρα που τροφοδοτείται από μπαταρίες τοποθετημένες στο πλοίο. Για τη φόρτιση της μπαταρίας αυτής απαιτείται τροφοδοσία είτε από το δίκτυο στην ξηρά είτε από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας επί του σκάφους, όπως είναι για παράδειγμα τα ηλιακά πάνελ ή οι ανεμογεννήτριες.

Η ύπαρξη ενός πλήρως εξηλεκτρισμένου πλοίου εξαρτάται από την ικανότητα που έχει μια μπαταρία να καλύψει τις απαιτήσεις ενέργειας και ισχύος που τίθενται από την εμβέλεια και τον κύκλο λειτουργίας του σκάφους καθώς και από την ικανότητα του σκάφους να προσαρμόζει το μέγεθος και το βάρος των μπαταριών.

Σύμφωνα με τα παραπάνω, ιδανικά για υιοθέτηση ηλεκτρικών συστημάτων πρόωσης είναι τα σκάφη που δεν αναπτύσσουν μεγάλες ταχύτητες χωρίς να απαιτούν μεγάλη ισχύ και που δεν πραγματοποιούν μακρινά ταξίδια.

 

*Ο Νικόλαος Σ. Κορακιανίτης είναι εκπαιδευτικός, ηλεκτρολόγος μηχανικός & Τεχνολογίας Υπολογιστών, I.MSc Electrical and Computer Engineering, MSc in Microelectronics, υποψήφιος διδάκτορας του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής (nkorakianitis@uniwa.gr).

 

 

Ελέγξτε επίσης

Η επίδραση των παραμέτρων κοπής στις δυνάμεις κοπής κατά το τορνάρισμα χάλυβα εργαλείων

Τίτλος : Άρθρο των κ. Ιωάννη Κεχαγιά και Νικολάου Α. Φουντά*   Η τόρνευση είναι …