Presentasjon på Arctic Frontiers – Krav til lading, eksisterande løysingar og utviklingsmogelegheiter

På Arctic Frontiers konferansen 24. januar haldt Bjarte Hoff presentasjonen “Charing technology for small maritime vessels” basert på foreløpige resultat frå prosjektet. Fokus var lagt på status i dag, bruk av ladeløysingar frå elbil-industrien og mulige framtidige forskings- og utviklingsmogelegheiter. Ei oppsummering av presentasjoner er gitt i denne artikkelen.

Last ned PowerPoing presentasjonen her:
Arctic Frontiers 2019 – Bjarte Hoff

Krav til lading

Ulike fartøy stiller ulike krav til lading. Dette er ikkje berre avhengig av storleiken på fartøyet og batteripakken, men også driftsmønsteret. Ferjer som har kontinuerlig drift med korte stopp har behov for andre ladeløysingar enn arbeidsbåtar som ladar over natt.

Eksempel på ladebehov og løysing for eit utval av båtar er:

  • Elfrida (Hybrid) – 180 kWh batteri, ladeløysing gjennom ?? A, 400 V plugg
  • Karoline (hybrid) – 195 kWh batteri, 44 kW ladeeffekt med 63 A 400 V plugg
  • GMV Zero – 350 kWh batteri, 2 x 87 kW ladeeffekt med 2 x 125 A 400 V plugg
  • MF Folgefonn (Hybrid) – 1000 kWh batteri, 1 MW ladeeffekt med NG3 plugg + inductiv (trådlaus) lading
  • MF Ampere – 1040 kWh batteri, 1,2 MW ladeeffekt med ST.Pantograf og Cavotec plugg
  • MF Future of the Fjords – 1800 kWh batteri, 2,1 MW ladeeffekt med Cavotec plug
  • Color Hybrid – 5000 kWh, 7 MW ladeeffekt

I presentasjonen var det fokusert på båtar av størrelsen GMV Zero, der det ikkje er behov for hurtiglading. Det er tatt utgangspunkt i at fartøyet ligg til kai over ein lengre periode, slik at tilkopling til landstraum kan utførast enten manuelt eller automatisk. Tilkoplingstida er med andre ord ikkje kritisk.

Lading skjer i dag ved bruk av ein vanlig 400V rundtstift-plugg og stikkontakt. Dette er ein enkel type ladeløysing, sidan slike stikkontaktar er vanlige i industrien. Det er ingen behov for eigne ladestasjonar eller tilsvarande infrastruktur. Utfordringa er at fartøyet har ingen kommunikasjon med det elektriske anlegget som levera straumen, slik at ladinga ikkje kan regulerast etter anlegget sin kapasitet. I tillegg kan dårlig vedlikehald av kontaktar, koplingspunkt og kablar føra til varmgang og brannfare, slik ein også har sett med lading av elbilar.

Standard for landstraum

Det eksistera allereie internasjonale standardar for landstraum for båtar og skip. Sjølv om desse i utgangspunktet er tiltenkt å dekka internt forbruk ved kai, er det aktuelt å også sjå til desse ved lading.

Sjå også: Lading og landstraum, to sider av same sak?

Landstrømsforum, som er eit forum for elektrifisering av skipsflåten, jobbar for tida med å tilpassa NEK IEC PAS 8005-3:2014 standarden for lågspent landstraum til norske forhold. Der blir det vurdert å opna opp for pluggtype ned mot 125 A, mens standarden viser til 350 A.

Samanlikning med ladeløysingar frå elbil

Innanfor lading av elbilar er det definert fira modusar:

  1. Lading direkte frå stikkontakt utan lade-overvaking (ikkje brukt på nye bilar)
  2. Lading direkte frå stikkontakt, der sikkerheita blir handtert av ein kontrollboks mellom bil og nett.
  3. Dedikert ladestasjon opp til 44 kW vekselstraum
  4. Hurtiglading med likestraum

Dei mindre fartøya i dag til tilsvara modus 1, med svært avgrensa overvaking av sikkerheit og nett. Så lenge spenning og frekvens er innanfor definerte grenser, vil ladinga ikkje bli påverka av andre feil eller utfordringar i nettet.

Det er derfor min påstand eit minimumsnivå for lading av båtar bør tilsvara modus 2, der sikkerheit og nett-overvaking blir inkludert. Det betyr ikkje at ein skal ha ein eigen kontrollboks som heng på midt på ladekabelen. Det kan med fordel vera ein fast montert del på fartøyet, men at funksjonaliteten blir tilsvarande.

Ladestasjonar for hurtiglading av elbil er godt etablert, men kan desse også nyttast til båtar? Dei to dominerande standardane er CHAdeMO og CCS. Desse er nylig kome ut i ny versjon, der ladeeffekten er spesifisert til hhv. 400 kW og 350 kW. Dette er midt i blinken for lading av mindre båtar, som vist i oversikten over. Ulempa er at det krev meir infrastruktur i form av ladestasjonar på land. Fordelen er derimot at ladeutstyret kan fjernast frå båten, slik at ein spara vekt og plass. Om båten har fast kai-plass ved lading, er det absolutt eit alternativ å flytta ladeutstyret frå båt til land.

Kunne ein tenkt seg ei ladeløysing for båt som for elbil, med to lademogelegheiter? Ein liten ladar om bord for nødlading, mens det normalt sett blir nytta landbaserte ladestasjonar når båten ligg til kai?

Tokyo University of Marine Science and Technology demonstrerte allereie i 2011 lading av båt med CHAdeMO standarden:

T. Takamasa, T. Oode, H. Kifune, E. Shimizu and T. Hazuku, “Quick charging plug-in electric boat “RAICHO-I”,” 2011 IEEE Electric Ship Technologies Symposium, Alexandria, VA, 2011, pp. 9-11.

Trådlaus lading

Med trådlaus lading, er det vanlegvis referert til induktiv lading, som i prinsippet er ein open transformator. Dette har allereie blitt utvikla for ferjer med ladeeffekt opp til 1 MW:

G. Guidi, J. A. Suul, F. Jenset and I. Sorfonn, “Wireless Charging for Ships: High-Power Inductive Charging for Battery Electric and Plug-In Hybrid Vessels,” in IEEE Electrification Magazine, vol. 5, no. 3, pp. 22-32, Sept. 2017.

Det er sjølvsagt kraftig overdimensjonert i forhold til behova små arbeidsbåtar har, men viser at prinsippet fungera og er skalerbart. Slike system er også utvikla for elbilar, naturligvis med mykje lågare effekt. Den ligg typisk på 3,7 kW. Elektriske bussar har eit effektnivå som passar betre, ser blant anna Bombardier Primove har ei løysing på 200 kW.

Ulempa er at posisjonen til båten er kritisk for å få effektiv overføring av energi. Små båtar bevega seg meir enn støre ferjer, slik at det skapar nokon ekstra utfordringar. Det er også problematisk å plassera industrirobotar til å fylgje posisjonen, sidan det kan blokkera for anna bruk av kai-området.

Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology introduserte eit konsept basert på fleire spolar i ei horisontal og vertikal rekke, som redusera følsamheita for posisjon (sjå bilder under). Dette kunne vert interessant å vurdera for båtar, der ein vertikal spole var plassert ned langs kaien og ein horisontal langs rekka på båten.

Forskings- og utviklingsmogelegheiter

Det er klart eit stort potensial for forsking og utvikling i ladeteknologien for mindre båtar. Løysingane i dag er i hovudsak basert på samansetning av eksisterande hyllevare-produkt. Interessante utviklingsmogelegheiter kan oppsummerast til:

  • Lading via kabel eller trådlaust (induktivt)?
  • Skal ladaren plasserast på båten eller på land (eventuelt begge plassar)?
  • Utstyr for nettovervaking, feildeteksjon og kommunikasjon av tilgjengelig effekt
  • Lading via AC (ladar ombord) aller DC (ladar på land)?
  • Alternativ til 50 Hz transformator på båten, spara vekt og volum

Comments are closed.