1
2
3
4
Alternative Storage Options
Second part describing fuel cells, flywheels, molten salt & superconductive energy, Graphics from SeaRose Design & Technical Services Ltd
M/S "Innogy"
SerEnergy has provided the RMFC on this ferry for its extended range, photo from http://serenergy.com/the-first-methanol-fuel-cell-powered-vessel-in-germany-is-now-sailing-the-waters-of-lake-baldeneysee/
Crescent Dunes' Molten Salt Plant
Solar Reserves has present site to provide energy on the electric grid, photo from http://www.solarreserve.com/en/technology/molten-salt-energy-storage
Naval Ship
SuperPower Inc. concept for the US navy with superconductive energy, photo from http://www.superpower-inc.com/content/hts-motors-and-generators
Available options today for storing energy
onboard ships & using renewables (2nd Part)
Τρόποι αποθήκευσης ενέργειας με
δυνατότητα βραχυπρόθεσμης ενσωμάτωσης
στα πλοία σε συνδυασμό με ανανεώσιμες
πηγές ενέργειας (2ο μέρος)
A couple months back I wrote the first part of energy storage options, systems that could be introduced in Maritime. As the electrical grid has been the focal point of studies, I've started with technology developed there, before focusing on batteries, flow batteries and supercapacitors as alternative energy storage methods for ships. The first and third system have sailing applications and many more projects in the pipelines. The middle hasn’t been explored yet, personally I think it would be a good study. But there are more alternatives for energy storage and I was determined to examine them with another article, this one. Mainly will be concentrating in hydrogen and methanol, flywheels, molten salt and superconductive energy storage.
The fundamental premise of methanol as clean energy are fuel cells and hence I am combining it with hydrogen in my review, although they are vastly different in producing, storing and emissions. Both fuel have been used in conjunction with different types of fuel cells and their results have been promising, yet commercially the proton exchange membrane (PEM) is mostly considered for hydrogen and reformed methanol fuel cell (RMFC) is attached to methanol. Their challenge is achieving higher efficiencies while simultaneously bringing the cost down, as parts of it, like the membrane in the cells are very expensive.
PEM’s efficiency is between 50-60%, while SerEnergy states an efficiency of 40-50% of their RMFC installed in M/S “Innogy”;
In past ship projects, fuel cells have been employed in a supportive role, providing power for hotel services onboard and presently M/S “Innogy” has the fuel cells for extended range, while normally operating with batteries. The cruise ships reported by Viking might be the first ones with hydrogen as sole fuel;
Producing hydrogen through water requires electrolysis process, high energy demand, while methanol can be a product of waste, biomass or recycled carbon dioxide. The intention is to focus on clean energy, yet they can also be derived from diesel (hydrogen), coal (methanol), LNG etc;
Pure hydrogen emits only water, yet RMFC has some CO2;
Storing hydrogen can be challenging as regulatory framework drives towards storage on deck, namely taking up space from payload and while there are guidelines to prepare the facilities onboard, there are none for bunkering;
Methanol itself is toxic, therefore also requires caution in storing and double walled piping;
Bunkering methanol is feasible as there are methanol fuelled ships presently operational and ports with respective tanks, while in the case of hydrogen facilities have to be retrofitted or built in order for ships to be fuelled;
Summarising, hydrogen and methanol are available options for ships, their technology is continuously developing to better fit vessels. They need more applications, testing and improvement to incorporate larger capacities, before implemented in a large scale.
Before delving at the flywheel, I have to mention that three out of four options discussed here are not novice. They have been around for a long time, investigated for other fields. Fuel cells and flywheels for example were developed for space, as their price would only be justified in that segment. Yet along the way, they had been tested in other settings, flywheels were employed for gyrobuses travelling in Belgium and Switzerland back in the 50s, highlighting exactly how old the technology is.
Looking at the flywheel’s operation, energy is stored in the rotation of the flywheel, which is retrieved in the exact same way. The higher the speed of the wheel, the higher the stored power;
The response in electricity demand is instantaneous, hence the grid doesn’t feel the drop. This is why it is often selected as regulator, like for example in Stephentown NY. It can release high energy in a short duration of time and can be charged quickly to be ready for the next cycle;
Efficiency, operation, safety and cost are closely intertwined with the structure of the flywheel, the rotor’s material and geometry, as well as the bearings used for levitation. I am consciously omitting mechanical bearings in this review, because I feel it would give an unnecessary, unfavourable view of the system, since magnetic bearings are tried and proven.
Flywheels at higher speed can rapture. In the case of metal flywheels there is a kind of metal explosion and double barrier is need to ensure that there are no accidents. Newer composite rims, although still susceptible to rapture, can be contained within the vacuum container the flywheel operates normally;
Composite materials permit lighter structure and more favourable weight distribution for the wheel to achieve higher speed, NASA reports 2.5x speed of sound;
Permanent magnets bearings are the least efficient, but constantly present, in comparison to active ones that necessitate power for starting up and superconductive ones than need cryogenic cooling system. The latter though are the most efficient;
Flywheels with magnetic bearings have theoretically unlimited lifespan and next to none maintenance. Reported lifespan stems from mechanical bearing of around 20 years, still a lot longer than batteries;
Yet they come with a cost. Composite rims with superconductive magnets, i.e. most efficient combination, skyrockets the price;
Several car manufacturers have integrated flywheels in their system or made prototypes moved by flywheels, while NASA is preparing satellites solely powered by them. In shipping there is no project or respective experiment, but I would love to see one.
Molten salt was also an option that captivated me when started my exploration. It is a safe, cheap medium, free of bunkering and storing challenges with a thirty years lifespan that I believed would be a viable option for ships. It is tied with solar energy and has been providing the electrical grid for the past 30 years. The power towers have replaced the older parabolic trough format for liquifying the salt.
Although it lags several minutes to start providing power, it can hold steady, high power for several hours, depending the storage tank. In Crescent Dunes, the plant of SolarReserves, has the capacity to provide 110MW for 10hrs. One can compare it with Hornsdale Power Reserve, Tesla’s famous battery in Australia, which can provide 70MW for 10 minutes and 30MW for three hours, and be able to perceive the difference;
Moreover it loses 1°F per day, therefore can hold the energy for longer periods than supercapacitors, though not compared to batteries;
My enthusiasm was then diminished as I’ve realised the storage tank of aforementioned plant at Crescent Dunes has a volume of 13600m3, namely to explain in three dimension, a tank having a length of 272m, breadth 10m and height 5m. That would take up a significant payload even to the larger ships and don’t wish to even think of the salt’s weight. Therefore I am leaning away from this option.
Coming to a closure with superconductive magnetic energy, the third technology of this article that exists for many decades, although it thrived in healthcare and specifically MRIs, till today that environmental issues and new materials made it feasible to be probed for energy storage.
The oldest type of low temperature system (LTS) was operating at 4K (that is four degrees above absolute zero Kelvin temperature) and helium was used as a cooling agent;
Newer ceramic based coil permitted operation at 77K and established the high temperature system (HTS) that has nitrogen cooling the coil and the overall configuration has brought the cost down significantly;
On larger systems, efficiency is reported up to 95%, with capacity heavily influenced by the size and geometry of the coil and characteristics of the conductor;
Just like the supercapacitors and flywheels, it has instantaneous response to power demand and can produce high power output;
As its size, weight and no moving parts are advantages for storage system onboard ship, it is no wonder that the US navy, along with SuperPower Inc. are already working on a concept that is pictured above, yet no other information are available;
As it has been pointed through these two articles, there are multiple alternatives, environmentally friendlier energy storage systems that can be further developed for the maritime that will drive GHG a lot more than 50%, agreed milestone from IMO Committee. Many of them, like batteries, super capacitors and fuel cells are currently operational and data can be retrieved for improving their technologies. More configurations, like superconductive energy are investigated and possible more can be explored like flow batteries and flywheels. Perhaps some of you know or have more innovative ideas, please bring them forward.
The article was first published on LinkedIn on the 17th April 2018
Σε προηγούμενο άρθρο είχα ερευνήσει μερικές από τις πιο άρτιες εναλλακτικές μορφές αποθήκευσης ενέργειας, που μπορούν να εφαρμοστούν στην ναυτιλία. Με αναφορά τα συστήματα που χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρικό δίκτυο των χωρών, εξέτασα τη δυνατότητα προσαρμογής τους στα πλοία. Έτσι εμβάθυνα της έρευνα σε εκείνο το πρώτο άρθρο πάνω στις μπαταρίες, στις μπαταρίες ροής ή οξειδοαναγωγής (flow batteries) και τους υπερπυκνωτές. Το πρώτο και τρίτο σύστημα έχουν ήδη εγκατασταθεί σε επιβατηγά πλοία και τα αποτελέσματά τους μετά από μερικά χρόνια λειτουργίας είναι πολύ ενθαρρυντικά. Οι μπαταρίες ροής δεν έχουν κάποια πρακτική εφαρμογή σε πλοία, αλλά θεωρώ ότι αποτελούν μία πολύ καλή επιλογή για περαιτέρω πειραματισμό. Φυσικά αυτή η λίστα δεν ήταν ολοκληρωμένη, καθώς υπάρχουν κι άλλες επιλογές, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν την απελευθέρωση από τα πετρελαιοειδή καύσιμα και τα καυσαέρια τους που προξενούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Σε τέσσερις τέτοιες μορφές αποθήκευσης ενέργειας θα αναφερθώ εδώ και πιο συγκεκριμένα στο υδρογόνο/ μεθανόλη, στον τροχό κανονίζων την ταχύτητα (flywheel), στο υγροποιημένο αλάτι και την υπεραγώγιμη ενέργεια.
Η χρήση της μεθανόλης ως καθαρή μορφή ενέργειας είναι συνυφασμένη με τις κυψέλες καυσίμου (fuel cells) και γι’ αυτό εξετάζω ταυτόχρονα το υδρογόνο με τη μεθανόλη, αν και διαφέρουν αισθητά στην παραγωγή, την αποθήκευση και τα καυσαέριά τους. Και τα δύο καύσιμα έχουν χρησιμοποιηθεί σε διαφορετικές μορφές κυψελών καυσίμου, όμως εμπορικά μέχρι ώρας έχουν επικρατήσει η μεμβράνη μεταλλαγής πρωτονίων (PEM) για το υδρογόνο και οι κυψέλες καυσίμου αναμορφωμένης μεθανόλης (RMFC). Οι πρόκληση είναι να αυξηθεί η απόδοσή τους, ενώ ταυτόχρονα να μειωθεί το κόστος, καθώς μέρη τους, όπως οι μεμβράνες που χρησιμοποιούν μέσα στην κυψέλη και οι δύο τύποι είναι πολύ ακριβές.
Η απόδοση των PEM’s είναι μεταξύ 50-60%, ενώ η εταιρία SerEnergy δηλώνει απόδοση μεταξύ 40-50% για την κυψέλη RMFC που έχει εγκατασταθεί στο M/S “Innogy”·
Στα υπάρχοντα πλοία οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν υποστηρικτικό μέρος της αποθηκευμένης ενέργειας, είτε παρέχοντας αποκλειστικά ηλεκτρισμό στους χώρους ενδιαίτησης ή είτε επιπλέον εύρος ταξιδιού όπως στην περίπτωση του M/S “Innogy”, του οποίου η κύρια τροφοδότησης προέρχεται από μπαταρίες. Τα κρουαζιερόπλοια της Viking φαίνονται να είναι τα πρώτα που θα έχουν αποκλειστικά υδρογόνο ως καύσιμο·
Η παραγωγή καθαρού υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης απαιτεί πολλή ενέργεια, περισσότερη απ’ όση ενέργεια προσφέρει το τελικό προϊόν, οπότε ο συνδυασμός με ανακυκλώσιμες μορφές ενέργειας επιβάλλεται για να δικαιολογηθεί η οικολογική υπόστασή του. Η μεθανόλη μπορεί να παραχθεί από απόβλητα, βιομάζα ή ανακυκλωμένο διοξείδιο του άνθρακα. Και τα δύο καύσιμα επίσης προέρχονται από πετρέλαιο (Η2), άνθρακα (CH4), φυσικό αέριο και λοιπά, όμως η ουσία είναι να επιλέξουμε καθαρές μορφές τους, χωρίς την εμπλοκή πετρελαιοειδών·
Η καύση καθαρού υδρογόνου εκκρίνει μόνο νερό, αλλά η μεθανόλη έχει ένα μικρό ποσό CO2·
Η αποθήκευση του υδρογόνου είναι αρκετά επίπονη, οι υπάρχοντες κανονισμοί το θέλουν σε ανοικτό κατάστρωμα, που παίρνει αρκετό χώρο από το ωφέλιμο φορτίο, ενώ επιπλέον δεν υπάρχουν ούτε καν κανονισμοί για τη δημιουργία σταθμών τροφοδότησης, πόσο μάλλον σταθμοί·
Η μεθανόλη επίσης είναι τοξική, ωστόσο υπάρχουν κανονισμοί τόσο για την αποθήκευσή της όσο και για τη μεταφορά της μέσω σωλήνων διπλού τοιχώματος. Επίσης υπάρχουν σταθμοί τροφοδότησης μεθανόλης σε διάφορα λιμάνια, αφού υπάρχουν πλοία που τη χρησιμοποιούν (σε μηχανές εσωτερικής καύσης)·
Τόσο το υδρογόνο, όσο και η μεθανόλη είναι πρακτικές, καθαρές μορφές αποθήκευσης ενέργειας με πρακτικές εφαρμογές σε πλοία, με τη τεχνολογία τους συνεχώς να εξελίσσεται τεχνολογικά και εμπορικά. Εκεί που απαιτείται συγκέντρωση είναι σε περισσότερες πρακτικές εφαρμογές και δοκιμές για την επίτευξη μεγαλύτερων εγκαταστάσεων που μπορούν να καλύψουν μεγαλύτερη χωρητικότητα ενέργειας.
Εκείνο που αξίζει να σημειώσουμε είναι ότι η πρώτη, δεύτερη και τέταρτη μορφή αποθήκευση ενέργειας που περιγράφονται εδώ δεν αποτελούν πρόσφατες ανακαλύψεις. Υπάρχουν για πολλές δεκαετίες, μόνο που έχουν χρησιμοποιηθεί σε άλλες μορφές ή τομείς. Για παράδειγμα οι κυψέλες καυσίμων και ο τροχός (flywheel) έχουν αναπτυχθεί για το διάστημα, γιατί μέχρι σήμερα μόνο εκεί μπορούσε να δικαιολογηθεί το κόστος τους. Φυσικά έχουν πειραματιστεί και με άλλες εφαρμογές τους, όπως το flywheel σε λεωφορεία στο Βέλγιο και την Ελβετία τη δεκαετία του 50, έτσι για να καταλάβουμε πόσο παλιά τεχνολογία είναι.
Επιστρέφοντας στο δεύτερο σύστημα του τροχού κανονίζων ταχύτητα, οι βασικές αρχές του περιγράφονται ακολούθως·
Η ενέργεια αποθηκεύεται με μορφή περιστροφική κινητική ενέργεια, την οποία επιστρέφει στο δίκτυο με τον ίδιο τρόπο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα περιστροφής, τόσο μεγαλύτερη και η αποθηκευμένη ενέργεια·
Η απόκριση στην απαίτηση ενέργειας είναι άμεση, οπότε το δίκτυο δεν αισθάνεται διαταράξεις και γι’ αυτό το λόγο έχει επιλεγεί σε ρυθμιστικό ρόλο στο Stephentown της Νέας Υόρκης. Μπορεί να παράγει υψηλή ενέργεια σε μικρό χρονικό διάστημα και επίσης να επαναφορτιστεί πολύ γρήγορα·
Η κατασκευή του τροχού είναι καθοριστική για την απόδοση, λειτουργία, ασφάλεια και τιμή του συστήματος, με βασικές παραμέτρους τα υλικά, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν, τη γεωμετρία και τα μέσα που θα εξασφαλίσουν την αιώρηση. Συνειδητά στην εξέταση αυτή παραβλέπω τα μηχανικά ρουλεμάν, γιατί είναι σχετικά παρωχημένα και θα προβάλλουν μία σχετικά αρνητική αξιολόγηση. Κάποια σημεία τα οποία αξίζει να σημειωθούν για τους τροχούς περιγράφονται στις επόμενες παραγράφους·
Οι τροχοί σε υψηλές ταχύτητες μπορούν να θρυμματιστούν. Στην περίπτωση μεταλλικών τροχών, αυτά τα θραύσματα μπορούν να διαπεράσουν το θάλαμο κενού και γι’ αυτό ήταν κλεισμένοι σε διπλό τοίχωμα. Όμως με νέα πλαστικά συνθετικά υλικά, αν και δεν μπορούμε να αποφύγουμε πιθανή θραύση, μπορούμε να αποφύγουμε το διπλό τοίχωμα·
Επιπλέον τα νέα συνθετικά υλικά επιτρέπουν ελαφρότερες κατασκευές και ευνοϊκότερη διανομή βάρους, υποστηρίζοντας μεγαλύτερες ταχύτητες (δηλαδή χωρητικότητα ενέργειας) με τη ΝΑΣΑ να αναφέρει 2.5 φορές την ταχύτητα του ήχου·
Τα μαγνητικά ρουλεμάν (μόνιμος μαγνήτης) έχουν τη μικρότερη απόδοση, αλλά ενεργούν και κρατούν σε αιώρηση τον τροχό συνεχώς, σε αντίθεση με τους ηλεκτρικούς μαγνήτες που χρειάζονται ενέργεια για να ξεκινήσουν και τους υπεραγώγιμους που χρειάζονται κρυογονικό σύστημα ψύξης. Οι τελευταίοι όμως έχουν την μεγαλύτερη απόδοση·
Οι τροχοί με μαγνητικά ρουλεμάν θεωρητικά δεν έχουν τέλος ζωής και απαιτούν πολύ μικρή συντήρηση. Από την εμπειρία με μηχανικά ρουλεμάν, η ζωή τους φτάνει τα 20 χρόνια, μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των μπαταριών·
Το κόστος τους όμως είναι σημαντικό. Αν συνδυάσουμε τις ιδανικότερες επιλογές, συνθετικά πλαστικά υλικά με υπεραγώγιμους μαγνήτες, που φέρουν την μεγαλύτερη απόδοση, φτάνουμε σε αστρονομικές τιμές·
Ωστόσο πολλοί κατασκευαστές αυτοκινήτων έχουν συμπεριλάβει τους τροχούς κανονίζων ταχύτητα στα αμάξια τους, με πρωτότυπα να κινούνται με αυτούς, ενώ η ΝΑΣΑ ετοιμάζει δορυφόρους αποκλειστικά τροφοδοτημένους με flywheel. Στη ναυτιλία δεν υπάρχει κάποιο αντίστοιχο πείραμα, αλλά προσωπικά θα ήθελα πολύ να παρακολουθήσω κάποιο.
Μία άλλη μορφή αποθήκευσης ενέργειας που αρχικά με ενθουσίασε είναι το υγροποιημένο αλάτι. Είναι ασφαλές, φτηνό μέσο, χωρίς εμπλοκές στην αποθήκευση και τροφοδότησή του, με τριάντα χρόνια ζωής. Είναι συνυφασμένο με την παραγωγή ηλιακής ενέργειας και έχει δοκιμαστεί για τρεις δεκαετίες. Οι νέοι πύργοι ενέργειας έχουν αντικαταστήσει την παλιά παραβολική γούρνα για την υγροποίησή του, αλλά η ιδέα παραμένει η ίδια.
Αν και υπάρχει κάποια ολιγόλεπτη καθυστέρηση στην έναρξη παραγωγής ενέργειας, μπορεί να διατηρήσει σταθερή, υψηλή ενέργεια για αρκετές ώρες, ανάλογα με την χωρητικότητα της δεξαμενής. Το Crescent Dunes, το εργοστάσιο της SolarReserves, έχει την ικανότητα παραγωγής 110MW για 10 ώρες. Αν το συγκρίνουμε με το Hornsdale Power Reserve, τη διάσημη μπαταρία της Tesla στην Αυστραλία, η οποία μπορεί να παρέχει 70MW για 10 λεπτά (χρησιμοποιείται επιτυχώς για τη ρύθμιση του ρεύματος) και 30MW για τρεις ώρες (ουσιαστική σύγκριση με το υγροποιημένο αλάτι) μπορεί να αντιληφθεί κανείς τις τάξεις μεγέθους·
Επιπλέον χάνει μόνο 1°F κάθε μέρα, άρα μπορεί να διατηρήσει την ενέργεια περισσότερο συγκριτικά με τους υπερπυκνωτές, αλλά όχι σε σχέση με τις μπαταρίες·
Όμως ο αρχικός ενθουσιασμός μου εξαλείφθηκε όταν κατάλαβα το μέγεθος της προαναφερθείσας δεξαμενής, όγκου 13600m3, δηλαδή, για να γίνει πιο κατανοητό, σε τρεις διαστάσεις, έχουμε ένα μήκος 272m, πλάτος 10m και ύψος 5m. Αν το βάλουμε σε ένα πλοίο, θα καταλάβει το μεγαλύτερο μέρος του ωφέλιμου φορτίου και δεν έχω καν υπολογίσει το βάρος του αλατιού. Άρα δεν θεωρώ πλέον το υγροποιημένο αλάτι μία πιθανή επιλογή.
Η τελευταία μορφή αποθήκευσης ενέργειας που θα εξετάσουμε σε αυτό το κείμενο είναι η υπεραγώγιμη μαγνητική ενέργεια, η οποία επίσης υπάρχει από τις αρχές του 20ου αιώνα, αν και αναπτύχθηκε κυρίως στην ιατρική και συγκεκριμένα στις μαγνητικές ακτινογραφίες. Σήμερα περιβαλλοντικές ανησυχίες και νέα υλικά υποστηρίζουν την χρήση της σαν μέσο αποθήκευσης ενέργειας.
Ο παλαιότερος τύπος της, αυτός της χαμηλής θερμοκρασίας (LTS) λειτουργεί στους 4K, δηλαδή 4βαθμούς πάνω από το απόλυτο μηδέν με μέτρηση Kelvin, και το ήλιο χρησιμοποιείτο ως ψυκτικό υλικό·
Νέο τύπου σύρμα, με κεραμική βάση, επιτρέπει τη λειτουργία στους 77K στο σύστημα υψηλούς θερμοκρασίας (HTS) που χρησιμοποιεί το άζωτο για να ψύχει το σύρμα και γενικά η νέα σύνθεση έχει κατεβάσει αισθητά το κόστος·
Σε μεγάλα συστήματα η απόδοση φτάνει το 95%, αλλά η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας εξαρτάται από το μέγεθος και τη γεωμετρία του σύρματος, καθώς επίσης και με τα χαρακτηριστικά του αγωγού·
Όπως οι υπερπυκνωτές και οι τροχοί κανονίζων ταχύτητα, έχουν άμεση απόκριση στην τροφοδοσία και μπορούν να προσφέρει υψηλή ενέργεια·
Επίσης λόγω μεγέθους, βάρους και έλλειψη κινούμενων μερών είναι ένα ελπιδοφόρο μέσο αποθήκευσης ενέργειας στο πλοίο και γι’ αυτό το ναυτικό των Ηνωμένων Πολιτειών σε συνεργασία με τη SuperPower Inc. δουλεύουν σε ένα πρότζεκτ, που απεικονίζεται προηγουμένως, αν και δεν υπάρχουν περισσότερες πληροφορίες γι’ αυτό·
Όπως έχει αποδειχθεί σε αυτά τα δύο άρθρα, υπάρχουν πολλές πιθανές εναλλακτικές μορφές αποθήκευσης ενέργειας για τα πλοία, οι οποίες μπορούν να υποστηρίξουν μείωση των καυσαερίων πέραν του συμφωνηθέντος 50% (για το CO2) μέχρι το 2050. Πολλές από αυτές έχουν ήδη πρακτικές εφαρμογές ή είναι σε πειραματικό στάδιο, αλλά τόσο τα flywheels όσο και οι μπαταρίες οξειδοαναγωγής μπορούν να ερευνηθούν περισσότερο. Ίσως κάποιοι από εσάς να ξέρετε κι άλλες μορφές, παρακαλώ όπως με ενημερώσετε.
Το άρθρο εκδόθηκε αρχικά στο LinkedIn την 17η Απριλίου 2018
1
2
3
4
23m Passenger Catamaran
Concept of fully electric passenger catamaran, concept from SeaRose Design & Technical Services Ltd
Diesel Electric Configuration from MAN
Classic diesel electric propulsion configuration with shaft line, photo from https://marine.mandieselturbo.com/docs/librariesprovider6/marine-broschures/diesel-electric-drives-guideline.pdf
Hybrid Configuration
A possible hybrid configuration of diesel GenSets and batteries, concept from SeaRose Design & Technical Services Ltd
Fully Electric Propulsion
An example of possible fully electric configuration, concept from SeaRose Design & Technical Services Ltd
From diesel electric to hybrid to fully electric
Ηλεκτρική πρόωση από πετρελαιογεννήτριες,
σε υβριδική διάταξη και σε πλήρως ηλεκτρικό
Electric propulsion is hardly novice technology. There are several hundred ships sailing with diesel generators or gas turbines powering propulsion motors and pod drives. It has rose to premium standing through its efficiency in the different modes, whether running at full power achieving max speed to quick, responsive manoeuvrability at lower speeds to dynamic station keeping. Diesel generators have the ability to get full torque throughout their operational envelope, hence can cope with high loads in stand still situations or demanding pollard pull manoeuvres. Laterally this efficiency adds in the long life cycle of the ship, as it is permitting considerable functionality switching and versatile itineraries in the unforeseeable future. It is no coincidence that the primary market for electric propulsion has been offshore industry.
Another sector with significant benefits from this configuration are ferries and cruisers as the vibration sources are vastly eliminated. With no gearboxes, less rotating parts in general, the ship experiences less excitation sources affecting the structure and generating vibration borne noise, thus resulting to higher comfort for the passengers onboard. In the case of pods, where all the machinery is basically outside the hull, engine room noise is minuscule, yet the sea environmental impact might be unfavourable. In line with the requirements for “Safe return to port” for passenger ships, dividing engine room and increasing redundancy couldn’t be simpler, while simultaneously overall required engine room space is smaller than a mechanically driven ship, which is translated to larger payload.
Fuel consumption is another area of positive contribution, as it enables the operator to use exactly the power needed for the specific mode and, with variable speed drives, rotating the shaft at the corresponding revolutions maximising fixed propeller output. Furthermore as diesel generators are fuelled with distilled oil and gas turbines with LNG, simply by opting to electric propulsion will suffice meeting the IMO requirements of particle and sulphur emissions coming into force in two years time. Yet it might be a short lived compliance as current discussions are aiming to curb CO2 emissions as well, as there is increasing concern on the environmental impact. On the latter point, additional advantages of electric propulsion are noted as it can be coupled easier with alternative sources of power, like solar, wind or batteries, further limiting emissions.
A simple graph from Man portraits the main components included in a classic diesel electric propulsion configuration with shaft line that has the GenSet connected to the propulsion switchboard supplying DC current to the inverters, changing it to AC for the electric propulsion motors that ultimately power the shaft. Needless to say that in the case of pods, the propulsion motor is incorporated in the pod driver itself, hence equipment lessens.
As we’ve briefly mentioned before, environmental impact has a pivotal role in greater expansion of electric propulsion, supported by its easy configuration to alternative energy storage sources. As a midterm option, hybrids are introduced, combining mostly diesel generators and battery packs. In the following diagram one can see a concept system in a series hybrid set up, where the propulsion motor is powered by the diesel generator or battery packs, while the management system is responsible for switching between the two energy sources. DC choppers are introduced in-between the battery packs and switchboard, while a converter is between diesel generators and the switchboard to regulate the voltage and frequency, with inverters/ variable speed drives connected to the propulsion motors regulating power and rpm. Batteries are charged from the port’s utility grid and/ or diesel generators and when they run short of power, diesel generators kick in to ensure a safe voyage.
Such an example are Hurtigruten’s exploration cruise ships built in Kleven yards in Norway with the hybrid options from Rolls Royce, first of which will accommodate up to 30min of completely silent voyage while travelling the fjords for the passengers to enjoy the scenery and protect the sensitive environment, during which time she will be running on batteries. Their pilot project is to be introduced within this year, with more cruise ships to be retrofitted in the coming years for longer “silent” periods. Another similar project in operation, but quite smaller in size, has been the 23m E-ferry “Ferry Happiness” of the Kaohsiung city of Taiwan, that powers her two propulsion units with lithium-ion-prosphate batteries and is supported by two diesel generators for extended range, option developed by Visedo. This has been a conversion of an existing vessel, which was necessitated by the city council that tasked Ship & Ocean Industries R&D Center to identify ways limiting CO2 emissions of the numerous ferries within their port. Upon the successful completion of this project and with records saving on fuel and lowering CO2 emissions, more are to follow with similar conversions.
Yet hybrid is only one step towards the fully electric vessel and there are several operational around the world. The first has been STX’s Ar Vag Tredan, connecting Lorient to Pen-Mané in France, running since 2013 and has a supercapacitor storing energy. Another has been MF Ampere, operated by Norled, built by Fjellstrand, with Corvus Energy storage solution onboard. The configuration can be fairly similar to the hybrid option, sans the diesel generator, a possible layout is seen below.
This concept is becoming more commonplace, as more operators are investing in clean ships and more manufacturers are introducing new propulsion options covering this range. Yet the infrastructure for charging them is somewhat lacking behind. North America and Northern Europe are areas with the many ports supporting cold ironing of high voltage, while south Europe is developing several sites as well. China and Japan have a couple running presently and also introducing more in the coming years. Yet for an operator to invest in a fully electric ship is a risky option, as it would limit the vessel in very specific routes. A combined effort between the private and public sector in developing ports would definitely be appreciated, keeping our fingers crossed.
The article was first published on LinkedIn on the 19th March 2018
Αναμφισβήτητα η ηλεκτρική πρόωση δεν είναι καινούρια τεχνολογία, υπάρχουν εκατοντάδες πλοία με πετρελαιογεννήτριες ή αεριοστροβίλους που τροφοδοτούν ηλεκτρικούς κινητήρες πρόωσης ή pod drives. Η επιτυχία της οφείλεται στην υψηλή απόδοση στις διάφορες επιχειρησιακές ταχύτητες, τόσο στη μέγιστη, όσο σε χαμηλές με ακριβής μανουβράρισμα αλλά και στη δυνατότητα διατήρησης της θέσης του πλοίου με μηχανικά μέσα χωρίς αγκυροβόλιο. Πολύ απλά η γεννήτριες έχουν την ικανότητα να αποδίδουν μέγιστη ροπή σέ όλο τον επιχειρησιακό φάκελο, οπότε μπορούν να αντεπεξέλθουν σε υψηλά φορτία όταν το πλοίο είναι στάσιμο ή όταν χρειάζεται ώση για ρυμούλκηση. Η ελαστικότητα αυτή προσθέτει στη διάρκεια ζωής του πλοίου καθώς υποστηρίζει περισσότερες λειτουργίες και μία πιθανή μετατροπή του στο μέλλον για να καλύψει επιπλέον ρότες. Όπως είναι εύκολα κατανοητό, η κύρια αγορά των πλοίων με ηλεκτρική πρόωση ήταν και είναι η υπεράκτια βιομηχανία.
Μία εξίσου σημαντική αγορά όμως για την ηλεκτρική πρόωση είναι τα επιβατικά πλοία και κρουαζιερόπλοια αφού οι πηγές ταλαντώσεων εξαλείφονται. Χωρίς μειωτήρες και γενικότερα λιγοστά κινούμενα, μηχανικά μέρη, τα πλοία έχουν μειωμένη καταπόνηση της κατασκευής και θόρυβο που δημιουργείται από τις ταλαντώσεις, χαρακτηριστικά που προσθέτουν στην άνεση των επιβατών. Ειδικά στην περίπτωση των ποντς, που όλος ο κινητήρας βρίσκεται έξω από τη γάστρα, ο θόρυβος του μηνανοστασίου είναι ανεπαίσθητος και ευνοεί το πλοίο αν και μπορεί να επιβαρύνει περισσότερο το θαλάσσιο οικοσύστημα. Σύμφωνα με τις αρχές την “ασφαλούς επιστροφής στο λιμάνι” για τα επιβατικά πλοία από τη SOLAS, η διαίρεση του μηχανοστασίου και η αυτονομία επιτυγχάνεται ευκολότερα, ενώ ταυτόχρονα μειώνεται ο χώρος του μηχανοστασίου, που αντιστοιχεί και σε αύξηση του ωφέλιμου φορτίου.
Το συγκεκριμένο σύστημα συμβάλλει σημαντικά και στη μείωση κατανάλωσης καυσίμων, αφού επιτρέπει στον χρήστη να χρησιμοποιεί ακριβώς την ιπποδύναμη που χρειάζεται για τη συγκεκριμένη λειτουργία και με κινητήρες μεταβαλλόμενης ταχύτητας, να ορίζει τις στροφές του άξονα και προπέλας για να μεγιστοποιεί την απόδοση της σταθερής προπέλας. Επιπλέον οι πετρελαιογεννήτριες τροφοδοτούνται με αποσταγμένο πετρέλαιο και οι αεριοστρόβιλοι με υγρό φυσικό αέριο, ήτοι αν οι ιδιοκτήτες αποφασίσουν να επιλέξουν ηλεκτρική πρόωση καλύπτουν της απαιτήσεις του ΙΜΟ που έρχονται σε ισχύ σε δύο χρόνια. Φυσικά μπορεί να εισαχθούν και νέοι κανόνες περιορισμού το CO2, όπως ορίζουν οι τελευταίες συζητήσεις, λόγω του αυξανόμενου ενδιαφέροντος για το περιβάλλον. Πρέπει όμως να παρατηρήσουμε ότι η ηλεκτρική πρόωση υποστηρίζει τη σύνδεση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως ηλιακή, αιολική και εναλλακτικές μορφές αποθήκευσης ενέργειας, όπως οι μπαταρίες, που επιπλέον περιορίζουν τους ρύπους.
Ένα απλό διάγραμμα από την ΜΑΝ ονοματίζει τα κύρια μηχανικά μέρη μίας κλασσικής ηλεκτρικής πρόωσης με πετρελαιογεννήτριες, συνδεδεμένες στον πίνακα συνεχούς ρεύματος, που τροφοδοτεί τους μετατροπείς ρεύματος για να δημιουργήσουν εναλλασσόμενο ρεύμα και τελικά να δώσουν ενέργεια στους κινητήρες πρόωσης που στρέφουν τον άξονα και την προπέλα. Είναι αυτονόητο ότι στην περίπτωση των ποντς, οι κινητήρες πρόωσης συμπεριλαμβάνονται στο κλειστό σύστημα, όποτε μειώνονται τα εξαρτήματα.
Όμως όπως αναφέρθηκε πρωτίστως, περιβαλλοντικοί λόγοι τροφοδοτούν την επιπλέον επέκταση της ηλεκτρικής πρόωσης, που καθιστά ευκολότερη την χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μεσοπρόθεσμα λοιπόν έχουν εμφανιστεί τα υβριδικά πλοία που συνδυάζουν τις πετρελαιογεννήτριες και τις μπαταρίες. Στο ακόλουθο διάγραμμα φαίνεται ένα παράδειγμα μίας τέτοιας υβριδικής εγκατάστασης, όπου οι κινητήρες πρόωσης τροφοδοτούνται είτε από την πετρελαιογεννήτρια είτε από τις μπαταρίες, ενώ το σύστημα διαχείρισης ορίζει την πηγή τροφοδότησης. Κατάλληλες μονάδες για την εξομάλυνση ή μετατροπή της ενέργειας τοποθετούνται μεταξύ του πίνακα ηλεκτρικού ρεύματος με τις μπαταριές και τις γεννήτριες αντίστοιχα, ενώ οι μετατροπείς/ κινητήρες μεταβαλλόμενης ταχύτητας καθορίζουν τις στροφές του άξονα. Οι μπαταρίες φορτίζονται από τις εγκαταστάσεις των λιμανιών ή τις ηλεκτρογεννήτριες, οι οποίες εξασφαλίζουν επιπλέον εύρος ταξιδιού.
Ένα τέτοιο παράδειγμα εν λειτουργία είναι τα κρουαζιερόπλοια της Hurtigruten’s που έχουν χτιστεί στα ναυπηγεία Κλέβεν στη Νορβηγία με υβριδικό σύστημα από την Rolls Royce, το πρώτο από τα οποία δύναται να ταξιδέψει 30 λεπτά σε απόλυτη σιγή χρησιμοποιώντας τις μπαταρίες ενώ οι επιβάτες του μπορούν να απολαύσουν τα φιορδς, με τη περιβαλλοντικότερη προσέγγιση για αυτό το ευαίσθητο οικοσύστημα. Το πρώτο θα καθελκυστεί μες στο έτος, ενώ θα ακολουθήσουν μετασκευές και σε άλλα κρουαζιερόπλοια της πλοιοκτήτριας εταιρίας με στόχο μεγαλύτερη διάρκεια σιγής στην πρόωση.
Παρόμοιο σύστημα υπάρχει για το ηλεκτρικό φέρυ “Ferry Happiness”, αν και το μέγεθος αυτού είναι πολύ μικρότερο των κρουαζιεροπλοίων, μήκους 23μ, που εξυπηρετεί την πόλη Kaohsiung της Ταϊβάν και το οποίο τροφοδοτεί τους κινητήρες πρόωσης με μπαταρίες ιόντων λιθίου και φωσφόρου, ενώ έχει και δύο ηλεκτρογεννήτριες πετρελαίου για επιπλέον εύρος ταξιδιού, σύστημα που έχει αναπτυχθεί από την Visedo. Αυτό ήταν μία μετασκευή από υπάρχον πλοίον, το οποίο ζητήθηκε από το συμβούλιο της πόλης, που ανέθεσε στο τοπικό κέντρο έρευνας και ανάπτυξης βιομηχανίας πλοίων και ωκεανού να ανακαλύψει τρόπους μείωσης των ρύπων από τα φέρυ που κινούνται στο λιμάνι τους. Καθώς το πρότζεκτ έχει κριθεί επιτυχημένο, με μείωση τόσο της κατανάλωσης καυσίμων αλλά και ρίπων CO2, περισσότερες μετασκευές αναμένονται στο μέλλον.
Λογική εξέλιξη του υβριδικού είναι στο πλήρως ηλεκτρικό, που επίσης υπάρχουν διάφορα παραδείγματα εν λειτουργία σήμερα. Το πρώτο είναι το Ar Vag Tredan από την STX, που συνδέει το Lorient to Pen-Mané στη Γαλλία και μπήκε στη γραμμή το 2013, με υπερπυκνωτή για την αποθήκευση της ενέργειας. Ένα άλλο παράδειγμα είναι το φέρυ MF Ampere της Norled που ναυπηγήθηκε από το Fjellstrand και η Corvus Energy παρείχε τις μπαταρίες για την ενέργεια. Αυτή η εγκατάσταση δεν διαφέρει πολύ από την προαναφερθείσα υβριδική διάταξη, απλά λείπουν οι γεννήτριες και ένα διάγραμμα/ παράδειγμα απεικονίζεται ακολούθως.
Όσο αυτό το σύστημα γίνεται πιο δημοφιλές, περισσότεροι πλοιοκτήτες επενδύουν σε “καθαρά” πλοία και περισσότεροι κατασκευαστές εισέρχονται στο χώρο με τις δικές τους προτάσεις. Οι εγκαταστάσεις στα λιμάνια είναι σε εμβρυική κατάσταση, με τη βόρεια Αμερική και βόρεια Ευρώπη να έχουν το προβάδισμα με πολλά από τα λιμάνια τους να παρέχουν φόρτιση υψηλής τάσεως, ενώ σιγά σιγά και η νότια Ευρώπη εξοπλίζει αντιστοίχως τα λιμάνια της. Η Κίνα και η Ιαπωνία επίσης έχουν κάποια λιμάνια εξοπλισμένα και μερικά που τώρα εξοπλίζονται. Φυσικά για έναν πλοιοκτήτη που θέλει να επενδύσει σε ένα τέτοιο πλοίο, χρειάζεται να κοιτάξει σε πολύ περιορισμένες περιοχές και διαδρομές. Μία συνολική προσπάθεια μεταξύ ιδιωτικού και κρατικού τομέα χρειάζεται για να αναπτυχθούν περισσότερα λιμάνια.
Το άρθρο εκδόθηκε αρχικά στο LinkedIn την 19η Μαρτίου 2018
1
2
3
4
MF Ampere of Norled
Βuilt from Fjellstrand, image credit to Samferdselsfoto, https://www.dnvgl.com/news/seatrade-award-for-dnv-gl-classed-ampere-world-s-first-fully-electric-vessel--24038
Sir Adam Beck Generating Complex
At Niagara Falls, Canada, which includes a large pumped storage hydroelectricity reservoir to provide an extra 174 MW of electricity during periods of peak demand from https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_storage
Hornsdale Energy Reserve, South Australia
World's Biggest Battery by Tesla, from https://www.popsci.com/tesla-building-worlds-biggest-battery-how-it-will-work
Ar Vag Tredan
Passenger ferry by STX France with supercapacitor, photo from http://www.almet-marine.com/en/achievements/your-achivements-with-almet-marine/arvagtredan-detail.html
Available options today for storing energy
onboard ships & using renewables
Τρόποι αποθήκευσης ενέργειας με δυνατότητα
βραχυπρόθεσμης ενσωμάτωσης στα πλοία σε
συνδυασμό με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Employing renewable sources of energy, like solar, wind and hydro, is by far the most environmental choice, which stumbles across the unpredictability in supply or the timing mismatch of the demand and generation. Therefore in order to effectively apply regenerative energy forms in our ships, we need an efficient storage system, regulating production and consumption. As electricity grid has been the focal point in respective research, it is only logical to start from its options and built upon them, considering the practicalities of the marine sector.
One of the most popular system for shore power has been hydro, with open or closed loop configurations, namely attached to natural water streams and hydroelectric dams, or pumped up in higher ground reservoirs in the former case and made up caves in the latter. It is a tried method, accounting for 3% of global generating power with satisfactory results, yet has met backlash on occasions for depleting natural water resources for the areas downstream and impairing the local ecosystem.
Another widespread system employs compressed air maintained in underground caves when production exceeds demand, later expanded when need arises. In the diabatic method, Isothermal CAES, commonly used today, the expansion of air is coupled with natural gas and has CO2 emissions, but the advanced CAES, presently in beta phase, can limit extinct emissions.
Coming up strongly in preferences are batteries that have been recently added in provincial scale grids, with Tesla operating the largest battery, Hornsdale Energy Reserve, in South Australia. Although this is a Lithium-Ion based battery, there are many types available and more coming to fill the market’s zest, with novice designs springing continuously.
At niche areas, we can note less established but promising alternatives, like thermal storage. Such an example would ice being used in hot climates to cool buildings, or molten salt, which is in experimental stage. Moreover the flywheel, more prominent in the aerospace, but found in UPS as well, where energy is stored in a rotor that is enclosed in a space near vacuum. Off course hydrogen, sourced through electrolysis is as much as a fuel as a storage possibility and has been used in vessels, with more projects coming. Lastly we see the superconductive magnetic energy, still available only in research labs that can possible find practical applications in the future.
As mentioned in the opening paragraph, the purpose of this exploration is to identify possible storage solutions for the maritime. It is evident that applying hydro, necessitating large reservoirs in high altitude differential or compressed air, comprising huge underground spaces, are not feasible options. Yet batteries are definitely an alternative, popular for boats in inland waters and tested in some projects for passenger vessels and ferries, in their different formats.
The dominant type on boats and vessels with batteries supplying hotel services and starting the engines and/or generators are presently valve regulated lead acid batteries (VRLA). They are tested, reliable, serving the industry for 100 years, yet they are heavy and of limited capacity. Compared to the now favourites, Lithium Ion (Li-Ion) batteries, VRLAs have double the weight and with less than half energy density (considering NMC Li-Ion cell), ED being the amount of Watt per hour per volume. Off course the Li-Ion comes with a price 2.5x times higher, but it keeps dropping as competition heightens among manufacturers, with many new entering the market, propositioning various metal components and electrolytes, limiting their production cost simultaneously. Among the main drawbacks of Li-Ion is their long charging time, with Tesla having the supercharge stations reversing that, but who are not providing the marine sector at this moment. The flaw is generated from their instability when overheated, which can and has led to some explosions and recalls from reputable manufacturers, prompting also authorities to forbid air passage of Li-Ion batteries in luggages for passenger planes. Their lifespan is reported at 300-500 cycles, which manufacturers claiming that it can be extended to 1000-1200 cycles if the battery is charged when reaching half the capacity. That is translated to about 20% energy increment, as half the cell’s capacity will be used in each cycle. There are companies like Kokam, who state life of 15 years and 20000 cycles in their LTO cell batteries, but I would appreciate a third party verification. It would be necessary to mention that they operation is best within 10-40ºC, with lower temperatures yielding to lower efficiency and higher temperatures accelerating degradation, then again efficiency drops in colder climates for fossil fuel too.
Going back to the fundamental premise of environmentally friendlier power and looking into recycling of Li-Ion batteries, it is possible and in EU the law holds makers responsible to collect them. Yet presently recycling is 3x (with some claiming 5x) more expensive than mining, providing no monetary incentive to do so. Whether known reserves can sustain the demand of lithium is under debate, with some arguing that if it goes mainstream, eliminating all other competitors, reserves will be depleted in the next 17 years, and others considering that more reserves will be discovered, as there is a market for it and productive alternatives to Li-Ion will also exist. Most lithium reserves are cited in Latin America and cobalt is mainly mined in Democratic Republic of Congo, raising some concerns on the mindful extraction of the metals. In respect of marine application in larger format, the ferry MF Ampere, delivered by Fjellstrand to NorLed in 2015 has been operating successfully since and the shipyard is preparing another 87.5m catamaran ferry, for 120 cars, 12 trucks and 296 passengers, which will be delivered to her owners by the fourth quarter of this year. As it was announced in last week’s NordicEVS, there are 53 more electric ferries in Fjellstrand’s order book.
As an affiliated segment of batteries, capacitors are storing energy in an electric field, although they are more commonly used in filtering or regulating electric power. In respect of energy density they have 1/10 compared to batteries and their voltage is linearly dropping during discharge, while it remains constant with batteries. Yet they have higher power density, namely they can charge and discharge very quickly, about 10x faster than batteries. In marine transport there is a supercapacitor electric passenger transport vessel connecting Lorient and Pen-Mané in France, operating since 2013, made by STX France. It is a 22m catamaran, carrying 113 passengers and traveling at 10knots, fully charging within 4min, while loading at the ports. On the down side it has costed €1m more than a conventional vessel, as capacitors tend to be a lot more expensive even to Li-Ion batteries. There seems to be a growing interest for them, noticing classification societies like ABS publishing guidelines, which means we can hope for further development and price drop in the future.
Still under the umbrella of batteries, we can find the Flow batteries, or Redox batteries from the reduction and oxidation reactions in their charge and discharge cycle, which also have a dual function as fuel cells and batteries. In their true format, they are comprised by two liquids, such as Iron to Chromium or Vanadium to Vanadium, separately stored then pumped to the cell, with a membrane limiting free flow. Their capacity is dependent on the cell’s size and in this format can provide maximum safety as they have power and energy completely apart, i.e. in case of fault pumping stops and free electron flow ceases. Their efficiency differs between the various configurations but is in the range of 60%-80%. In their hybrid format, there is a metal component also included, like the Zinc-Bromine type that Exxon developed in the Seventies and is used in the electric grid of Australia with an efficiency between 65% to 75%, but in this case energy is stored on the metal and capacity is also dependent on the surface of the metal. They can operate for 20 years with 0% degradation, which is the main attraction and can be competitive in prices for the energy storage in the 10s KW to the 10s MW. Specifically Redox Vanadium type batteries presently have a value of US$500kW/h which is expected to drop at US$150kW/h by 2020. Unfortunately they can hold storage for 2-10 hours.
In respect of current application on shore, Rongke Power is preparing in Dalian, China, a battery of 200/800MW that when operated will take the top spot of the larger battery from Tesla, which is at 100/129MW. In the marine sector there is no example, but since the tanks are already available in the design, it might worth looking further into it, for larger ships on short trips. Moreover the technology keeps evolving, many companies around the globe have invested in flow batteries, so more options might be presented shortly.
There are more options and possibilities to investigate for storing energy onboard ships, that will be covered in a following article. It is an exciting field that has inspired many companies and attracts investment that is constantly transforming and is worth keeping up with.
The article was first published on LinkedIn on the 7th February 2018
Είναι γενικώς αποδεκτό ότι η εκτεταμένη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως ηλιακή, αιολική και υδροηλεκτρική υποστηρίζουν ένα υγιές φυσικό περιβάλλον. Δυστυχώς η διάδοσή τους περιορίζεται από τα διαθέσιμα μέσα αποθήκευσης της ενέργειας τους, αφού η παραγωγή αυτής δεν συμπίπτει, στις περισσότερες περιπτώσεις, με την κατανάλωση. Επομένως η ευρεία εφαρμογή αυτών των μορφών παραγωγής ενέργειας εξαρτάται από το σύστημα αποθήκευσης της, που θα εξασφαλίζει το σύστημα όλες τις ώρες. Καθώς τα μέσα αυτά έχουν πρωτίστως αναπτυχθεί για το ηλεκτρικό δίκτυο των χωρών, ξεκινάμε εξετάζοντας τα δεδομένα εκεί και στη συνέχεια επιλέγουμε ποια από αυτά μπορούν να προσαρμοστούν στα πλοία.
Η πιο διαδεδομένη μορφή αποθήκευσης ενέργειας για το ηλεκτρικό δίκτυο είναι η υδροηλεκτρική. Μπορεί να είναι είτε ανοικτού τύπου, ήτοι συνδεδεμένη με φυσικά ποτάμια και φράγματα, είτε κλειστού τύπου, δηλαδή αντλούμενη σε δεξαμενές ανώτερου επιπέδου και ειδικά κατασκευασμένες σπηλιές. Είναι μία δοκιμασμένη μορφή που αντιστοιχεί στο 3% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας με αξιόπιστα αποτελέσματα, αν και σε κάποιες περιπτώσεις είναι συνυφασμένη με αρνητική επίδραση των υδάτινων πόρων που καταστρέφουν το οικοσύστημα στα μετέπειτα στάδια του ποταμού.
Ένα επίσης πολύ πετυχημένο σύστημα για το ηλεκτρικό δίκτυο είναι ο πεπιεσμένος αέρας που διατηρείται σε υπόγειες σπηλιές, συμπιέζεται όταν υφίσταται πλεονάζουσα παραγωγή και αποσυμπιέζεται για να συμπληρώσει ανάγκες στην κατανάλωση. Η διαβατική μέθοδος που χρησιμοποιείται σήμερα, ισοθερμική CAES, χρειάζεται φυσικό αέριο και εκπέμπει CO2, αλλά η εξελιγμένη CAES που βρίσκεται σε πειραματικό στάδιο μπορεί να εξαφανίσει τους ρύπους.
Οι μπαταρίες επίσης γνωρίζουν μία πρωτοφανής ανάπτυξη και προστίθενται σε διάφορα ηλεκτρικά δίκτυα, με την Tesla να έχει την μεγαλύτερη μπαταρία στο Hornsdale Energy Reserve, της Νότιας Αυστραλίας. Ο συγκεκριμένος τύπος είναι ιόντων λιθίου, αλλά υπάρχουν πολλοί άλλοι τύποι στην αγορά, ενώ ταυτόχρονα δημιουργούνται συνεχώς νέοι, καθώς υπάρχει συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση.
Παρατηρώντας κάπως πιο εξειδικευμένες περιπτώσεις, η ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή θερμικής ενέργειας, όπως για παράδειγμα με τη μορφή πάγου που στη συνέχεια ψύχει ζεστά σπίτια ή με τη μορφή υγροποιημένου αλατιού. Επιπλέον αποθηκεύεται στον τροχό κανονίζων ταχύτητα (flywheel), που είναι περισσότερο διαδεδομένο σε διαστημικά προγράμματα αλλά και σε UPS, με την ενέργεια να διατηρείται από τον περιστρεφόμενο ρότορα που κινείται σε περιβάλλον κενού.
Η αναζήτηση αυτή φυσικά δεν μπορεί να παραβλέψει το υδρογόνο, αν και δεν έχει εφαρμογές στο ηλεκτρικό δίκτυο, αριθμεί όμως πολλές εγκαταστάσεις κυψελών σε πλοία και πολλές περισσότερες σε αυτοκίνητα και λεωφορεία. Επιπλέον οφείλουμε μία αναφορά στους υπεραγώγιμους μαγνήτες που είναι σε πειραματικό στάδιο αλλά με σχέδια πρακτικών εφαρμογών στο προσεχές μέλλον.
Όπως δήλωσα στην αρχική παράγραφο, η περιγραφή των μέσων αποθήκευσης ενέργειας στο ηλεκτρικό δίκτυο σκοπό έχει την επιλογή των μορφών αυτών που μπορούν να προσαρμοστούν στη ναυτιλία. Μπορεί κανείς πολύ εύκολα να καταλάβει ότι η υδροηλεκτρική, που απαιτεί μεγάλες δεξαμενές και υψομετρικές διαφορές, όπως επίσης ο πεπιεσμένος αέρας, που περιλαμβάνει τεράστιους κλειστούς χώρους δεν αποτελούν πρακτικές λύσεις. Όμως οι μπαταρίες που αριθμούν ήδη πολλές εφαρμογές, ειδικά σε σκάφη για λίμνες, αλλά και σε επιβατηγά πλοία σαφέστατα δύνανται να αναπτυχθούν περαιτέρω.
Ο δημοφιλέστερος τύπος μπαταρίας σε σκάφη και πλοιάρια σήμερα, για την τροφοδότηση των χώρων ενδιαίτηση και για τη μίζα των μηχανών και γεννητριών, είναι οι μπαταρίες ρυθμιζόμενες μολύβδου οξέος (VRLA). Είναι δοκιμασμένες, αξιόπιστες και τροφοδοτούν την αγορά τα τελευταία 100 χρόνια. Συγκρινόμενες με τις καινούριες ιόντων λιθίου, οι VRLA έχουν το διπλό βάρος και λιγότερη από τη μισή πυκνότητα ενέργειας (αν συγκρίνουμε με κυψέλες NMC Li-Ion), όταν πυκνότητα ενέργειας ορίζεται ως τα Watt προς ώρα προς όγκο. Από την άλλη, οι μπαταρίες λιθίου είναι σήμερα 2.5 φορές ακριβότερες, αν και οι τιμές στους συνεχώς πέφτουν, καθώς ο ανταγωνισμός αυξάνεται και νέα υλικά μειώνουν το κόστος. Στα αρνητικά των μπαταριών ιόντων λιθίου έρχεται να προστεθεί και ο χρόνος φόρτισής τους, αν και η Tesla έχει σταθμούς που επιτρέπουν την ταχεία φόρτιση, αλλά δεν υποστηρίζουν τη ναυτιλία αυτή τη στιγμή. Η αστάθεια που παρατηρείται με την θέρμανση των μπαταριών αυτών, που μπορεί να προκαλέσει μικρές εκρήξεις, έχει στο παρελθόν αναγκάσει εταιρείες να ανακαλέσουν κάποιες παρτίδες τους και στα αεροπλάνα έχει πλέον απαγορευτεί η τοποθέτηση τους στις αποσκευές. Η ζωή τους υπολογίζεται σε 300-500 κύκλους, με τους κατασκευαστές να υποστηρίζουν ότι μπορεί να φτάσουν τους 1000-1200 κύκλους, εάν οι μπαταρίες φορτίζονται όταν είναι μισογεμάτες. Προσωπικά αυτό το ερμηνεύω ως 20% αύξηση ζωής, αφού η μισή μπαταρία χρησιμοποιείται σε κάθε κύκλο. Συγκεκριμένα η Kokam υποστηρίζει ότι ο νέος τύπος της μπορεί να έχει ζωή ως και 15 χρόνια ή 20000 κύκλους, αλλά θα ήθελα και την επιβεβαίωση από έναν ανεξάρτητο οργανισμό. Επιπρόσθετα αξίζει να σημειώσουμε ότι αυτές οι μπαταρίες λειτουργούν βέλτιστα μεταξύ 10-40°C, μικρότερες θερμοκρασίες μειώνουν την απόδοση και υψηλότερες μειώνουν τη ζωή, αλλά αν σκεφτούμε τα πετρελαιοειδή καύσιμα και αυτών η απόδοση μειώνεται σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Εφόσον το βασικό υπόβαθρο αυτής της έρευνας είναι περιβαλλοντικότερες μορφές αποθήκευσης ενέργειας, η ανακύκλωση των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι δυνατή και η Ευρωπαϊκή ένωση καθιστά υπεύθυνους τους κατασκευαστές να τις συλλέγουν στο τέλος της ζωής τους. Ωστόσο η ανακύκλωση είναι 3 φορές ακριβότερη (κάποιοι αναφέρουν μέχρι 5 φορές) από την εξόρυξη, άρα δεν προτρέπει σ’ αυτή για καθαρά οικονομικούς λόγους. Ένα άλλο ερωτηματικό είναι τα αποθέματα λιθίου, με κάποιους να υποστηρίζουν ότι αν αυτές οι μπαταρίες εξαπλωθούν και καταλάβουν την πλειοψηφία της αγοράς, τα αποθέματα θα εκλείψουν σε 17 χρόνια, ενώ άλλοι υποστηρίζουν ότι όσο μεγαλώνει η ζήτηση, νέες πηγές θα ανακαλυφθούν και εναλλακτικές μορφές από το λίθιου θα κατασκευαστούν. Μα σημερινά δεδομένα τα περισσότερα αποθέματα λιθίου βρίσκονται στη Λατινική Αμερική, ενώ το κοβάλτιο που είναι απαραίτητο συστατικό αυτών, εξορύσσεται κυρίως στη Δημοκρατία του Κονγκό και είναι αμφιλεγόμενο αν ακολουθούνται οι περιβαλλοντικές οδηγίες εξόρυξής του.
Σχετικά με πρακτικές εφαρμογές σε πλοία, το φέρυ MF Ampere παραδόθηκε από το ναυπηγείο Fjellstrand στην NorLed το 2015 και λειτουργεί επιτυχώς από τότε, ενώ το ίδιο ναυπηγείο ετοιμάζει ένα νέο καταμαράν φέρυ στα 87.5m, για 120 αμάξια, 12 φορτηγά και 296 επιβάτες, το οποίο θα παραδοθεί στους ιδιοκτήτες του το τελευταίο τρίμηνο αυτού του χρόνου. Όπως ανακοινώθηκε στη NordicEVS την προηγούμενη εβδομάδα, υπάρχουν ακόμη 53 ηλεκτρικά φέρυ στο βιβλίο παραγγελιών του ίδιου ναυπηγείου.
Παρεμφερής με τις μπαταρίες είναι οι πυκνωτές που αποθηκεύουν ενέργεια σε ηλεκτρικό πεδίο, αν και συνηθέστερα χρησιμοποιούνται για το φιλτράρισμα και τη ρύθμιση της ενέργειας. Συγκρίνοντας την πυκνότητα ενέργειας τους με αυτή των μπαταριών, έχουν το 1/10 και επιπλέον το κύκλωμα έχει μία κατιούσα τάση κατά την αποφόρτιση, τη στιγμή που οι μπαταρίες τη διατηρούν σταθερή. Έχουν όμως υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, δηλαδή μπορούν να φορτιστούν και να αποφορτιστούν ταχύτερα, περίπου 10 φορές ταχύτερα. Ένας υπερπυκνωτής τροφοδοτεί το επιβατικό ηλεκτρικό πλοίο Ar Vag Tredan που συνδέει τη Lorient και Pen-Mané στη Γαλλία, το οποίο λειτουργεί από το 2013 και έχει κατασκευαστεί από τη STX France. Είναι 22μ καταμαράν, μεταφέρει 113 επιβάτες και ταξιδεύει στους 10 κόμβους, με τη φόρτιση να ολοκληρώνεται σε 4 λεπτά, κατά τη διάρκεια επιβίβασης στο λιμάνι. Δυστυχώς έχει κοστίσει €1.000.000 περισσότερο από ένα συμβατικό πλοίο, καθώς οι υπερπυκνωτές είναι πολύ πιο ακριβοί από τις μπαταρίες. Υπάρχει όμως αυξανόμενο ενδιαφέρον σε αυτούς, γεγονός που έχει προτρέψει νηογνώμονες όπως ο ABS να εκδώσουν οδηγίες για την κατασκευή τους, οπότε μπορούμε να προσδοκούμε την ανάπτυξη τους και πτώση τιμών στο μέλλον.
Κάτω από το όρο μπαταρίες, υπάρχουν και οι μπαταρίες ροής ή μπαταρίες οξειδο-αναγωγής από τις χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται κατά την φόρτιση και αποφόρτιση τους και είναι κάτι μεταξύ μπαταριών και κυψελών καυσίμου. Στη αρχέτυπη μορφή τους έχουν δύο υγρά καύσιμα, όπως αυτές το σιδήρου με χρώμιο ή το βανάδιο με βανάδιο, αποθηκευμένα σε χωριστές δεξαμενές, που όταν αντλούνται στη κοινή κυψέλη παράγουν ηλεκτρική ενέργεια, καθώς η μεμβράνη περιορίζει την ελεύθερη κίνηση των ηλεκτρονίων. Η περιεκτικότητά τους εξαρτάται από το μέγεθος της κυψέλης. Αυτή η μορφή προσφέρει τη μέγιστη ασφάλεια, καθώς με την παύση της άντλησης σταματάει η ύπαρξη ηλεκτρικής ενέργειας. Η απόδοσή τους διαφέρει ανάλογα με τις διάφορες συνθέσεις υλικών αλλά βρίσκεται μεταξύ 60%-80%. Έχουν και υβριδικές μορφές, στις οποίες το ένα μέρος είναι μεταλλικό, όπως αυτό από την Exxon που αποτελείται από ψευδάργυρο και βρώμιο, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 70 και χρησιμοποιείται στο ηλεκτρικό δίκτυο της Αυστραλίας με απόδοση μεταξύ 65% - 75%. Φυσικά στην περίπτωση αυτή το μέταλλο είναι συνεχώς φορτισμένο και δεν έχουμε την ίδια ασφάλεια όπως στην αρχέτυπη μορφή. Μπορούν να λειτουργούν για 20 χρόνια χωρίς μείωση της απόδοσης, που αποτελεί βασικό τους πλεονέκτημα, και έχουν οικονομική απόδοση για αποθήκευση ενέργειας από δεκάδες KW σε δεκάδες MW. Ειδικότερα οι μπαταρίες οξειδοαναγωγής βαναδίου σήμερα έχουν αξία US$500kW/h, η οποία αναμένεται να πέσει στα US$150kW/h μέχρι το 2020. Δυστυχώς μπορούν να αποθηκεύσουν ενέργεια μόνο για 2-10 ώρες.
Σήμερα η Rongke Power ετοιμάζει στην επαρχία Dalian της Κίνας μία μπαταρία 200/800MW για το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο, η οποία όταν θα λειτουργήσει θα πάρει και την πρώτη θέση από την υπάρχουσα μεγαλύτερη μπαταρία της Tesla που είναι 100/129MW. Στη ναυτιλία δεν υπάρχει κάποιο αντίστοιχο πρότζεκτ ή πείραμα, αλλά αν σκεφτούμε ότι οι δεξαμενές είναι μέρος των πλοίων, αξίζει να ερευνήσουμε περισσότερο αυτή την εκδοχή για μεγαλύτερα πλοία σε μικρές διαδρομές. Επιπλέον καθώς η τεχνολογία των μπαταριών συνεχώς εξελίσσεται, περισσότεροι τύποι θα εμφανιστούν σύντομα.
Υπάρχουν φυσικά και άλλες επιλογές/ συστήματα για την αποθήκευση ενέργειας στα πλοία, που θα τα αναφέρω σε επόμενο άρθρο. Είναι ένας ενδιαφέρον τομέας που έχει προτρέψει πολλές εταιρείες να επενδύσουν και ο οποίος συνεχώς μεταμορφώνεται, οπότε αξίζει να τον ακολουθούμε.
Το άρθρο εκδόθηκε αρχικά στο LinkedIn την 7η Φεβρουαρίου 2018
1
2
3
”Drive Green Highway” of KKK
Image courtesy of Kawasaki Kisen Kaisha, Ltd., from http://safety4sea.com/large-solar-energy-system-installed-onboard-k-line-ship/
M/S "Turanor Planetsolar"
From http://www.watermenmasters.com/news/turanor-planetsolar-catamaran-worlds-largest-solar-powered-boat
“Energy observer”
From https://steemit.com/alt-energy/@solarguy/introducing-the-energy-observer-zero-emissions-never-needs-to-refuel-plus-it-s-sexy
Solely solar powered ships,
how close are we?
Πλοίο αποκλειστικά κινούμενο
με ηλιακή ενέργεια σήμερα;
Solar power is not a new concept, yet it has gained renewed attention following raised awareness of fossil fuel’s negative environmental impact. We’ve witnessed the growth of onshore and offshore solar farms, employed in many countries to contribute to the electrical grid, as well as individual installations from homeowners and commercial entities, saving on their electricity bill or adding to their income. Last week, the dutch company Lightyear announced plans to bring in the market, a mass produced, fully solar charged, electric car within the next two years. The founders were among a team that has previously introduced Stella, and Stella Lux, winning several awards along the way.
The marine industry hasn’t been oblivious to the potential of photovoltaics (PVs) and has been looking into various configurations to integrate solar cells in different projects, with “Auriga Leader” of NYK being the first cargo ship, in 2009, partially powered with solar energy by her 328 PVs. The 31m catamaran “Turanor Planetsolar”, designed by LOMOcean Design and built by Knierim Yachtbau, completed her world tour in May 2012, solely powered from the sun, after a journey of 584 days. Another Japanese ship, ”Drive Green Highway” of KKK, the first in the line of nine ships, sailed off in February 2016 equipped with enough solar panels to cover all power requirements of her LED lighting, a considerable load for a 200m ship carrying 7500 passengers and vehicles. “Energy observer”, a UN vessel, started her world, environmental awareness trip last year, is yet another project with PVs, though in her case they are used in the electrolysis of water to produce hydrogen that ultimately powers the vessel. Many more concepts have been propositioned through the years, with some very intriguing proposals combining wind and sun, like “Helios Solar Sailboat”. Still it is necessary to understand what is practically feasible, given the proven technology presently out.
Therefore we need to start by exploring the available options of solar cells in the market today. By far the most popular are silicon based PVs, used in the grid since the eighties and remaining the most reliable and durable product. Mono-crystalline PVs are on the top of the list as the most efficient, reaching in real life conditions energy conversion above 20%. As its name stipulates, continuous, pure silicon crystal is required for the cell, which makes it first hard to extract and then to produce, with large quantities of waste when brought in exact dimensions, all of which justify its high price. Poly-crystalline PVs pose a cheaper option, with somewhat lesser efficiency of around 18%, which as it is stated from its name, it is comprised by multiple crystals. Given its value, it is the top seller. Black silicon is a novice version of the aforementioned, reporting higher efficiency, as it is eliminating the anti-reflection sheet in the composition of the panel and respective losses. Suntech released a statement, announcing that they have managed to mass produced black silicon, a hurdle holding back the application, with more details to follow.
Slight variations of silicon based PVs are solar roof and thin film cells. The former are basically tiles for the roof of a house, being part of the structure and not something additional, which are attractive for their appearance, produced by high profile companies like Tesla and Dow. Tesla only installs to employees at the moment, in a beta phase for the product, and reports somewhat lower efficiency (not a clear value but specialist sites state 77% of the poly-crystalline PVs) and price wise installation will be double for a house needing roof renovation. It is targeting houses’ installation and not relevant to ships at the moment. On the other hand, thin film PVs have marine type options, simply mentioning Solbian SP Series that claim 18% efficiency (literature on this type doesn’t give more than 13% in real life applications), it is flexible and able to accommodate some curvature on the superstructure, can be stepped on (not a passage way), and is prepared on custom sizes too.
Stepping slightly away from the market and into the research field, we are introduced to Organic PVs, which are very attractive due to their light weight, lower price and possibility of transparency, hence design. Unfortunately their benefits collapse thereafter as their efficiency in lab is yet to reach 15%, threshold to make them viable for mass produce, with Heliatek reporting the highest at 13.2%. Furthermore they degrade quickly, especially compared to silicon based that have a lifespan of 25 years. Perovskites, a newer type, are considered a more promising alternative at the moment and have accomplished energy conversion as high as 22.7%, while they have also managed to complete a year without losing on their capacity. OPVs won’t be long before they hit the market, as their results are continuously improving, but especially in the case of perovskites we will have to wait longer for a marine type, as it is also susceptible to moisture.
Having investigated the market, it is apparent that only silicon based PVs can be considered for a marine project, if we were to start a project this year. Let’s then look into the implications of such choice considering the most efficient mono-crystalline 60cell panel, with standard size of 1.65mx0.99m and weighing around 20kg that can in actual installations generate between 195-247Watts. A past project of 14m patrol boat required only for services something less 100Watt, translating to minimum 4x60cell panels. Comparing the required area with the top surfaces of such craft, also excluding necessary equipment normally fitted there, and we simply realise that space isn't available, and definitely doesn’t have rectangular shape. Revisiting the case of “Auriga Leader” from the beginning paragraphs, the first cargo ship that was partially powered with solar cells, it needs 400kW (400000Watt) while at port. Examining the case of an oil supertanker, again at port, it would draw 8MW (8000000Watt). I am leaving maths to you.
There are also some additional realities that affect the efficacy of the system, such as the sun is present only a few hours per day, requiring energy storage for the rest. In the case of our early mentioned catamaran “Turanor Planetsolar”, energy was stored with enough lithium-ion batteries that amounted to 8.5tonnes weight. For those of you that are not naval architects or captains, such load poses a significant stability challenge, along with the weight of the solar panels themselves (not thin film ones) at the top level of the ship. Adding to the aforementioned challenges is the direction of the solar panels in relation to the sun, best position direct, which justifies the movable panels that track the sun movement. On a moving ship, the concept is less than ideal. Another adherent factor is the loss of efficiency of about 0.5% for every degree of temperature rise, limiting their use in hot climates, which photochemical cells are trying to address, but they are yet no marketable products. Moreover there is an approximate 10% power loss when the DC current, gathered from the PVs, is to be converted in AC for those devices onboard that use alternative current. Considering lastly that among the main objectives of solar power is limiting greenhouse gases and the doping of silicon, necessary process to transform it to a semi conductive material, releases GHGs we are left in deep thought.
But we can’t progress without trying new technologies. History taught us that through trials, and some failures, we develop novice ideas and improve standards. Definitely a critical eye is needed to identify shortfalls, in order to tackle them. As the demand for such technological breakthroughs rise, the appeal for investment increases and instigates growth. We ought therefore to support this exploration and motivate scientist for further studies in the domain, as much as operators to integrate them in their ships.
The article was first published on LinkedIn on the 15th January 2018
Όσο ο κόσμος αντιλαμβάνεται περισσότερο τις επιβλαβής για το περιβάλλον συνέπειες των πετρελαιοειδών καυσίμων, τόσο περισσότερο ανθεί η χρήση της ηλιακής ενέργειας. Παρατηρούμε τη ραγδαία ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών πάρκων στην ξηρά και θάλασσα, που συμπεριλαμβάνονται στο ηλεκτρικό δίκτυο πολλών χωρών, ενώ ταυτόχρονα οι ιδιώτες εγκαθιστούν πάνελ στα σπίτια και τις επιχειρήσεις τους για να μειώσουν το λογαριασμό του ηλεκτρικού ρεύματος ή να προσθέσουν εισοδήματα από την μεταπώληση της παραγόμενης ενέργειας. Την προηγούμενη εβδομάδα, η ολλανδική εταιρία Lightyear ανακοίνωσε σχέδια για ένα αμάξι μαζικής παραγωγής που θα δοθεί στην αγορά τα επόμενα δύο χρόνια και το οποίο θα φορτίζεται αποκλειστικά από τον ήλιο. Οι ιδρυτές της Lightyear έχουν προηγουμένως κατασκευάσει τη Stella και τη Stella Lux, αυτοκίνητα που έχουν κερδίσει πολλά σχετικά βραβεία.
Αλλά και η ναυτιλία αναγνωρίζοντας τα οφέλη της ηλιακής ενέργειας, έχει πειραματιστεί με τα φωτοβολταϊκά και έχει επενδύσει σε διάφορες εγκαταστάσεις, όπως η NYK στο “Auriga Leader”, που ήταν το πρώτο φορτηγό πλοίο που το 2009 ηλεκτροδοτήθηκε μερικώς από τα 328 φωτοβολταϊκά του πάνελ. Επίσης το καταμαράν “Turanor Planetsolar”, που σχεδιάστηκε από τη LOMOcean Design και χτίστηκε από το ναυπηγείο Knierim Yachtbau, ολοκλήρωσε το γύρο του κόσμου το Μάιο του 2012 μετά από ένα ταξίδι που διήρκεσε 584 μέρες, με τον ήλιο ως μοναδικό πάροχο ενέργειας. Ένα άλλο γιαπωνέζικο πλοίο, το ”Drive Green Highway” της KKK, είναι το πρώτο από μία σειρά εννέα πλοίων που απέπλευσε το Φεβρουάριο του 2016 εξοπλισμένο με αρκετά φωτοβολταϊκά για να καλύψουν όλες τις ανάγκες φωτισμού από LED λάμπες, φορτίο το οποίο είναι σημαντικό σε ένα πλοίο 200μ με μεταφορική ικανότητα 7500 επιβατών και οχημάτων. Αξίζει επίσης να αναφέρουμε το “Energy observer”, σκάφος των Ηνωμένων Εθνών που ξεκίνησε το γύρο του κόσμου πέρσι, με σκοπό να ενημερώσει τον κόσμο για την περιβαλλοντική επιβάρυνση από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Αυτό το πλοίο χρησιμοποιεί τα φωτοβολταϊκά του για την ηλεκτρόλυση του νερού, καθώς το υδρογόνο είναι το καύσιμο του. Πολλά άλλα σχέδια έχουν προταθεί τα τελευταία χρόνια, με κάποιους να συνδυάζουν την ηλιακή με την αιολική ενέργεια, όπως το “Helios Solar Sailboat”. Ωστόσο πρέπει να εξετάσουμε τί είναι πρακτικά εφικτό με την σημερινή τεχνολογία.
Είναι απαραίτητο να ελέγξουμε ποιες είναι οι πιθανές επιλογές φωτοβολταϊκών στην αγορά, τους διάφορους τύπους με τα χαρακτηριστικά τους. Τα πιο διαδεδομένα φωτοβολταϊκά είναι αυτά της σιλικόνης, που χρησιμοποιούνται στο ηλεκτρικό δίκτυο από τη δεκαετία του 80 και παραμένουν το πιο αξιόπιστο και ανθεκτικό προϊόν. Του μονο-κρυσταλλικού τύπου είναι τα κορυφαία σε απόδοση, φτάνοντας σε πραγματικές συνθήκες μετατροπή ενέργειας πάνω από το 20%. Όπως φανερώνει το όνομά τους χρειάζεται ένα συμπαγές κομμάτι σιλικόνης για την κάθε κυψέλη, κάτι που δυσκολεύει την εξόρυξή τους, την παραγωγή τους, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει και τα απορρίμματα για να κοπεί στις ακριβείς διαστάσεις του, που δικαιολογούν και την υψηλή τιμή τους. Ο πολυκρυσταλλικός τύπος, ήτοι αποτελείται από περισσότερους μικρούς κρυστάλλους, είναι μία φτηνότερη επιλογή, αν και η απόδοσή τους φτάνει μέχρι το 18%. Φυσικά είναι ο πιο δημοφιλής τύπος λόγω τιμής. Η μαύρη σιλικόνη είναι ένας καινοτόμος τύπος, πάνω στο ίδιο βασικό υλικό και αναφέρει υψηλότερη απόδοση, καθώς εξαλείφει το φύλο απαλοιφής αντικατοπτρισμού στη σύνθεση του πάνελ και τις αντίστοιχες διαρροές. Η Suntech ανακοίνωσε ότι έχουν επιτύχει τη μαζική παραγωγή της μαύρης σιλικόνης, που ήταν το βασικό εμπόδιο στην εμπορική εξέλιξή της μέχρι τώρα, με περισσότερες λεπτομέρειες να δημοσιευτούν αργότερα.
Τα ηλιακά κεραμίδια και τα λεπτά ηλιακά φιλμ είναι συγγενής τύποι των φωτοβολταϊκών σιλικόνης. Τα πρώτα έχουν τη μορφή των κεραμιδιών του σπιτιού, μέρος της στέγης και τα οποία είναι καλαίσθητα, με κύριους κατασκευαστές την Tesla και Dow. Η Tesla για την ώρα προμηθεύει μόνο σε υπαλλήλους, καθώς βρίσκονται ακόμη σε πειραματικό στάδιο, αλλά έχει δηλωθεί ότι έχουν απόδοση χαμηλότερη αυτής των αντίστοιχων μονοκρυσταλλικών φωτοβολταϊκών, κάποιοι ειδικοί μιλούν για 77%, ενώ η εγκατάσταση θα στοιχίζει το διπλό για ένα σπίτι που τώρα κατασκευάζει την στέγη. Επιπλέον αφορά αποκλειστικά μόνο σπίτια, δεν επεκτείνεται σε πλοία. Όμως τα λεπτά φιλμ φωτοβολταϊκών έχουν τύπους θαλάσσης, αναφέρω μόνο ως παράδειγμα την Solbian SP Series, που δηλώνει 18% απόδοση, αν και αντίστοιχη βιβλιογραφία αναφέρει ότι η βέλτιστη απόδοση αυτών σε πραγματικές συνθήκες δεν ξεπερνά το 13%. Ο τύπος αυτός είναι ελαστικός, μπορεί να ακολουθήσει τις καμπύλες της υπερκατασκευής, μπορεί να πατηθεί ελαφρώς (δεν είναι για διάδρομο) και υπάρχει δυνατότητα να κοπεί σε συγκεκριμένες διαστάσεις.
Ακόμη σε πειραματικό στάδιο υπάρχουν τα οργανικά φωτοβολταϊκά, που είναι ιδιαίτερα ελκυστικά λόγω του μικρού βάρους τους, χαμηλής τιμής τους και δυνατότητα διαφάνειας, δηλαδή φιγούρα. Δυστυχώς η απόδοσή τους μέσα σε καταστάσεις εργαστηρίου ακόμη δεν έχει φτάσει το 15%, που είναι το όριο για μαζική παραγωγή, με τη Heliatek να πλησιάζει, αφού δηλώνει απόδοση στα 13.2%. Επιπλέον χάνουν τις ιδιότητές τους γρήγορα, σε αντίθεση με αυτά της σιλικόνης που έχουν ζωή 25 χρόνια. Ένας συγγενής τύπος των οργανικών, οι Perovskites, φέρει πολλές ελπίδες και έχει επιτύχει μετατροπή ενέργειας μέχρι και 22.7% (στο εργαστήριο), ενώ έχει κλείσει χρόνο χωρίς απώλειες στην απόδοση. Τα οργανικά φωτοβολταϊκά σύντομα θα μπουν στην αγορά, αφού τα αποτελέσματά τους συνεχώς βελτιώνονται, αλλά ειδικότερα για τους perovskites θα πρέπει να περιμένουμε περισσότερο στη ναυτιλία, καθώς επηρεάζονται από την υγρασία.
Με αυτή τη μικρή έρευνα στην αγορά, βλέπουμε ότι η μόνη διαθέσιμη επιλογή για τα πλοία είναι αυτή της σιλικόνης. Ας εμβαθύνουμε λοιπόν στην εγκατάσταση αυτής, θεωρώντας ένα μονο-κρυσταλλικό πάνελ, που έχει την υψηλότερη απόδοση και με κοινές διαστάσεις 1.65mx0.99m που ζυγίζει περίπου 20 κιλά και μπορεί να παράγει 195 μέχρι 247Watt. Ένα παλιό πρότζεκτ περιπολικού στα 14μ χρειαζόταν, κάτι λιγότερο από 1000Watt, χωρίς να περιλαμβάνουμε μπαταρίες για τις μηχανές και γεννήτρια, δηλαδή χρειαζόμασταν 4 με 5 τέτοια πάνελ. Αν αναλογιστούμε το απαιτούμενο εμβαδόν, χωρίς να σκεφτούμε που θα μπει ο απαιτούμενος εξοπλισμός που καλύπτει τις ανώτερες επιφάνειες στο σκάφος, μπορούμε να δούμε ότι απλά δεν υπάρχει αρκετός χώρος. Ας επανέλθουμε στην περίπτωση του “Auriga Leader” που αναφέρθηκε στην αρχή του άρθρου, και το οποίο χρειάζεται 400kW (400000Watt) όταν βρίσκεται στο λιμάνι, ή να αναλογιστούμε ένα oil supertanker επίσης σε κατάσταση λιμένος που τροφοδοτείται με 8MW (8000000Watt), μπορούμε να καταλάβουμε ότι δεν έχουμε ακόμη φτάσει αυτό το επίπεδο.
Υπάρχουν επιπλέον και κάποιες άλλες προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν για να μπορέσουμε να δούμε τέτοιες εγκαταστάσεις, αφού ο ήλιος είναι διαθέσιμος κάποιες ώρες της ημέρας και τις υπόλοιπες πρέπει να τροφοδοτείται το πλοίο από αποθηκευμένη ενέργεια. Στην περίπτωση του καταμαράν που έκανε το γύρο του κόσμου “Turanor Planetsolar”, υπήρχαν μπαταρίες ιόντων λιθίου που ζύγιζαν συνολικά 8.5 τόνους. Ένα τέτοιο φορτίο, που συνδυάζεται και με το φορτίο των ίδιων των φωτοβολταϊκών στο υψηλότερο σημείο του πλοίου, προκαλεί πονοκέφαλο στους ναυπηγούς και καπετάνιους. Επιπλέον η απόδοση των φωτοβολταϊκών είναι συνυφασμένη με την κατεύθυνση αυτών σε σχέση με τον ήλιο, γι’ αυτό υπάρχουν πολλοί μηχανισμοί που ακολουθούν την πορεία του ήλιου στην ξηρά καθ' όλη την ημέρα. Αυτό σε ένα κινούμενο πλοίο δεν είναι εφικτό. Απώλειες στην απόδοση προκαλούνται και από την αύξηση της θερμοκρασίας, με κάθε βαθμό C να φέρει 0.5% μείωση, που περιορίζει τη χρήση τους σε ζεστά κλίματα. Σε πειραματικό στάδιο υπάρχει ένας τύπος που συνδυάζει ηλιακή και θερμική ενέργεια, ο οποίος μπορεί να καλύψει αντίστοιχες περιοχές. Υπάρχει επίσης διαρροή περίπου 10% από την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο. Και αν τέλος αναλογιστούμε ότι απώτερος σκοπός στην εξάπλωση των φωτοβολταϊκών είναι ο περιορισμός των αερίων που προκαλούν το φαινόμενο του θερμοκηπίου, η διαδικασία μετατροπής της σιλικόνης σε ημιαγώγιμο υλικό, δημιουργεί αντίστοιχα αέρια και τότε μπαίνουμε σε βαθιά περίσκεψη.
Όμως εξέλιξη έρχεται μόνο αν δοκιμάσουμε νέες τεχνολογίες και μάθουμε από τους αντίστοιχους πειραματισμούς. Χρειάζεται κριτική διάθεση για να καταλάβουμε τις αιτίες που δεν φτάσαμε στα αποτελέσματα που είχαμε προβλέψει και να κάνουμε διορθωτικές κινήσεις. Αφού η απαίτηση για καινοτόμες ιδέες υπάρχει, γίνονται επενδύσεις και επέρχεται ανάπτυξη. Πρέπει να συνεχίσουμε αυτή την έρευνα και να προτρέψουμε και άλλους πλοιοκτήτες να δοκιμάσουν περισσότερες εφαρμογές.
Το άρθρο εκδόθηκε αρχικά στο LinkedIn την 15η Ιανουαρίου 2018