Ladeløsninger for elektriske ferger

Slik situasjonen er i dag er det vedtatt i stortinget regjeringen skal implementere egnede virkemidler for å sørge for innfasing av lav- og nullutslippsløsninger i skipsfarten fram mot 2030. Innenlands står fergetrafikk for store deler av denne målsetningen, og prøveprosjekt har vist elektriske ferger svært attraktivt og lønnsomt. Arbeidet i denne rapporten forsøker å kartlegge løsninger som er i bruk for dagens fergetrafikk, samt belyse andre områder og peke ut mulige emner for videre studier/forskning. Artikkelen er basert på en rapport av Simon Jensen, vitenskapelig assistent ved UiT i Narvik sommeren 2019.

Om arbeidet

Arbeidet som er lagt frem i dette dokumentet er en samling av to ukers arbeid innen prosjektet «Ladeteknologi for maritime fartøy og luftfart». Mitt tema går ut på litteratursøk innenfor ladeteknologi for ferger. I løpet av de to ukene fant jeg fort ut at det er et område med mye ny teknologi, men jeg fant ikke veldig mye ny informasjon. Jeg prøvde derfor å samle de ulike ladeløsningene som har blitt implementert, i en artikkel som forteller litt om fordeler ved de ulike typene.

Jeg har også sett på muligheten for bruk av stasjonære batterier i tilknytning til ladestasjoner, og diskutert litt hvilken verdi slike system kan ha. Her har jeg skrevet et utkast til en artikkel om muligheten for «Vehicle to grid» innen småbåttrafikk.

Etter å ha jobbet med emnet en stund, tenkte jeg å foreslå to områder det er mulig å videre undersøke/forske på.

De to områdene jeg foreslår er:

  • Innenfor induktiv lading av fartøy mener jeg det ville være interessant å se på alternative måter å utnytte varmetapet i laderen, spesielt for ladere med større effekt eller ladeparker.
  • For fartøy generelt, er det interessant å se på muligheter for å dele energi mellom hverandre «vehicle to vehicle» eller nettet «vehicle to grid». Årsaken til at dette er et interessant område, er at dersom fritidsbåter i større grad blir elektrifisert, er det et stort potensial for å utnytte kapasiteten til andre bruksområder utenfor båtsesongen.

Ladeløsninger for elektriske ferger

Slik situasjonen er i dag er det vedtatt i stortinget regjeringen skal implementere egnede virkemidler for å sørge for innfasing av lav- og nullutslippsløsninger i skipsfarten fram mot 2030. Innenlands står fergetrafikk for store deler av denne målsetningen, og prøveprosjekt har vist elektriske ferger svært attraktivt og lønnsomt. Denne artikkelen er en oversikt over hvilke systemer som finnes tilgjengelig i dag for lading av større ferger, samt noen løsninger som er under utvikling.

Ladeplugg

De fleste batteriladerne i dag benytter direkte kontakt gjennom en plugg. Slike løsninger er enkle, og har ikke noe betydelig tap av virkningsgrad. For lading med høyere effekt kreves et større ledertverrsnitt, og kabel m. plugg kan bli ganske tunge og vanskelige å håndtere manuelt. Innenfor skipsfart er det derfor utviklet flere forskjellige løsninger, hvor målet er å raskere starte lading når et fartøy legger til. Nedenfor er noen eksempler på ladeløsninger som er i bruk i dag og under utvikling.

Stemmann FerryCharger

Tyske Stemmann har utviklet flere ulike ladeløsninger for elektriske kjøretøy. En av de som er i bruk i dag heter FerryCharger, og består av en robot som kobles til fartøyet magnetisk, med automatisk horisontal og vertikal kompensering. Denne ladeløsningen brukes i dag av fergen «MF Gloppefjord» [1].

Figur 1 – Stemmann FerryCharger [1]

Stemmann ChargingREEL og ChargingSTRINGER

ChargingREEL og ChargingSTINGER er to løsninger som er beregnet på mindre kjøretøy. ChargingREEL er en kabeltrommel, med valgfri ladeplugg løsning [2]. ChargingSTINGER er en skinne løsning som har plass til flere ladere, noe som kan være plassbesparende [3].

Figur 2 – ChargingREEL [2]

Figur 3 – ChargingSTINGER [3]

Figur 4 – ChargingSTINGER virkemåte [3]

ACEL Connect

En annen løsning under utvikling er ACEL Connect, som også benytter seg av en robotarm for å koble skipet til laderen. ACEL foreslår også å bruke en kombinasjon av vakuum og innsprøytning av etanoldamp for å fjerne saltholdige stoffer fra kontaktene før sammenkobling. Avsluttende testrunder for ACEL Connect lader ved en spenning på 11kV og strøm på 500A [4].

Figur 5 – ACEL Connect [4]

Ladeløsning på MF Ampere

MF ampere var den første helelektriske bilfergen som ble ferdigstilt i 2014, og hadde i 2018 gått ca 6x ekvator i total avstand. Skipet bruker to løsninger for lading; ladeplugg og pantograf. Når skipet legger til kai, åpnes det opp en luke i siden, hvor det senkes ned en ladeplugg. Lenger bak på skipet er det en pantograf fra Stemmann, basert på same system som er i bruk på mange korte jernbanestrekninger. Skipet har også automatisk fortøyning, som hjelper til å holde det stabilt [5].

Figur 6 – MF Ampere med Cavotec Automatic Plug-in System [5]

Ladeløsning på MF Aurora og Tycho Brahe

Fergene MF aurora (Figur 2) og Tycho Brahe benytter ABB roboten IRB 7600 for å plugge inn fergene når de ligger til kai. Denne løsningen bruker ca. 45 sekunder fra båten ligger til kai, frem til ladingen starter, med en ladeeffekt på rundt 10MW [6].

Figur 7 – MF Aurora [7]

Trådløs og konduktiv lading

Trådløs lading er generelt veldig attraktivt, både fra et estetisk perspektiv, samtidig som det funksjonelt også har noen fordeler. Trådløs lading kan deles inn i to hovedgrupper. Induktiv lading overfører effekt via magnetfelt, og operer uten direkte kontakt. Konduktiv lading bruker ladepunkter for å overføre energien. Fordelen med et trådløst oppsett er et mer ryddig system, og at det er enklere/raskere å komme i gang med lading.

Pantograf

En pantograf er en arm som overfører strøm fra en leder. Tradisjonelt har pantografer blitt mye brukt innenfor kortere jernbanestrekninger, spesielt i byer, og er et system som er godt utprøvd. Figur 8 viser virkemåten til en pantograf, med overhengende kraftlinje.

Figur 8 – Pantograf

Problemet med pantografer som kan oppstå ved maritim bruk, kan være hyppige variasjoner i horisontal posisjonering som følge av urolig sjø. Slike variasjoner vil også føre til slitasje som følge av friksjon. På «MF ampere» er pantografløsningen utformet med fire vertikale skinner, noe som gjør at skipet kan bevege seg litt opp og ned uten at ladingen stopper. På større fartøy med et stort vertikalt overflateareal virker pantografer som en fornuftig løsning, ettersom det vil kompensere for slike variasjoner.

Figur 9 – Pantograf på MF Ampere [8]

Induktiv lading

Induksjonslading overfører energi via magnetfelt, og opererer i prinsipp som en åpen transformator.

Induktiv lading har allerede blitt demonstrert ved effekt på over 1 MW, og for større skip har det fordelen at lading kan starte så fort skipet er nært nok. Ettersom det ikke er noe direkte kontakt, vil heller ikke belegg som følge av saltvann være en like aktuell problemstilling.

Finske Wärtsilä har utviklet et system som er i bruk i dag på «MF Folgefonn». Systemet har automatisk fortøyning av samme type som «MF Ampere» og lader induktivt med en effekt på 1.2 MW. Fordelen med dette systemet er at ladingen starter så fort skipet er nært nok [9].

Figur 10 – MF Folgefonn [9]

Stasjonære batteriinstallasjoner innen sjøfart

Dersom store deler av sjøfartsnæringen skal elektrifiseres, vil det være områder hvor det ikke finnes nok tilgjengelig effekt for å dekke de største toppene med samtidig lading. Vi ser allerede i prosjekter som «Future of the fjords» at dette er en realitet. Løsningen Brødrene Aa kom frem til var å bygge inn et batteri i en flytebrygge som vist i figur 11, en løsning som i tillegg til å spare nettet også sparer plass på kaia, der ladeutstyret ellers ville stått.

Figur 11 – Powerdock [10]

En stasjonær batteriinstallasjon kan også sees på som en ekstra trygghet/backup ved mindre nettfeil og ikke levert energi, som midlertidig muliggjør lading. Statistikk fra Statnett viser at de fleste tilfellene av ikke levert energi i tidsrommet 2015-2017 oftest forekommer rundt desember og mars, hvor det periodevis er mer trafikk som følge av jule- og påskeferie avvikling [11]. Innen industri som avhenger av å møte strenge tidsfrister vil det å kunne tilby den ekstra sikkerheten også være et gunstig argument.

I land med veldig varierende strømpriser vil det også kunne være en lønnsom investering å bruke deler av batterikapasiteten til regulering. Pilotprosjekt som Tesla sitt 130 MWh batteri i Australia, har vist at det er mulig å utnytte ustabile kraft markeder for å gjøre en slik installasjon lønnsom [12]. Samtidig har EU inngått flere direktiver med ambisiøse målsetninger om innfasing av mer fornybar energi, noe som igjen kan føre til større behov for energilagring [13].

Dusonchet et al [13] konkluderte med at behovet for stasjonær energilagring i EU er tilstede, og at de største utfordringene er knyttet opp mot mangel på kunnskap blant investorer, samt høye etableringskostnader. Det ble også konkludert at ny lovgivning danner et godt grunnlag for videre implementering, samtidig som lovverket rundt praktisk implementering fremdeles er noe mangelfullt.

Et annet aspekt er at levetiden til Litium-ion batterier ofte regnes ut fra at kapasiteten er redusert med 20-30%, avhengig av bruksområde. Spesielt transport er avhengig av at kapasiteten er tilstrekkelig bevart. Samtidig betyr dette at batterier med 70-80% gjenstående kapasitet ikke lenger brukes. Dersom disse batteriene blir benyttet i stasjonær lagring vil det kunne øke verdien på den initiale investeringen, ettersom batteriet kan brukes lengre. Det vil også redusere kostnader for stasjonære lagringssystemer. Innen gjenbruk av batterier kan «Nissan Second-Life» trekkes frem som et eksempel, hvor batterier fra Nissan Leaf gjenbrukes innen stasjonær lagring [14].

“Vehicle to grid” for fremtidens småbåthavner?

Vehicle to grid er et veldig spennende konsept, og bygger på å utnytte kapasitet i batterier i perioder hvor de ellers ikke blir brukt. Tanken er da at denne kapasiteten kan brukes til å stabilisere nettet, noe som kan redusere behovet for store oppgraderinger. Spesielt på områder med svakere nett er det et veldig interessant forskningsområde.

Innen sjøfart står ofte fritidsbåter ubrukt store deler av året, og dersom fremtidens båtpark primært inneholder elektriske fartøy, vil dette kunne medføre samlet en betydelig sovende batterikapasitet.

Parker prosjektet i Danmark [15] har vist at det er mulig å benytte dagens elektriske biler til reguleringsformål, samtidig som det er skalerbart. Økonomiske beregninger med bakgrunn i DK2 sonen, data fra 2017 og ulike caser kom frem til  følgende [15]

  • Best case: 2.304 EUR/EV/år
  • Normal case: 468 EUR/EV/år
  • Worst case: -955 EUR/EV/år

Hvis liknende teknologi blir implementert innen småbåttrafikk, og variasjonene i nettet samtidig er store nok, vil leie av batterikapasitet kunne være med å få inn inntekter til båteierne, noe som kan være en god motivasjon for å være villig til å delta.

Forslag til videre forsking

Hvordan kan varmetap fra induktiv lading av fartøy utnyttes?

Ettersom det er et kappløp om å levere størst mulig effekt via induktiv lading, vil det å kvitte seg med varme som følge av kobbertap være betydelig. Et system som lader et fartøy med 1 MW og virkningsgrad på 97% vil f. eks generere 30kW med varme. Dersom denne ladingen skjer i 5 minutter, 10 ganger om dagen, tilsvarer dette ca. 25kWh med varme man må kvitte seg med.

Slik som mange systemer fungerer i dag, er kjølesystemene ofte ikke konstruert med tanke på å utnytte denne varmen. Dersom induktiv lading blir mer utbredt innen sjøfart også i liten skala, og det etableres parker for lading, vil det å kunne se på hva som kan gjenvinnes av varme muligvis stå for besparelser i forhold til avising og oppbevaring av optimale driftsforhold for laderne.

Å se på løsninger for å gjenvinne tapet vil kunne brukes som argument, sammen med andre fordeler som følger induktiv lading. Hvis man ser på en elektrisk bil, og bruker en lader med virkningsgrad på f. eks 97% i en garasje som er elektrisk oppvarmet, vil ikke varmetapet være et rent tap ettersom området allerede har et behov for oppvarming.

Et forslag til forskning vil være å se på hvilke løsninger som kan utformes, og hvilken skala det må være for å gi noen økonomisk gevinst i forhold til installasjonskostnader.

En ide kan være å lagre varmen i en vanntank, for å benytte det til å hjelpe med å holde visse deler av laderen isfri. Dersom laderne er i nærheten av eksisterende bygg, kan det også tenkes at denne varmen kan benyttes for å forbedre driftsbetingelser til varmepumper gjennom vinterhalvåret.

System for deling av batterikapasitet mellom fartøy eller “vehicle to grid”

Dersom elektriske fartøy blir mer og mer utbredt også for sivil trafikk, vil det finnes tilfeller hvor det feilberegnes batterikapasitet i forhold til avstand, eller andre feil som gir kortere rekkevidde. Dersom det er mulig å designe et system som lar fartøy dele energi mellom seg, vil det være et alternativ å lade opp fartøyet i stedet for å slepe det til nærmeste lader.

Et annet bruksområde for et slik system kan være for mindre fartøy som trenger stor effekt en liten periode. Taubåter er et eksempel på et slik system. Dersom det eksisterte en standard for å dele batterikapasitet, kunne det bygges et designert batterifartøy, som kan sendes ut ved særskilte behov.

Innenfor konseptet «Vehicle to grid» er det gjort en del forskning fra før, og mye av dette kan være overførbart i forhold til energioverføring mellom fartøy. Hvis problemstillingen utvides ytterligere, kan kanskje elektriske fritidsbåter også benyttes innenfor «Vehicle to grid» i perioder hvor de ikke brukes. Med tanke på at fritidsbåter ikke benyttes på langt nær så ofte som personbiler vil det også være et argument for å utnytte et eksisterende potensial.

Referanser

[1]         STEMMANN-TECHNIK, “FerryCharger.” [Online]. Available: http://www.stemmann.com/documents/catalogues/FerryCHARGER_ENG.pdf. [Accessed: 25-Jun-2019].

[2]         STEMMANN-TECHNIK, “ChargingREEL.” [Online]. Available: http://www.stemmann.com/en/products/charging_systems/chargingreel_for_electric_vehicles. [Accessed: 25-Jun-2019].

[3]         STEMMANN-TECHNIK, “ChargingSTINGER.” [Online]. Available: http://www.stemmann.com/en/products/charging_systems/chargingstinger.

[4]         ACEL, “ACEL Connect,” 2017. [Online]. Available: https://www.acel.no/blogg/acel-connect-skal-gi-sikrere-fergestrom. [Accessed: 24-Jun-2019].

[5]         cavotec moormaster automatic plug in System, “Cavotec MoorMasterTM/Automatic Plug-in System.” [Online]. Available: http://press.cavotec.com/videos/cavotec-moormaster-slash-automatic-plug-in-system-25224. [Accessed: 22-Jun-2019].

[6]         Zero Emission Resource Organisation, “Verdens største elferge til Helsingborg-Helsingör i 2017.” [Online]. Available: https://zero.no/verdens-storste-elferge-til-helsingborg-helsingor-i-2017/.

[7]         T. Stensvold, “89 tonn batterier i verdens største el-ferge,” Teknisk Ukeblad, 2016. [Online]. Available: https://www.tu.no/artikler/89-tonn-batterier-i-verdens-storste-el-ferge/348995. [Accessed: 20-Jun-2019].

[8]         T. Stensvold, “Batterifergen får ikke nok effekt – må stå over avganger hver dag,” Teknisk Ukeblad. [Online]. Available: https://www.tu.no/artikler/batterifergen-far-ikke-nok-effekt-ma-sta-over-avganger-hver-dag/223345.

[9]         V. Blich, “MF Folgefonn lades og fortøyes trådløst,” Skipsrevyen. [Online]. Available: https://www.skipsrevyen.no/article/mf-folgefonn-lades-og-fortoeyes-traadloest/. [Accessed: 29-Jun-2019].

[10]      “Dette flytande batteriet kan bli løysinga for hamner både i Noreg og utlandet,” NRK. [Online]. Available: https://www.nrk.no/sognogfjordane/dette-flytande-batteriet-kan-bli-loysinga-for-hamner-verda-over-1.14140815. [Accessed: 25-Jun-2019].

[11]      Statnett, “Årsrapporter fra Feilanalyse,” 2017. [Online]. Available: https://www.statnett.no/for-aktorer-i-kraftbransjen/systemansvaret/praktisering-av-systemansvaret/arsrapporter-fra-feilanalyse/.

[12]      Electrek, “Tesla completes world’s largest li-ion battery system in Australia,” 2017. [Online]. Available: https://electrek.co/2018/01/23/tesla-giant-battery-australia-1-million/.

[13]      L. Dusonchet, S. Favuzza, F. Massaro, E. Telaretti, and G. Zizzo, “Technological and legislative status point of stationary energy storages in the EU,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 101, pp. 158–167, Mar. 2019.

[14]      R. Madlener and A. Kirmas, “Economic Viability of Second Use Electric Vehicle Batteries for Energy Storage in Residential Applications,” Energy Procedia, vol. 105, pp. 3806–3815, May 2017.

[15]      P. B. Andersen et al., “The Parker Project,” 2019

Comments are closed.