Kalusto ja huolto
Kuljetukset
Ohjelmistot ja innovaatiot

Suomalaisella yhteistyöllä energiatehokkaampia ja vähäpäästöisempiä laivoja

Vaasalainen energiatehokkaisiin laivaratkaisuihin erikoistunut WE Tech Solutions toimittaa yhteistyössä taajuusmuuttajavalmistaja Danfossin kanssa tämän hetken nykyaikaisimman ja energiatehokkaimman hybridisähköisen potkurikäytön Wasalinen uuteen matkustajaautolauttaan. Aluksen rakentamisesta vastaa Rauma Marine Constructions ja alus luovutetaan tilaaja Wasalinelle toukokuussa 2021.

Korkean jääluokan alus tulee sisältämään monia kehittyneitä ratkaisuja, joilla yhdessä tuotetaan noin 30 prosenttia nykyistä Merenkurkun yli liikennöivää laivaa parempi energiatehokkuus.

”Me Danfossilla ja WETechissä olemme tehneet 10 vuotta yhteistyötä laivojen erilaisissa energiaa säästävissä ja päästöjä vähentävissä taajuusmuuttajasovelluksissa, kertoo avainasiakaspäällikkö Harri Haikonen Danfossilta”

Danfossin avainasiakaspäällikkö Harri Haikonen
KUVA: DANFOSS

Hybriditeknologia tärkeässä roolissa
Uuteen Wasalinen alukseen tulee neljä tehokasta Wärtsilän monipolttoainemoottoria ja ABB:n toimittamat Azipodpotkurit. Potkureiden voimansiirto toteutetaan WE Tech Solutionsin hybridisähköisellä propulsiojärjestelmällä, johon kuuluvat sähkögeneraattorit, potkurilaitteistojen sähkökäytöt, akustojärjestelmä, potkurikäyttöjen sähkölaitteistojen keskukset, maasyöttökeskukset, energianhallintajärjestelmä ja potkurin ohjausjärjestelmä. Aluksen hybriditekniikka toteutetaan akkujen ja taajuusmuuttajien kombinaatiolla.

WE Techin hybridisähköiseen propulsiojärjestelmään kuuluvat sveitsiläisen Leclanchén toimittama akustojärjestelmä sekä brasilialaisen WEG:in toimittamat neljä generaattoria, joilla tuotetaan sähköenergiaa päämoottoreilta potkurikäyttöä ja muita sähkölaitteita varten.

WE Tech Solutions Oy:n toimitusjohtaja Mårten Storbacka
KUVA: WE TECH SOLUTIONS OY

”Periaatteessa laivan hybriditeknologia toimii samoin kuin ladattavassa hybridiautossa, mutta kaikki on vain isommassa mittakaavassa. Eli hybriditekniikalla voidaan tuottaa energiaa päävoimanlähteeltä akkuun päin tai toiseen suuntaan antaa akusta lisää energiaa pääpotkurilaitteille, jolloin päävoimanlähteitä voidaan operoida optimaalisesti energiankulutusmielessä”, WE Tech Solutionin toimitusjohtaja Mårten Storbacka kertoo.

Laivan sähköpropulsiokoneistossa ei ole suoraa mekaanista akselia, vaan Azipod- potkurit toimivat sähköisesti.

”Propulsiomoottorien tarvitsema sähköenergia tuotetaan laivassa olevilla kaasulla toimivilla generaattoreilla. Sen ohessa laivassa on toisena voimanlähteenä akustot, joita käytetään ajon aikana esimerkiksi sähkönjakelujärjestelmän piikkien tasaukseen sekä sähköpropulsiomoottorien kuormapiikkien tasaukseen”, Storbacka sanoo.

KUVA: RAUMA MARINE CONSTRUCTIONS

Taajuusmuuttajilla on keskeinen rooli laivan kaasugeneraattoreiden ja sähköpropulsiomoottoreiden välissä sähköisenä liitäntänä. Taajuusmuuttajat ovat paras ratkaisu säätää sähkömoottorien nopeutta kuormituksen mukaan sekä mahdollistaa aluksen propulsiolaitteiston optimaalinen toiminta. Jopa pienet merenkäynnistä aiheutuvat kuormapiikit tasataan edellä mainittujen akustojen avulla, ja tällä menetelmällä pienennetään merkittävästi energiankulutusta.

Danfoss Drivesin valmistavat taajuusmuuttajat toimivat myös rajapintana 2 MWh tehoisen litiumioniakuston ja propulsiomoottorien välillä.

Uusi tapa operoida laivaa
Hybriditekniikalla toimivaa laivaa voidaan operoida eri tavalla kuin tavallista kaasutai dieselmoottorilaivaa.

KUVA: RAUMA MARINE CONSTRUCTIONS

Laivan neljästä päävoimalähteestä voidaan hitaammin ajettaessa sammuttaa esimerkiksi kaksi moottoria polttoaineenkulutuksen minimoimiseksi. Laivan sähkögeneraattorit sammutetaan kokonaan satamaa lähestyttäessä, eli satamaan tullaan pelkästään akkukapasiteetin varassa. Satamassa laiva kytkeytyy maasähköön. Näin laivasta ei tule satamaalueellapaikallisia päästöjä.

Akut ladataan maasähköllä suhteellisen lyhyen satamapysähdyksen aikana, joka riittää akkujen lataamiseen täyteen. Akkujen kapasiteetti sallii noin 2x20 minuutin ajon, kun kokonaismatka-aika Merenkurkun yli on noin neljä tuntia. Käytännössä merellä ajetaan matalapäästöisimmillä kaasumoottoreilla.

”Potkureihin otetaan tarvittaessa ensin lisätehoa nopeasti reagoivista akuista, jolloin saadaan esimerkiksi viisi minuuttia aikaa käynnistää diesel- tai kaasumoottorit. Näin päämoottoreita ei tarvitse pitää käynnissä valmiustilassa, kun ajetaan pienemmillä tehoilla ja kun odotetaan mahdollista lisätehon käyttöönottotarvetta”, Danfoss Drivesin marine & offshore toiminnan johtaja Martti Alatalo tarkentaa.

Satamalatauksen lisäksi akkujen latausta ylläpidetään merellä lataamalla niitä laivan päägeneraattoreiden kautta meren ylityksen aikana. Pääasiallisen sähköenergiansa akut saavat kuitenkin puhtaasta maasähköstä satamassa.

Moottoritekniikan lisäksi aluksen energiatehokkuuteen vaikuttaa itse laivan runko ja rungon muodot, jotka on optimoitu mahdollisimman tehokkaiksi.

Danfoss Drivesin marine & offshore toiminnan johtaja Martti Alatalo
KUVA: DANFOSS

Uusi normaali laivateknologiassa
”Laivasuunnittelu on menossa tavallaan uusiksi hybriditeknologian vuoksi. Tällä hetkellä maailmalla on ehkä noin 200 hybridihinaajaa ja sitä suurempaa hybridialusta. Hybridilaivoista on tulossa tai oikeastaan jo tullut uusi normaali. Norjassa jo puolet uusien laivojen kyselyistä on hybridilaivoja”, Alatalo sanoo.

Storbacka on hieman varovaisempi, mutta yhtyy Alatalon näkemykseen.

”Tämä on vielä vähän uutta ajatusmaailmaa, jonka täytyy vielä aluksi ylittää muutosvastarintaa. Yhä enemmän ja enemmän tämä menee läpi. Kymmenen vuotta olemme toimineet ja kasvu kiihtyy. Markkina siirtyy pikkuhiljaa kohti energiatehokkuutta.”

Roro-laivat ja autolautat ovat selvimmin siirtymässä hybriditekniikkaan. Myös erilaisia kemikaaleja kuljettavilla tuotetankkereilla on tarve hybridikoneistoihin energiansäästöpotentiaalin takia, koska niiden pitää päästä myös pienempiin satamiin itseohjautuvasti.

”Ne eivät halua käyttää hinaajaa satamassa. Siksi konehuoneessa pitää olla joustoa”, Storbacka sanoo.

Tällaisia hybriditankkereita on ollut jo yli vuoden verran käytössä. Norjalainen Rederiet Stenersen oli ensimmäinen varustamo, joka on valinnut WE Techin ja Danfossin yhteistyönä toimittamat energianvarastointiratkaisut kahteen 17 500 dwt:n säiliöalukseensa.

Vaihtoehtoisesti satamaoperoinnissa, kun laivan nopeus on hieman korkeampi, pääkoneen akseligeneraattori tuottaa laivan sähköt, ja akut tuottavat tarvittavan varavoiman ilman apugeneraattoria. Hybriditeknologialla optimoidaan sekä pääkoneen että apugeneraattorien energiataloutta, kuten Wasalinen matkustajalautallakin.

Kolmas hybridisaatiolle erittäin hyvin sopiva alustyyppi ovat satamahinaajat. Niillä on paljon odotusaikaa, jolloin selvitään akkutehoilla. Isoja pääkoneita tarvitaan ainoastaan hinaustilanteessa ja tämä suurempi energiantarve kestää suhteellisen lyhyen ajan verrattuna odotusaikaan.

Kaikkein paras käyttöalue hybridisaation kannalta on öljyteollisuuden niin sanotuilla offshore platform supply -aluksilla.

KUVA: RAUMA MARINE CONSTRUCTIONS

”Niissä on dynamic positioning, eli niiden täytyy pysyä täysin paikoillaan satelliittiohjauksen avulla. Ohjauksen ja moottoreiden mahdollinen vikatilanne ei saa vaikuttaa paikallapysymiseen, joten tämä pitää turvata. Nämä laivat toimivat suuren osan aikaa hyvin pienillä tehoilla ja niiden tehon tarve nousee vain hetkellisesti meren tuulien ja aaltojen mukaan. Nopeata aputehoa ylläpidetään akkujen avulla. Tällaisissa aluksissa päästään yli 50 prosentin energiansäästöihin hybriditekniikalla”, Storbacka kertoo.

Hyvin monenlaisissa muissakin aluksissa on potentiaalia päivitykselle hybridija akkuteknologiaa hyödyntämällä.

Pitkän matkan aluksetkin hyötyvät
Mekaanisella potkuriakselilla varustetut suuret rahtialukset hyötyvät myös hybriditekniikasta. Pitkiä etappeja kulkevissa laivoissa perinteinen mekaaninen potkuriakselijärjestelmä on vallitseva, koska se on taloudellisesti kannattavampi kuin sähköpropulsiomoottori.

Tällaisessa aluksessa on järkevä kytkeä laivan mekaaniseen potkuriakseliin akseligeneraattori. Akseligeneraattori tuottaa sähkövirtaa, jota tarvitaan laivan sähköjärjestelmissä. Koska akseligeneraattoria ajetaan taajuusmuuttajatekniikan kautta, tämä ei estä pääkoneen ja potkurin optimaalista operointia. Toisin sanoen laivan sähköt tuotetaan vaihtelevalla moottorin pyörimisnopeudella, jotta pääkone ja potkuri toimii aina parhaalla mahdollisella energiatehokkuudella.

”Mekaaniseen potkuriin saadaan paras mahdollinen työntövoima, joka on päätarve. Ohessa tuotetaan muu laivan tarvitsema sähkövirta, minkä ansiosta laivan erillinen sähkövoimalaitos eli apugeneraattorit voidaan sammuttaa. Tällaisessa aluksessa ei välttämättä tarvita erillistä sähkövarastoa, jos akseligeneraattoria käytetään moottorina. Tietyissä tilanteissa laiva on hybridi joka tapauksessa”, Storbacka kertoo.

Taajuusmuuttajan jatkoksi voidaan vielä lisätä energiavarasto, joka toimii rinnan generaattoreiden kanssa voimanlähteenä. Näin voidaan ehkäistä sähkönkuormituksen piikkejä ja ajaa generaattorin vetomoottorit mahdollisimman lähelle niiden optimitoiminta-aluetta.

”Hyvin monessa aluksessa on myös potentiaalia jälkiasentaa tämän tyypistä hybriditeknologiaa. Tällainen päivitys saattaa maksaa itsensä takaisin noin 2–3 vuodessa, aluksen koosta ja järjestelmästä riippuen”, Storbacka arvioi.

Teksti: Jari Peltoranta