Έκθεση σχετικά με την επίδραση του ΣΡ στην απόδοση του πλοίου «Πρωτοβουλία (Direct Current in Ship Initiative - DC-Ship)» (πράξη ΑΡΙΣΤΕΙΑ Ι, Κωδ. Έργου ΓΓΕΤ: 987, Κωδ. Έργου ΕΔΕΙΛ/ΕΜΠ: 68/1151)
Πίνακας Περιεχομένων ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΠΡΑΞΗΣ... 3 Έκθεση σχετικά με την επίδραση του ΣΡ στην απόδοση του πλοίου... 4 Γενικά... 4 Οι Δείκτες EEDI και ΕΕΟΙ... 5 Το σχέδιο Διαχείρησης της Ενεργειακής Επίδοσης Πλοίου (SEEMP)... 5 Περιγραφή... 5 Μέτρα και πρακτικές ενεργειακής απόδοσης.... 7 Έκθεση αποτελεσμάτων σχετικά με τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης πλοίου με το μοντέλο διανομής ΣΡ... 10
ΣΥΝΟΠΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΥ ΠΡΑΞΗΣ Το συγκεκριμένο έργο στοχεύει στη διεξαγωγή έρευνας για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών και την ανάπτυξη αντίστοιχων μεθόδων αντιμετώπισης. Τα συστήματα ΣΡ εξαλείφουν την κυκλοφορία αέργου ισχύος και τις σχετικές απώλειες κι έτσι η εφαρμογή τους μπορεί να βελτιώσει τους δείκτες απόδοσης του πλοίου EEDI και ΕΕΟΙ. Ωστόσο, θα πρέπει πρώτα να διερευνηθεί μια σειρά θεμάτων, τα οποία σχετίζονται κυρίως με τη λειτουργία του συστήματος κατά τη μόνιμη και μεταβατική κατάσταση, όπως η ευστάθεια τάσης, η ποιότητα ισχύος και τα σφάλματα. Κύριο στοιχείο καινοτομίας του συγκεκριμένου έργου αποτελεί η ενδελεχής διερεύνηση των θεμάτων τα οποία σχετίζονται με την εφαρμογή συστημάτων διανομής ΣΡ σε εμπορικά πλοία και η ανάπτυξη λύσεων στοχευμένων στην εξοικονόμηση ενέργειας. Για το σκοπό αυτό προτείνεται ένα ερευνητικό σχέδιο το οποίο συνδυάζει μια πληθώρα επιστημονικών πεδίων του ηλεκτρολόγου και του ναυπηγού μηχανικού. Κατα τη διάρκεια της ερευνητικής δράσης τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων οι οποίες θα πραγματοποιηθούν, θα ενισχυθούν από αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα σε δύο πρότυπες διατάξεις. Μία για την εξομοίωση του δικτύου ΕΡ του πλοίου και μία για το αντίστοιχο δίκτυο ΣΡ. Οι επιδόσεις τους κατά τη λειτουργία θα καταγραφούν και θα συγκριθούν σε ό, τι αφορά την παραγωγή και την κατανάλωση ενέργειας. Οι μελέτες αυτές θα συμπληρωθούν από αναλύσεις Κόστους Κύκλου Ζωής (Life Cycle Cost, LCC) του πλοίου όταν αυτό χρησιμοποιεί δίκτυο ΣΡ, λαμβάνοντας υπόψη το κόστος κτήσης, λειτουργίας και συντήρησης. Το έργο υποδιαιρείται σε επτά (7) ενότητες έρευνας. Ειδικότερα η ενότητα έρευνας 5 αναφέρεται στη μελέτη ζητημάτων Συντήρησης, Κόστους Κύκλου Ζωής και Απόδοσης. Το συγκεκριμένο παραδοτέο αποτελεί την παρουσίαση της έκθεσης των αποτελεσμάτων διερεύνησης σε ζητήματα Συντήρησης του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας πλοίου με Συνεχές Ρεύμα.
Έκθεση σχετικά με την επίδραση του ΣΡ στην απόδοση του πλοίου Γενικά Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα των εργασιών 5.1 και 5.2, αξιολογήθηκε η επίδραση στην απόδοση του πλοίου, σύμφωνα με τους δείκτες EEDI και ΕΕΟΙ καθώς και το σχέδιο SEEMP, για τους υπό εξέταση τύπους πλοίων και τα προφίλ των αποστολών τους. Αυτό περιλαμβάνει την αξιολόγηση της κατανάλωσης καυσίμων και εκπομπών που σχετίζονται με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας (π.χ. θερμικοί κινητήρες που χρησιμοποιούνται ως η κινητήριες μηχανές για ηλεκτρικές γεννήτριες). Ειδικότερα, αυτό θα βασίζεται κυρίως στην άμεση σχέση μεταξύ της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και την κατανάλωση καυσίμων από τη μία πλευρά, καθώς και την παραγωγή αερίων του θερμοκηπίου από την άλλη 1. Το ίδιο πλοίο με τις ενεργειακές ανάγκες του στις διακριτές καταστα σεις λειτουργίας του, πόση ενέργεια ζητά (απώλειες σε μηχανήματα και καλώδια): ποια η ενεργειακή απαίτηση, ποια είναι η εκτίμηση της κατανάλωσης καυσίμου EEOI. H Επιτροπή Θαλασσίου Περιβάλλοντος του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού υιοθέτησε το πρώτο κλαδικό κλιματικό μέτρο παγκόσμιας κλίμακας. Η υιοθετηθείσα Συμφωνία Δείκτη Σχεδιασμού (EEDI) θα εξασφαλίσει σημαντική βελτίωση της απόδοσης σε νεότευκτα πλοία, μειώνοντας έτσι το αποτύπωμα άνθρακα της παγκόσμιας ναυτιλίας. Εν τω μεταξύ, οι εφοπλιστές και ο ΙΜΟ στρέφονται όλο και περισσότερο στα αποτελεσματικά σχέδια διαχείρισης των πλοίων για τη μείωση του κόστους καυσίμων μέσω της βέλτιστης επιλογής διαδρομής, της αργής καύσης κλπ. Σύμφωνα με το Διεθνές Ναυτιλιακό Επιμελητήριο, αυτοί οι παράγοντες σε συνδυασμό θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα της ναυτιλίας έως και 20% κατά την περίοδο 2007-2020. Μελέτες που αναφέρονται από την Επιτροπή (SEC2011/391) φαίνεται να επιβεβαιώνουν την πιθανή έκταση των μειώσεων. Περαιτέρω βελτιώσεις στο κύτος, μηχανή και το σχεδιασμό έλικα αναμένεται να παράγει επιπλέον μειώσεις στην κατανάλωση καυσίμου. Ο επίσημος στόχος μείωσης για τις θαλάσσιες μεταφορές στη Λευκή Βίβλο (για το 2050) ανέρχεται στο 40%. 1 Για παράδειγμα στην περίπτωση καύσιμου τύπου Diesel Fuel Oil οι εκπομπές είναι: 0.69 tco2/mwh, 0.0139 tnox/mwh, 0.0011 tsox/mwh, 0.0004 thc/mwh, 0.0003 tpm/mwh, ενώ στην περίπτωση καύσιμου τύπου Heavy Fuel Oil: 0.722 tco2/mwh, 0.0147 tnox/mwh, 0.0123 tsox/mwh, 0.0004 thc/mwh, 0.0008 tpm/mwh.
Οι Δείκτες EEDI και ΕΕΟΙ Το σημαντικότερο τεχνικό μέτρο για τη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα, είναι ο Σχεδιαστικός Δείκτης Ενεργειακής Επίδοσης (EEDI) για νέα πλοία που θα απαιτεί ένα ελάχιστο επίπεδο ενεργειακής επίδοσης ανά δυνατότητα μεταφορικού έργου/μίλι (π.χ. τόννο μίλι) για διάφορους τύπους πλοίων και κλίμακα μεγεθών. Με την ανά πενταετία σταδιακή αυστηροποίηση ο EEDI θα τονώσει την τεχνολογική ανάπτυξη όλων των παραγόντων που επηρεάζουν την επίδοση στην κατανάλωση καυσίμων από το πλοίο. Από λειτουργικής πλευράς, έχει αναπτυχθεί το υποχρεωτικό πρόγραμμα ενεργειακής επίδοσης των λειτουργιών του πλοίου, το Σχέδιο Διαχείρισης της Ενεργειακής Επίδοσης Πλοίου (SEEMP) για να βοηθηθεί η διεθνής ναυτιλιακή βιομηχανία να επιτύχει οικονομικά αποτελεσματικές βελτιώσεις επίδοσης των λειτουργιών της με τη χρήση του Λειτουργικού Δείκτη Ενεργειακής Επίδοσης (EEOI) ως εργαλείου παρακολούθησης και συγκριτικής αξιολόγησης. Η μείωση της ταχύτητας είναι μία από τις διαθέσιμες λειτουργικές επιλογές που μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την άμεση μείωση εκπομπών χωρίς κόστος, εφόσον όμως για τη ναυτιλία μεταφοράς χύμα φορτίων μπορούν να δεσμευθούν οι ναυλωτές των πλοίων. Το σχέδιο Διαχείρησης της Ενεργειακής Επίδοσης Πλοίου (SEEMP) Περιγραφή Μια από τις πιο πρόσφατες αποφάσεις του IMO, αναφέρεται στην εφαρμογή του Σχεδίου Διαχείρησης Ενεργειακής Αποδοτικότητας Πλοίου (SEEMP), από πλευράς πλοιοκτητών και διαχειριστών των πλοίων, υποχρεωτικά από 1 η Ιανουαρίου 2013, για πλοία άνω των 400 GT. Πιο συγκεκριμένα το σχέδιο SEEMP αποτελείται από επιχειρησιακά μέτρα, που εγκαθιστούν ένα μηχανισμό βελτίωσης της ενεργειακής αποδοτικότητας του πλοίου με ένα οικονομικά αποδοτικό τρόπο. Το Σχέδιο Ενεργειακής Αποδοτικότητας Πλοίου (SEEMP), παρέχει επίσης στις ναυτιλιακές εταιρίες, μια προσέγγιση βέλτιστης διαχείρισης των στόλων τους, με σκοπό τις μειώσεις των εκπομπών CO 2 κατά την διάρκεια ζωής του πλοίου. Οι κατευθυντήριες γραμμές για την ανάπτυξη του σχεδίου SEEMP, για τα νέα και τα υπάρχοντα πλοία, ενσωματώνουν τις βέλτιστες πρακτικές για την αποτελεσματική αξιοποίηση των συστημάτων αλλά και των καυσίμων του πλοίου, καθώς και τις κατευθυντήριες γραμμές για την εθελοντική χρήση του δείκτη ΕΕΟΙ για τα νέα και τα υπάρχοντα πλοία (MEPC.1/Circ.684). Ο δείκτης EEOI παρέχει στους διαχειριστές την δυνατότητα μέτρησης της αποδοτικότητας των καυσίμων ενός πλοίου, ώστε να αξιολογήσουν τις επιπτώσεις των αλλαγών στη λειτουργία, όπως π.χ. βελτιωμένο προγραμματισμό του ταξιδιού ή πιο συχνή καθαριότητα της έλικας, ή την εισαγωγή τεχνικών μέτρων όπως τα συστήματα ανάκτησης θερμότητας των αποβλήτων ή ακόμα και μια νέα έλικα. Το σχέδιο SEEMP καλεί τον ιδιοκτήτη του πλοίου και τον φορέα εκμετάλλευσης σε κάθε στάδιο του σχεδίου, να εξετάσουν τις νέες τεχνολογίες και πρακτικές όταν γίνεται προσπάθεια βελτιστοποίησης της απόδοσης του πλοίου, που αυτό αποσκοπεί και στις
μειώσεις των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα CO 2 και γενικότερα των αερίων που είναι υπεύθυνα για το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Εικόνα: 1.10 Αέριοι ρύποι Πηγή: www.imo.org Προτεινόμενα μοντέλα για το υποχρεωτικό Σχέδιο Διαχείρησης Ενεργειακής Αποδοτικότητας Πλοίου, έχουν παρουσιαστεί από τον IMO, από διάφορους νηογνώμονες (Lloyd s Register, DNV 2, ABS 3 κ.λ.π.), όπως επίσης και από διάφορες εταιρίες παροχής τεχνογνωσίας στον ναυτιλιακό τομέα. Τα προτεινόμενα σχέδια δεν είναι υποχρεωτικά. Σκοπός τους είναι, να δώσουν ιδέες για την τελική δημιουργία ενός ολοκληρωμένου πλάνου ενεργειακής διαχείρησης αποδοτικότητας του πλοίου. Για το τελικό σχέδιο, υπεύθυνοι είναι οι πλοιοκτήτες ή οι διαχειριστές των πλοίων. Παρακάτω παρουσιάζονται κάποιες από τις 2 Der Norske Veritas-Συντομογραφίες σελ:80 3 American Bureau of Shipping-Συντομογραφίες σελ:80
προτάσεις που προτείνονται από νηογνώμονες, μέλη του IACS 4 (International Association of Classification Societies) και τον IMO. Lloyd s Register: Το γενικό περίγραμμα των προτάσεων του Lloyd s για το σχέδιο SEEMP περιλαμβάνει: Εισαγωγή (σχεδιασμός, εφαρμογή, παρακολούθηση, αυτοαξιολόγηση και βελτίωση), τα οποία επεξηγούνται πολύ σύντομα στη συνέχεια: -Σχεδιασμός (Planning): Προσδιορισμός της τρέχουσας κατάστασης του πλοίου και των αναμενόμενων βελτιώσεων της ενεργειακής αποδοτικότητας του. -Εφαρμογή (Implementation): Διαμόρφωση συστήματος εφαρμογής των βελτιώσεων που προσδιορίστηκαν στο προηγούμενο στάδιο (του σχεδιασμού). -Έλεγχος (Monitoring): Ποσοτικός έλεγχος της ενεργειακής αποδοτικότητας του πλοίου. Στο στάδιο αυτό παρέχεται η δυνατότητα χρήσης του Λειτουργικού Δείκτη Ενεργειακής Αποδοτικότητας-EEOI (Energy Efficiency Operational Indicator). -Επαναξιολόγηση & Βελτίωση (Self-evaluation & Improvement): Προπαρασκευή για τον επόμενο κύκλο βελτιώσεων. Αυτό το στάδιο δεν περιλαμβάνει τεχνικά στοιχεία, έτσι ώστε να διασφαλιστεί ο συμβουλευτικός χαρακτήρας των προτάσεων. Μέτρα και πρακτικές ενεργειακής απόδοσης. Αυτό το τμήμα περιλαμβάνει μια λίστα από τυπικά μέτρα ενεργειακής απόδοσης. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα πιο αποτελεσματικά μέτρα, μπορεί να περιλαμβάνουν έναν μικρό αριθμό ενεργειών και όχι πολύπλοκες διαδικασίες καθώς αυτές είναι δύσκολο να γίνουν κατανοητές και να εφαρμοστούν. Τα μέτρα ενεργειακής απόδοσης μπορούν να διαχωριστούν στις παρακάτω κατηγορίες: Αποτελεσματική αξιοποίηση καυσίμων Βελτιστοποίηση χειρισμών πλοίου Βελτιστοποίηση γάστρας και προωστήριου μηχανισμού-έλικας Μηχανήματα και εξοπλισμός 4 International Association of Classification Societies-Συντομογραφίες σελ:80
Βελτιστοποίηση στην διακίνηση των φορτίων Εξοικονόμηση ενέργειας και ευαισθητοποίηση Τα προτεινόμενα μέτρα ανά κατηγορία παρατίθενται παραστατικά στον Πίνακα 1.11:
Προτάσεις Εφαρμογής SEEMP 1) Αποτελεσματική αξιοποίηση καυσίμου 2) Βελτιστοποίηση χειρισμού του πλοίου 3) Βελτιστοποίηση γάστρας και έλικας 4) Βελτιστοποίηση μηχαν. & εξοπλισμού 5) Βελτιστοποίηση χειρισμού φορτίου 6) Εξοικονόμηση ενέργειας & ευαισθητοποίηση 1.1 Βελτίωση χάραξης διαδρομής 1.2 Καθορισμός διαδρομής βάση δελτίων καιρού (weather routing) 1.3 Άφιξη εντός χρονοδιαγράμματ ος 1.4 Βελτιστοποίηση ταχύτητας 2.1 Βέλτιστη διαγωγή 2.2 Βέλτιστο έρμα 2.3 Βέλτιστη επιλογή & χρήση έλικας 2.4 Βέλτιστη χρήση πηδαλίου & αυτόματου πιλότου 3.1 Αντίσταση γάστρας 3.2 Διαχείριση έλικας 4.1 Βελτιστοποίηση κύριας μηχανής και ηλεκτρομηχανών 4.2 Συστημάτων και εξοπλισμού 4.3 Ανάκτηση θερμότητας 5.1 Θέρμανση και μόνωση φορτίου 5.2 Άλλα μέτρα για τη βελτιστοποίηση χειρισμού του φορτίου 6.1 Βελτιστοποίηση ενέργειας οικιστηρίου 6.2 Χρήση ανανεώσιμων μορφών ενέργειας 6.3 Παροχή ρεύματος από ξηρά, κατά τη διάρκεια ελλιμενισμού (cold ironing) 6.4 Σχέδια έρευνας εξοικονόμησης ενέργειας
Σχήμα: 1.11 Προτεινόμενα μέτρα εφαρμογής του SEEMP κατά Lloyd s. Πηγή: http://lr.org Σχήμα: 1.12 Σχηματική Περιγραφή SEEMP Έκθεση αποτελεσμάτων σχετικά με τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης πλοίου με το μοντέλο διανομής ΣΡ Η μόλυνση του περιβάλλοντος και το φαινόμενο θερμοκηπίου στο οποίο συντελεί και η εκπομπή των καυσαερίων από τα πλοία, έχει οδηγήσει σε αυστηρότερους κανονισμούς σε σχέση με τις εκπομπές ρύπων και την εξοικονόμηση καυσίμου. Με τη σειρά της η ανάγκη για πιο αποδοτικά πλοία, οδηγεί σε αυξημένες απαιτήσεις ώστε όλα τα ενεργειακά
συστήματα πάνω στο πλοίο να είναι επίσης αποδοτικά. Εξάλλου, ο εξηλεκτρισμός των συστημάτων του πλοίου, συμπεριλαμβανομένου του συστήματος πρόωσης έχει καταστεί μία δελεαστική εναλλακτική επιλογή για την αύξηση των επιδόσεών του. Μάλιστα, για συγκεκριμένους τύπους, όσο πιο έντονος είναι ο εξηλεκτρισμός τους (σύμφωνα με την ιδέα του Πλήρως Εξηλεκτρισμένου Πλοίου- All Electric Ship), τόσο πιο πολύ ενεργειακά αποδοτικά αυτά καθίστανται. Σε αυτό το πλαίσιο η συγκεκριμένη τεχνολογία προσφέρει εμφανή πλεονεκτήματα, όπως: (a) (β) Σχήμα 1.13 (α) Τυπική Διαμόρφωση συστήματος ηλεκτρικής πλοίου με ΕΡ και ηλεκτροπρόωση. (β) Διαμόρφωση του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου με ΣΡ ο συνολικά χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός είναι μικρότερων διαστάσεων και μικρότερου βάρους, μη κυκλοφορία αέργου ισχύος και μείωση συνολικών απωλειών, με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση καυσίμου (που χρησιμοποιείται για την παραγωγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τις πηγές), ο παραλληλισμός των πηγών ενέργειας είναι ευκολότερος και απλούστερος, όπως επίσης και ο συνδυασμός διαφόρων πηγών ηλεκτρικής ενέργειας φιλικών προς το περιβάλλον (πχ. φωτοβολταϊκά, κυψέλες καυσίμου, κλπ) ή αποθήκευσής της (πχ. μπαταρίες) ή ακόμη και η διασύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο ξηράς (cold ironing),
η παρακολούθηση και ο έλεγχος του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας γίνονται ευκολότερα, εάν το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας Συνεχούς Ρεύματος ενός υπό μελέτη πλοίου σχεδιαστεί προσεκτικά (πρόληψη για την εγκατάσταση του συγκεκριμένου ΣΗΕ στο General Arrangement), τότε και το συνολικό κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερο από το αντίστοιχο Εναλλασσομένου Ρεύματος. αξιοποιώντας όλα τα παραπάνω, είναι δυνατόν η απόδοση ενός πλοίου υπό μελέτη να βελτιωθεί σε σημαντικό βαθμό. Χαρακτηριστικό είναι πώς σε τεχνο-οικονομική μελέτη που διεξήχθη συγκρίνοντας τις διαμορφώσεις του σχ. 1.13 παραπάνω, η διάταξη με ΣΡ βοηθούσε στην εξοικονόμηση 20% περισσότερου χώρου, ήταν κατά 10% ελαφρύτερη και παρουσίαζε 8% λιγότερες απώλειες σε σύγκριση με την κλασσική ηλεκτροπρόωση(σχήμα 2). Σύγκριση συστημάτων ηλεκτρικής Ενέργειας Απώλειες(kW) Όγκος Εγκατάστασης(κυβ. Μ) Μάζα Εγκατάστασης(Τόνοι) 0 200 400 600 800 1000 Διαμόρφωση ΣΡ Ηλεκτροπρόωση με ΕΡ Σχήμα 2. Σύγκριση συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ΕΡ και ΣΡ Με την αύξηση της απόδοσης του συστήματος, μέσω της βέλτιστης λειτουργίας των γεννητριών καθώς και της εξοικονόμησης όγκου και μάζας, είναι δυνατή η δραστική μείωση των εκπομπών ρύπων.(μείωση των εκπομπών CO 2 και των αερίων του θερμοκηπίου-σχήμα 3). Άμεση συνέπεια όλων των παραπάνω, είναι και η καλύτερη κατηγοριοποίηση πλοίων με τέτοια διάταξη, με βάση το δείκτη EEDI που έχει θέσει ο Διεθνής Οργανισμός Ναυσιπλοϊας(ΙΜΟ), βλ. Σχήμα 4.
Σχήμα 3. Εκτιμώμενη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα για πλοία με διαμόρφωση ΣΡ Σχήμα 4. Δείκτης EEDI για διαμορφώσεις ΕΡ και ΣΡ συγκριτικά με τα όρια που έχει θέσει ο ΙΜΟ