Zastosowanie falowników Danfoss w napędach hybrydowych statków

Poszukiwanie odnawialnych źródeł energii oraz produkcja czystej energii stają się dziś priorytetem. Jednym z obszarów, w których tkwi duży potencjał do innowacji są napędy statków morskich. Jednostki te potrzebują dużej ilości energii elektrycznej zarówno podczas rejsu, jak i postoju w portach. Obecnie jest ona w 98 proc. wytwarzana przez generatory napędzane dużymi silnikami diesla, które nierzadko są zasilane paliwami niskiej jakości, a emisja zanieczyszczeń jest bardzo duża i często przekracza dopuszczalne normy.

Obecne dyrektywy – IMO (International Marine Organization – agencji ONZ) oraz Unii Europejskiej znacząco ograniczają emisję związków siarki i azotu w spalinach jednostek morskich. Stosowanie czystszego paliwa, jak gaz płynny (LNG), jest jednym z rozwiązań, jednak pełny efekt ograniczenia emisji uzyskamy dopiero po zastosowaniu napędu hybrydowego spalinowo-elektrycznego. Taka hybrydyzacja jest cechą nowo produkowanych jednostek pływających (urządzenia on-board). Jest także coraz częściej obecna w rozwiązaniach w portach (system OnShore), gdzie statki mogą ładować akumulatory układu napędowego.

Rozwiązania hybrydowe

Elastyczność systemu przetwarzania energii wiąże się z czasowym jej magazynowaniem. Zasobnik energii w postaci baterii akumulatorów wraz z systemem falowników DC/AC 
pozwala elastycznie reagować na zmiany obciążenia. Napędy hybrydowe nowo produkowanych statków umożliwiają zredukowanie zużycia paliwa o 20–30 proc. w porównaniu do tradycyjnych. Taki napęd pozwala na wyłączenie głównego lub włączenie mniejszego silnika diesla, a także na napęd tylko przy użyciu silnika elektrycznego zasilanego z akumulatorów z falownikiem DC/AC. W przypadku jednostek pomocniczych i holowników napędy główne przez długi czas pracują na biegu jałowym, nie pokonując drogi. W tym przypadku idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie układu hybrydowego z akumulatorami używanymi w okresach pracy jałowej bądź manewrów na małych odległościach. Podobna sytuacja występuje w przypadku promów pokonujących małe odległości. Przykładem takiej realizacji jest napęd hybrydowy dwóch promów pasażerskich operujących na rzece IJ w Amsterdamie z napędami głównymi o mocy 250 kW. Napęd elektryczny włączany jest w trakcie dokowania i podczas równomiernej prędkości promu. Napęd diesla pracuje tylko podczas przyspieszania i w sytuacji dużego przeciążenia jednostki.

Sercem napędu jest system hybrydowy, który składa się z silnika spalinowego z generatorem, silnika elektrycznego AC, baterii akumulatorów i magistrali prądu stałego z falownikami przetwarzającymi energię DC na prąd przemienny do napędu jednostki.

Układ współpracy jednostki pływającej z siecią elektryczną portu stanowi również element systemu hybrydowego i pozwala na „konsumpcję” czystszej energii, zamiast wytwarzać ją przez generator z silnikiem diesla. Firma Danfoss oferuje rozwiązania z falownikami 12-pulsowymi, z aktywnym modułem AFE (Active Front End) oraz systemem DC/DC. Falowniki do współpracy z siecią portu mają odpowiednie oprogramowanie Micro-Grid umożliwiające zwrot energii do sieci zasilającej.

Dopasowanie do aplikacji

W zależności od potrzeb rozwiązanie układu hybrydowego jest dopasowane do specyfiki konkretnej aplikacji. Technologia budowy systemu hybrydowego opiera się na zastosowaniu standardowych modułów inwerterów DC/AC, DC/DC i falowników AFE. Na fot. 2 pokazano modułowy system do ładowania baterii akumulatorów. W trakcie pracy bezawaryjnej z sieci zasilającej ładowana jest bateria akumulatorów. W przypadku braku zasilania układ z falownikiem DC/AC wytworzy napięcie przemienne do zasilania systemu.

Magazynowanie energii

W praktyce często zachodzi konieczność zastosowania rozwiązania, w którym dodatkowe źródło energii jest umieszczone blisko układu napędowego i w przypadku zaniku zasilania sieciowego układ lokalnie dostarczy energię do zasilania napędu. Taki układ, przedstawiony na fot. 3, pozwala tworzyć różne konfiguracje, rozbudowę oraz wymianę baterii akumulatorów.

System magazynowania i przetwarzania energii umożliwia:

• wygładzanie szczytów zapotrzebowania energii (optymalizacja przepływu energii między siecią zasilającą a lokalnym zasobnikiem energii),
• przesunięcie poboru energii na czas tańszej taryfy i zwrot energii w okresie droższej taryfy,
• podtrzymanie zasilania krytycznych urządzeń podczas zaniku napięcia sieci.

Szeroki wachlarz możliwości

Firma Danfoss/Vacon oferuje kompleksowe rozwiązanie począwszy od koncepcji do realizacji systemu u klienta wraz z zapewnionym serwisem. Wszystkie urządzenia systemu (inwertery DC/DC, falowniki, moduły AFE) pochodzą od jednego dostawcy. Rozwiązanie jest skalowalne i bazuje na falownikach z rodziny Vacon NXP dla szerokiego zakresu mocy. System może być łatwo rozbudowany w zależności od potrzeb. Do magazynowania energii można wykorzystać szeroką gamę ogólnie dostępnych baterii akumulatorów.

W artykule ograniczono się do przedstawienia przykładu hybrydowego napędu statku. Obszar aplikacji, w których można stosować różne konfiguracje układu hybrydowego jest jednak znacznie szerszy i obejmuje maszyny górnicze, lokalne elektrownie wiatrowe i wodne czy elektrociepłownie.

Szczegółowe informacje dotyczące przetwornic częstotliwości Danfoss Drives można znaleźć na stronie internetowej: www.drives.danfoss.pl.

DANFOSS POLAND Sp. z o.o.
ul. Chrzanowska 5
05-825 Grodzisk Mazowiecki
tel. 22 755 06 68, fax 22 755 07 01
e-mail: bok@danfoss.com
www.drives.danfoss.pl

SCHULZ INFOPROD Sp. z o.o.
www.schulz-infoprod.pl

source: Automatyka 4/2018