Endurnýjanleg orkukerfi fyrir skip
Loftslagsbreytingar og hækkandi kostnaður við jarðefnaeldsneyti knýja áfram umbreytingar í sjávarútvegi. Í áratugi hafa skip – allt frá flutningaskipum og farþegaferjum til fiskiskipa – treyst á dísilvélar sem aðalorkugjafa. Hins vegar eru þrýstingur frá alþjóðlegum losunarreglum, markaðskröfur um grænni flutninga og framfarir í hreinni orkutækni að gera endurnýjanlega orku að raunhæfari lausn. Þessi grein fjallar um hugtök, tækni, ávinning, áskoranir og þróunarstefnur endurnýjanlegra orkukerfa fyrir skip.
Af hverju þurfa skip endurnýjanlega orku?
Skipaflutningageirinn gegnir mikilvægu hlutverki í alþjóðaviðskiptum, en hann leggur einnig sitt af mörkum til losunar gróðurhúsalofttegunda og loftmengunarefna eins og brennisteinsoxíða (SOx) og köfnunarefnisoxíða (NOx). Alþjóðasiglingamálastofnunin (IMO) hvetur til minnkunar losunar með ýmsum reglugerðum og markmiðum um kolefnisstyrk. Á sama tíma standa skipaeigendur frammi fyrir sveiflum í eldsneytisverði og hækkandi kostnaði við að uppfylla kröfur um eftirlit. Endurnýjanleg orka býður upp á leið til að draga úr þörf fyrir jarðefnaeldsneyti og auka rekstrarhagkvæmni.
Auk umhverfis- og reglugerðarsjónarmiða er stefnumótandi þáttur: framboð jarðefnaeldsneytis í ákveðnum höfnum getur verið takmarkað eða dýrt. Samþætting endurnýjanlegra orkugjafa - þótt oft sé um blendingaorku að ræða í upphafi - getur veitt sveigjanleika og orkunýtni, sérstaklega fyrir skip sem sigla á föstum leiðum eða á afskekktum svæðum.
Grunnhugtök endurnýjanlegra orkukerfa á skipum
Ólíkt orrustuverum á landi eru strangar kröfur um rými, þyngd og öryggi í skipum. Endurnýjanleg orkukerfi í skipum eru almennt ekki sjálfstæð kerfi, heldur sameinuð í blönduðu kerfi, þar sem margar orkugjafar eru sameinaðir, svo sem sólarsellur, vindmyllur, rafhlöður, hefðbundnar vélar og orkustjórnunarkerfi (EMS). Endanlegt markmið er að draga úr notkun jarðefnaeldsneytis, auka skilvirkni og draga úr losun - án þess að skerða öryggi og áreiðanleika.
Kerfisþættir innihalda venjulega:
1. Endurnýjanlegar orkugjafar (sólarorka, vindorka eða önnur tækni).
2. Orkugeymsla (rafhlöður eða önnur geymslukerfi).
3. Aflbreytir (inverter, DC-DC breytir) til að stilla spennu og straum.
4. Rafknúnings- eða hjálparaflkerfi.
5. Umhverfisstjórnunarkerfi til að hámarka álagsskiptingu og lágmarka eldsneytisnotkun.
Sólarplötur (ljósrafmagnsorku) á skipum
Sólarrafhlöður eru einn auðveldasti kosturinn í notkun þar sem þær eru mátbyggðar, tiltölulega öruggar og þurfa lítið viðhald. Þær eru almennt settar upp á þilförum, þökum yfirbygginga eða svæðum sem trufla ekki rekstur. Orkan sem myndast er notuð til að knýja hótel eins og lýsingu, siglingar, kælingu, dælur og samskiptakerfi. Á litlum skipum eða ferjum með stuttar leiðir geta sólarrafhlöður lagt verulega af mörkum þegar þær eru notaðar með rafhlöðum.
Kostir sólarplata:
– Myndar ekki útblástur við notkun.
– Næstum enginn hávaði.
– Hentar fyrir stöðugt rafmagnsálag.
Takmarkanir þess:
– Orkuframleiðsla er háð veðri og stöðu sólarinnar.
– Yfirborðsflatarmál skips er takmarkað; jafnvel stór flutningaskip hafa „notað“ svæði fyrir farm og búnað.
– Viðkvæmt fyrir tæringu í sjó, sem krefst viðeigandi efna og húðunar.
Þó að hámarksframlag sólarorku á stóru skipi sé aðeins lítill hluti af þörfinni fyrir knúningsvél, þá eru áhrifin samt sem áður veruleg í að draga úr vinnuálagi díselrafstöðva, sérstaklega þegar skipið liggur við akkeri eða er á siglingu.
Vindorka: Nútíma segl og túrbínur
Vindorka er að koma aftur í formi „nútíma segl“-tækni eins og Flettner-snúnings, vængsegils eða flugdrekasegils. Ólíkt hefðbundnum seglbátum eru þessi kerfi hönnuð sem hjálparvél fyrir kaupskip, eru sjálfvirkt stjórnuð og hægt er að samþætta þau við núverandi siglingaleiðir.
1. Flettner-snúningsrotorinn nýtir sér Magnus-áhrifin: snúningsstrokkur myndar þrýstikraft þegar hann verður fyrir vindi.
2. Vængsegl er stíft, vænglaga segl sem hægt er að stilla hornið á til að framleiða lyftikraft.
3. Flugdrekasegill notar stóran fallhlíf sem flýgur í meiri hæð og grípur stöðugri vind.
Kostir vindorku:
– Getur dregið beint úr eldsneytisnotkun knúningsvélarinnar.
– Árangursríkt á leiðum með ákveðnum vindmynstrum.
Tantangan:
– Krefst uppsetningarrýmis og uppbyggingar, sem hefur áhrif á stöðugleika og lestun og affermingu.
– Árangur er mjög háður veðri og vindátt.
– Krefst stjórnkerfa og þjálfunar áhafnar.
Nokkrar rannsóknir og tilraunir í greininni hafa sýnt fram á eldsneytissparnað sem nær frá nokkrum prósentum upp í tugi prósenta við kjörvindskilyrði. Þó að þessi tækni sé ekki alltaf samkvæm er hún aðlaðandi þar sem hægt er að setja hana upp í skip sem þegar eru í notkun.
Rafhlöður og orkugeymslukerfi
Rafhlöður, sérstaklega litíumjónarafhlöður, eru lykilatriði í blendingakerfum. Þær gera kleift að geyma og nota sólar-/vindorku eftir þörfum, sem hjálpar til við að stöðuga raforkukerfið í skipinu og draga úr hámarksálagi á rafalstöðvum. Á rafknúnum ferjum eða skipum sem þjóna höfninni geta rafhlöður jafnvel verið aðalaflgjafinn.
Kostir rafhlöðu:
– Hljóðlátari gangur og lágmarks titringur.
– Skjót viðbrögð við hreyfingum og hámarksálagi.
– Minnkar lausagangstíma dísilvélarinnar.
Hins vegar fylgja rafhlöður einnig miklum áskorunum:
– Hætta á varmabruna sem rekja má til óleystra eldsvoða, sem krefst sérstakra kæli-, eftirlits- og slökkvikerfa.
– Mikil þyngd og rúmmál fyrir mikla afkastagetu.
– Upphafsverðið er enn tiltölulega hátt, þó að þróunin sé að lækka.
Fyrir langferðaskip (djúpsjávarflutninga) er enn erfitt að skipta út eingöngu dísilolíu fyrir rafhlöður vegna mikillar orkuþarfar. Hins vegar eru rafhlöður að verða sífellt hagkvæmari kostur fyrir skip sem sigla á stuttum vegalengdum, dráttarbáta, ferjur milli eyja og þjónustuskip á hafi úti.
Vetni og eldsneytisfrumur: Framtíðarstefnan
Auk sólar- og vindorku beinist mikil nýsköpun að vetni og eldsneytisfrumum. Vetni er hægt að framleiða með endurnýjanlegri raforku (grænu vetni) og nota í eldsneytisfrumum til að framleiða rafmagn með nánast engri staðbundinni losun (aðeins vatnsgufu). Eldsneytisfrumur bjóða upp á mikla skilvirkni og hljóðláta notkun.
Helstu hindranir vetnis:
– Geymsla: vetni krefst mikils þrýstings eða mjög lágs hitastigs (lágt hitastig).
– Innviðir fyrir eldsneytisgeymslur eru enn takmarkaðir í mörgum höfnum.
– Framleiðslukostnaður græns vetnis er enn tiltölulega hár.
Hins vegar, fyrir farþegaskip, rannsóknarskip eða skip sem starfa á svæðum með grænum innviðum, geta eldsneytisrafhlöður verið stefnumótandi lausn.
Kerfissamþætting: Orkustjórnun og skipahönnun
Árangur endurnýjanlegrar orku í skipum er mjög háður kerfissamþættingu. Raforkukerfi (EMS) stjórnar hleðslu rafhlöðu, ræsingu rafstöðva, bestu nýtingu vinds og stöðugleika spennu og tíðni. Einnig er hægt að hámarka hönnun skipa með „grænni hönnun“, til dæmis:
– skilvirkari lögun skrokksins (vatnsfræðileg hagræðing),
– gróðurvarnarefni sem dregur úr loftmótstöðu,
– notkun varmaendurvinnslukerfis (endurvinnsla úrgangsvarma),
– og hraðastillingar (hæg gufusoðun) sem hafa reynst draga verulega úr eldsneytisnotkun.
Endurnýjanleg orka verður skilvirkari þegar hún er notuð samhliða aukinni rekstrarhagkvæmni, þar sem heildarorkuþörf minnkar.
Helstu áskoranir í framkvæmd
Þótt framfarir séu í boði stendur notkun endurnýjanlegrar orku í skipum frammi fyrir nokkrum áskorunum:
1. Hagfræði verkefnis: mikil upphafsfjárfesting, krefst greiningar á líftímakostnaði (LCC) og endurgreiðslutíma.
2. Öryggisstaðlar: Rafmagnsvirkjanir, stórar rafhlöður eða vetni verða að vera í samræmi við flokkunarreglur skipa og alþjóðlega staðla.
3. Aðgengi að innviðum: hafnir þurfa hleðsluaðstöðu fyrir rafmagn, vetnisgeymslu eða viðhald á nýjum íhlutum.
4. Mannauðsöryggi: Áhafnir skipa þurfa þjálfun í rekstri og viðbrögðum við neyðaraðstæðum.
5. Breytileiki orkugjafa: vindorka og sólarorka eru ekki alltaf tiltæk, þannig að áreiðanlegt varaaflskerfi er nauðsynlegt.
Niðurstaða
Endurnýjanleg orkukerfi fyrir skip eru ekki lengur bara hugsjón, heldur frekar stefnumótandi nauðsyn og tækifæri til nýsköpunar. Sólarsellur, nútíma vindorkutækni, rafhlöður og vetniseldsneytisfrumur mynda vistkerfi lausna sem hægt er að sníða að gerð skips og siglingaleið þess. Til skamms tíma er blendingsnálgun raunhæfasta leiðin til að draga úr eldsneytisnotkun og losun. Til lengri tíma litið munu umbætur á hafnarinnviðum, lækkandi tæknikostnaður og sífellt strangari reglugerðir flýta fyrir umbreytingu yfir í hreinni skipaflutninga.
Þessi umbreyting krefst samstarfs milli skipaeigenda, skipasmíðastöðva, tæknifyrirtækja, eftirlitsaðila og hafna. Með réttri hönnun og snjallri orkustjórnun getur endurnýjanleg orka hjálpað sjávarútveginum að ná meiri skilvirkni, hreinna strandlofti og sjálfbærri framtíð fyrir skipaflutninga.
