Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym środowisku
10
0
0
Pełen tekst
(2) 305 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 45, 2011. wych. Brak normalizacji czĊstotliwoĞci napiĊü w Europie, Azji (50Hz) i w Ameryce (60Hz), oraz róĪnych wartoĞci napiĊü znamionowych niskich (UZN<lkV) i Ğrednich (1kV< UZN<15kV) stosowanych na statkach (przedstawione szczegółowo w dalszej czĊĞci artykułu) powoduje, Īe portowa infrastruktura energetyczna musi byü złoĪona. 2. Statki cumuj ce w portach zagroeniem dla rodowiska Poprawa jakoĞci powietrza jest kluczowa dla ludzkiego zdrowia i Ğrodowiska. Ograniczenie emisji zanieczyszczeĔ z obiektów energetycznego spalania jest fundamentem europejskiej strategii tematycznej dotyczącej zanieczyszczenia powietrza. W odniesieniu do zdrowia najwiĊksze zagroĪenie spoĞród substancji zanieczyszczających stanowi ozon troposferyczny i pył zawieszony. Pył zawieszony moĪe byü emitowany bezpoĞrednio (PM) lub jako „cząstki wtórne” z gazów takich jak (SO2) i (NOx) [6]. Obecnie głównymi Ĩródłami emisji zanieczyszczeĔ w portach są autonomiczne okrĊtowe zespoły prądotwórcze (Diesel – Generator) dostarczające energiĊ dla statków cumujących w portach. ZuĪycie litra oleju napĊdowego oznacza emisjĊ ok. 3,15 kg CO2. IloĞü energii elektrycznej potrzebna dla statków jest ĞciĞle związana z typem statku. I tak dla masowców jest to kilkaset kilowatów, a dla duĪych statków pasaĪerskich kilkanaĞcie megawatów. Na terenie Unii Europejskiej od 2010 roku [8] wprowadzono obligatoryjne stosowanie do agregatów prądotwórczych nisko siarkowych paliw (o zawartoĞci siarki 0,1%), co przyczynia siĊ do ograniczenia emisji szkodliwych gazów. Tabela 1. Emisja zanieczyszczeĔ i koszty energii przy zasilaniu autonomicznym i zasilaniu z lądu Typ statku. Roro 1,5 MVA. PasaĪerski 12 MVA. Zasilanie z lądu Koszt energii Zanieczyszczenia elektrycznej ton/rok €/dzieĔ CO2 672 NOx 0,7 1536 PM 0,0 SO2 0,9 CO2 7576 NOx 3,4 13400 PM 0,0 SO2 3,1. Zasilanie z okrĊtowych zespołów prądotwórczych Koszt energii Zanieczyszczenia elektrycznej ton/rok €/dzieĔ CO2 1352 NOx 28,7 3120 PM 0,9 SO2 2,1 CO2 5913 NOx 125,7 23400 PM 5,8 SO2 99,8. ħródło: Zestawienie wykonano w oparciu o OPS calculation – [11]. Pobieranie przez statki energii z lądu umoĪliwia jednak duĪo wiĊksze ograniczenie emisji zanieczyszczeĔ. W tabeli 1 przedstawione jest porównanie emisji zanieczyszczeĔ i kosztów energii elektrycznej przy zasilaniu z lądu w stosunku do zasilania autonomicznego dla wybranych typów statków – porównanie zrobiono dla statków typu ro-ro i pasaĪerskich (ro-ro – 2 satki przez 100 dni w roku 12 godzin/dobĊ; pasaĪerskie – 2 satki przez 50 dni w roku 12 godzin/dobĊ). Osobnym problem jest hałas i wibracje. OkrĊtowe zespoły prądotwórcze są Ĩródłem hałasu na poziomie Ğredniej mocy akustycznej powyĪej 100 dB. Dla agregatów o mocy powyĪej 1 MVA poziom hałasu dochodzi nawet do 140 dB [4]. Zespoły prądotwórcze emitują równieĪ drgania przekraczające próg wraĪliwoĞci człowieka, szczególnie dla zakresu czĊstotliwoĞci do 30 Hz..
(3) 306 Dariusz Tarnapowicz Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym Ğrodowisku. Ograniczenie hałasu i drgaĔ pochodzących od okrĊtowych zespołów prądotwórczych ma zasadnicze znaczenie nie tylko dla załóg statków, ale równieĪ pracowników portowych i w niektórych przypadkach okolicznych mieszkaĔców. Tabela 1 przedstawia równieĪ porównanie kosztów jakie musi ponieĞü armator za energie elektryczną podczas postoju statku w porcie przy zasilaniu z lądu w stosunku do zasilania z okrĊtowych zespołów prądotwórczych. Analiza została przeprowadzona dla cen paliw i energii z 2005 roku (cena paliwa 650 $ za tonĊ; cena energii elektrycznej 0,08 + 0,03 euro/ kWh). Koszt energii przy połączeniu z lądem jest ponad dwa razy mniejszy niĪ przy zasilaniu z autonomicznych zespołów prądotwórczych. Analiza zuĪycia paliwa w elektrowniach okrĊtowych wykazuje, Īe koszty wyprodukowania 1 kWh osylują wokół trzykrotnej wartoĞci 1 kWh wyprodukowanej na lądzie. Wspomniany koszt zmienia siĊ w zaleĪnoĞci od ceny oleju napĊdowego [5]. 3. Zasilanie z l du – problemy i moliwe rozwi zania Zastosowanie połączenia sieci okrĊtowej z siecią elektroenergetyczną lądową pozwala w znacznym stopniu zniwelowaü niekorzystne oddziaływanie w porcie okrĊtowych zespołów prądotwórczych na Ğrodowisko naturalne. Problem techniczny tego rozwiązania jest związany ze stosowaniem na statkach sieci elektrycznych o róĪnych parametrach znamionowych, jak równieĪ brakiem normalizacji parametrów elektroenergetycznych sieci lądowych na Ğwiecie.. region 50 Hz region 60 Hz. Rysunek 1. CzĊstotliwoĞci napiĊü zasilających w zaleĪnoĞci od regionów Ğwiata ħródło: Opracowanie własne..
(4) 307 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 45, 2011. 3.1. Parametry nominalne sieci elektrycznych Parametry nominalne sieci zasilających lądowych Ğredniego napiĊcia (SN) róĪnią siĊ miĊdzy portami. WartoĞci znamionowe napiĊü tych sieci nie mają takiego znaczenia jak czĊstotliwoĞci tych napiĊü. Na Rys. 1. przedstawiono regiony Ğwiata z uwzglĊdnieniem czĊstotliwoĞci napiĊü zasilających. W stosunku do sieci okrĊtowych istotna jest zarówno wartoĞü napiĊü jak i czĊstotliwoĞci. Parametry znamionowe napiĊü sieci okrĊtowych róĪnią siĊ w zaleĪnoĞci od kategorii statków, ich wielkoĞci i uwarunkowaĔ regionalnych. W tabeli 2. przedstawiono zestawienie parametrów napiĊü nominalnych sieci okrĊtowych. Tabela 2. Parametry napiĊü nominalnych na róĪnych typach statków CzĊstotliwoĞü napiĊcia. ĝednie zapotrzebowanie na energie elektryczną [MVA]. 50Hz [%]. 60Hz [%]. 380V [%]. 440V [%]. 450V [%]. 6,6kv [%]. 11kv [%]. Inne [%]. MASOWIEC. 0,3. 67. 33. 62. 28. 10. -. -. -. KONTENEROWIEC. 0,8. 32. 68. 19. 64. -. 9. -. 8. TANKOWIEC. 1,5. 29. 71. 14. 40. 40. -. -. 6. RO-RO. 1,5. 35. 65. 30. 20. 43. -. -. 7. PASAĩERSKI. 5,5. 20. 80. 6. 34. 4. 26. 19. 11. Typ statku. NapiĊcie zasilania. ħródło: Zestawienie wykonano na podstawie [2], [8], [9]. Głównym problemem przy projektowaniu systemu zasilania statku z lądem jest „dopasowanie” sieci elektroenergetycznej lądowej do zróĪnicowanych sieci okrĊtowych. Zestawienie parametrów nominalnych napiĊü w sieciach okrĊtowych przedstawione w tabeli 2. pokazuje brak standaryzacji. Parametry napiĊü róĪnią siĊ w zaleĪnoĞci od typu statków i ich wielkoĞci. Przy wyborze układu zasilania z lądem naleĪy uwzglĊdniü przede wszystkim sytuacjĊ lokalną dla konkretnego portu. 3. 2. Układ sieci zasilania statku z l du – „shore to ship” W dotychczasowych opracowaniach dotyczących „shore to ship” najczĊĞciej wybieranym układem był wariant pokrywający siĊ z zaleceniami Uni Europejskiej. Charakterystyczny dla tego układu był wymóg instalowania na burcie statków dodatkowych transformatorów przystosowujących napiĊcie „ z kei” do napiĊcia sieci okrĊtowej. Jest to cecha o tyle kłopotliwa, Īe przepisy np. Uni Europejskiej nie są obligatoryjne dla armatorów z poza Uni. Na Rys. 2. przedstawiony jest układ instalacji „shore to ship”zalecany przez UniĊ Europejską [7]. Przedstawione na rysunku obszary oznaczają: 1– podłączenie do lokalnej krajowej sieci dystrybucyjnej o napiĊciu do 100 kV i transformo-.
(5) 308 Dariusz Tarnapowicz Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym Ğrodowisku. 2– 3– 4– 5– 6– 7– 8–. wanej do napiĊcia 6–20 kV, kable przesyłowe, przetwornik czĊstotliwoĞci, kable przesyłowe do terminala na kei, terminal na kei wyposaĪony w Īurawik do podawania kabli, gniazda wtykowe do podłączenia kabli zasilających, transformator na burcie statku obniĪający napiĊcie 6–20 kV na 400 V, energia elektryczna zasila cały statek; agregaty autonomiczne wyłączone.. Rysunek 2. Typowy układ „shore to ship” zalecany przez UniĊ Europejską [7] W proponowanym w artykule układzie system zalecany przez UE jest zmodyfikowany tak, aby mógł obsługiwaü szerokie spektrum statków, bez potrzeby instalacji na burcie dodatkowych transformatorów. Na Rys. 3. Przedstawiono schemat ideowy zmodyfikowanego układu „shore to ship”. Układ składa siĊ z głównej stacji transformatorowej w której zamieniane jest napiĊcie lokalnej sieci dystrybucyjnej (np. w Polsce 15 do 30 kV) na napiĊcie 3 kV i stacji lokalnych znajdujących siĊ na kei. W stacjach lokalnych znajdują siĊ cztery transformatory (dopasowujące bezpoĞrednio napiĊcie wyjĞciowe do napiĊü sieci okrĊtowej) oraz przekształtnik czĊstotliwoĞci. Zainstalowane transformatory (szczególnie trafo duĪej mocy) oraz przekształtnik czĊstotliwoĞci decydują o kosztach całego układu „shore to ship” [3]. Technologia budowy transformatorów jest powszechnie znana, a producenci oferują pełny asortyment. Inaczej wygląda temat przekształtników czĊstotliwoĞci. DziĊki systematycznemu rozwojowi technologii energoelektronicznych duĪej mocy w zakresie do 20 MVA zarysowała siĊ moĪliwoĞü budowy uniwersalnych przekształtników czĊstotliwoĞci prądu przemiennego. Do niedawna stosowane były przekształtniki duĪej mocy oparte na nie w pełni sterowanych zaworach tyrystorowych (SRC), które mogły byü Ĩródłem tylko mocy czynnej. Moc bierna indukcyjna była generowana z zewnĊtrznego Ĩródła. Przekształtniki tyrystorowe byłyby kłopotliwe do wykorzystania w układzie „shore to ship”. Obecnie przekształtniki czĊstotliwoĞci duĪej mocy zdominowane zostały przez dwa typy zaworów w pełni sterowanych: tranzystory IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor) i tyrystory IGCT (ang. Insulated Gate-Commutated Thyristor), które stanowią połączenie tyrystora GTO (ang. Gate Turn Of) z układem sterowania bramki..
(6) 309 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 45, 2011. LINIA ZEWNĉRZNA SN 15 kV/50Hz. GŁÓWNA STCJA TRAFO 15 kV, 50 Hz / 3 kV 20 MVA. DO KOLEJNEJ STACJI LOKALNEJ. STACJA LOKALNA PRZY KEI. AC PRZEKSZTAŁTNIK CZĉSTOTLIWOĝCI. AC. TRAFO 3 kV / 6,6 kV or 11 kV. TRAFO 3 kV / 380 V or 440 V or 450 V. TRAFO 3 kV / 380 V or 440 V or 450 V. TRAFO 3 kV / 6,6 kV or 11 kV. 11 kV 60Hz. 6kV 60Hz. STATEK. 11kV 50Hz. 6kV 50Hz. 380V 440V 450V 380V 440V 450V 60Hz 60Hz 60Hz 50Hz 50Hz 50Hz. STATEK. 6,6 kV. 380 V. Rysunek 3. Schemat ideowy systemu „shore to ship”.
(7) 310 Dariusz Tarnapowicz Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym Ğrodowisku. Tranzystory IGBT stanowią główny element energoelektroniczny dla przekształtników czĊstotliwoĞci o mocy do 5 MVA, natomiast tyrystory IGCT o mocy do 20 MVA. Nowoczesne statki wyposaĪone są w skomplikowane układy mikroprocesorowe i komputerowe bardzo wraĪliwe na zaburzenia. Zniekształcenia napiĊü zasilających (wysoki współczynnik THD ang. Total Harmonic Distortion) w sieciach okrĊtowych powodują: • uszkodzenia maszyn elektrycznych, • mają wpływ na dokładnoĞü pomiarów dokonywanych przez przyrządy zasilane sinusoidalnie, • dodatkowe obciąĪenie linii przesyłowych, • zwiĊkszają straty mocy w maszynach, • zwiĊkszają zagroĪenie poĪarowe w instalacjach elektrycznych, • zakłócenie pracy bardziej czułych odbiorników (np. układów zasilania). WiĊkszoĞü okrĊtowych towarzystw klasyfikacyjnych zmienia wymagania tak, aby współczynnik THD ustaliü na jak najniĪszym poziomie (w ostatnich latach wartoĞü THD w wymaganiach obniĪono z 10% do 5%). Tranzystory IGBT w stosunku do tyrystorów IGCT mogą pracowaü z wyĪszą czĊstotliwoĞcią łączeniową, a co za tym idzie uzyskujĊ siĊ mniejsze zniekształcenie przebiegów wyjĞciowych, czyli niĪszy współczynnik THD. Nowoczesne techniki mikroprocesorowe pozwalają na wybór algorytmów sterowania wyraĨnie poprawiających jakoĞü generowanych przez przekształtniki napiĊü. Moc klasycznych przekształtników zbudowanych w oparciu o tranzystory IGBT jest ograniczona wzglĊdami technologicznymi. Tranzystory IGBT zabezpieczają komutacjĊ prądów do 1,8 kA i budowane są na maksymalne napiĊcia do 4,5 kV. Dlatego teĪ przy wiĊkszych mocach (S>5MVA) producenci proponują tyrystory IGCT. OminiĊciem ograniczeĔ technologicznych jest budowa przekształtników tranzystorowych IGBT w topologii wielopoziomowej (multilevel inwerter). Topologia ta pozwala obniĪyü wymagania odnoĞnie klasy napiĊciowej tranzystorów, a co najwaĪniejsze wyraĨnie poprawiü współczynnik THD. Przeprowadzone przez autora badania [2] wykazały, Īe topologia wielopoziomowa (badany falownik siedmio-poziomowy) poprawiła współczynnik THD w stosunku do topologii dwupoziomowej z 8% do ok 1%. W instalacji „shore to ship” moĪe byü niezbĊdne zastosowanie dodatkowych filtrów aktywnych dla poprawy jakoĞci napiĊü zasilających Podsumowując naleĪy stwierdziü, Īe tranzystory IGBT (z moĪliwoĞcią zastosowania falowników wielopoziomowych) stanowią najlepszą alternatywĊ do budowy przekształtników czĊstotliwoĞci dla układów „shore to ship”. Istotnym zagadnieniem jest równieĪ zapewnienie bezprzerwowego „przejĞcia” z zasilania przez okrĊtowe zespoły prądotwórcze na zasilanie z lądu. W dotychczasowych rozwiązaniach zasilania z lądu powszechne było wykonywanie przełączenia poprzez „blackout” (czyli przez przerwĊ w zasilaniu w energiĊ elektryczną). W przypadku pełnej automatyzacji statków, jak równieĪ ze wzglĊdu na czĊĞü hotelową statków nie jest wskazane wyłączanie (nawet krótkotrwałe) energii elektrycznej..
(8) 311 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 45, 2011. W systemie „shore to ship” naleĪy przewidzieü układ synchronizacji sieci lądowej z siecią okrĊtową. Synchronizacja ta polega na doprowadzeniu do takiego stanu, aby przebiegi chwilowe napiĊü w odpowiadających sobie fazach były takie same co do wielkoĞci jak i fazy.. Rysunek 4. Panel łączeniowy i kolumna synchronizacyjna systemu „shore to ship” [1] Charakterystyczna jest teĪ własnoĞü sieci okrĊtowej w stosunku do sieci lądowej. Sieü okrĊtowa jest siecią miĊkką, a sieü lądowa siecią sztywną. Załączenie sieci lądowej do krótkotrwałej pracy równoległej z siecią okrĊtową staje siĊ moĪliwe po spełnieniu nastĊpujących warunków: • ta sama kolejnoĞü faz sieci okrĊtowej i lądowej, • równoĞü wartoĞci skutecznych obu sieci, • jednakowa czĊstotliwoĞü sieci lądowej i okrĊtowej, • jednakowa wartoĞü fazy kątowej poszczególnych napiĊü (a tym samym kąt przesuniĊcia pomiĊdzy odpowiednimi wektorami napiĊü powinien byü bliski zeru). W systemach elektroenergetycznych proces synchronizacji musi przebiegaü w sposób ciągły ze wzglĊdu na to, Īe czĊstotliwoĞü sieci okrĊtowej moĪe siĊ zmieniaü na skutek stanów przejĞciowych i skoków obciąĪenia [5]. Zgodnie z przepisami towarzystw klasyfikacyjnych synchronizacja musi byü przeprowadzona w dopuszczalnych przedziałach minimalnej i maksymalnej czĊstotliwoĞci. Praca równoległa obu sieci musi byü krótkotrwała, ograniczona jedynie czasem synchronizacji i przejĊcia obciąĪenia przez właĞciwą sieü. Do automatycznej synchronizacji sieci lądowej z siecią okrĊtową naleĪy zastosowaü kolumnĊ synchronizacyjną, która bezprzerwowo (automatycznie) załączy (i wyłączy) sieü lądową do pracy równoległej z siecią okrĊtową. Kolumna synchronizacyjna zapewnia pomiar i wizualizacjĊ róĪnicy fazy, czĊstotliwoĞci i napiĊcia miĊdzy włączaną siecią lądową, a siecią okrĊtową. W systemie „shore to ship” naleĪy uwzglĊdniü synchronizacjĊ przekształtników energoelektronicznych sieci lądowej z elektroenergetyczną siecią okrĊtową. Kolumna synchronizacyjna opiera siĊ o wykorzystanie pĊtli synchronizacji fazowej PLL (ang. Phase-locked loop)..
(9) 312 Dariusz Tarnapowicz Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym Ğrodowisku. Rysunek 4 przedstawia panel łączeniowy i kolumnĊ synchronizacyjną dla systemu „shore to ship” instalowaną na burcie statku zaproponowaną przez firmĊ ABB. Przedstawiany w zarysie układ „shore to ship” implikuje kilka innych problemów przy technicznej realizacji. Do najwaĪniejszych naleĪą : • sprawdzenie zgodnoĞci faz miĊdzy siecią lądową a okrĊtową, • standaryzacja osprzĊtu łączeniowego, • kompatybilnoĞü elektromagnetyczna składowych urządzeĔ systemu „shore to ship”. Wymienione problemy nie mogą byü w tym miejscu szczegółowo przedstawione ze wzglĊdu na obszernoĞü tematu. Autor prowadzi szczegółowe badania w ramach miĊdzynarodowego projektu: “BSR InnoShip: Baltic Sea cooperation for reducing ship and port emissions through knowledge and innovation”(2011–2013). 4. Wnioski Zasilanie elektroenergetyczne statków w porcie z sieci lądowej jest tematem bardzo złoĪonym. Wykorzystanie nowoczesnej techniki energoelektronicznej i komputerowej stwarza moĪliwoĞci dla rozwiązania problemów technicznych. NaleĪy podkreĞliü równieĪ znaczne koszty inwestycyjne systemu „shore to ship”. Zyski z wprowadzenia systemu „shore to ship” są jednak niewspółmierne. DuĪa redukcja zanieczyszczeĔ powietrza, obniĪenie poziomu hałasu i drgaĔ oraz zmniejszenie kosztów postoju statku w porcie dla armatorów decyduje o celowoĞci zastosowania tego układu. Wprowadzenie jednolitego systemu wymaga głĊbokiej analizy technicznej i ekonomicznej, tak aby były moĪliwe zastosowania obligatoryjne. Polityka Unii Europejskiej, jak równieĪ polityka globalna prowadzi do stworzenia wymagaĔ do budowy systemów „shore to ship”. %LEOLRJUDILD [1] ABB brochure: ABB Shore Connection An effective solution for port emissions reduction ABB Marine, April 2010. [2] DorobczyĔski L.,Tarnapowicz D.: The topology of network inverter in the marine shaft generator system relation to the quality of electric energy. VIII Miedzynarodowa konferencja naukowo techniczna “ Inowacja w nauce i …” Kaliningrad 19–21 X 2010 s232 [3] Ericson P., Fazlagic I.: Shore – Side Power Supply. Chalmers University of Technology Goteborg, Sweden, 2008. [4] ASHRAE TC 2.6 Technical Committee Sound & Vibration Generator Noise Control – An Overview. Atlantic City New Jersey 2002 USA (www.enoisecontrol.com) [5] ĝmierzchalski R. : Automatyzacja systemu elektroenergetycznego statku GdaĔsk 2004. [6] COMMUNICATION FROM THE COMMISSION TO THE COUNCIL AND THE EUROPEAN PARLIAMENT – Thematic Strategy on air pollution Brussels, 21.9.2005 [7] Commission Recommendation on the promotion of shore-side electricity for use by ships at berth in Community ports of 8 May 2006 (2006/339/EC). [8] DIRECTIVE 2005/33/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL amending Directive 1999/32/EC..
(10) 313 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 45, 2011. [9] REGISTER OF SHIPS 2009 – Polski Rejstr Statków S.A. GDAēSK Poland. [10] Register Of Ships 2009 – Hellenic Register Of Shipping, Piraeus, Greece. [11] www.wpci.nl – Word Port Climate Initiative.. AN ALTERNATIVE POWER SUPPLY: THE USE OF SHIPS IN PORT AS AN ENVIRONMENTALLY FRIENDLY SOLUTION Summary Worldwide interest in reducing the negative impact ships in port have on the environment is increasing, making it necessary to find solutions to this problem. One solution may be in engineering the power system of the ship-to-shore connection. The main dilemma in the construction of a power energy infrastructure is the lack of standards for the nominal voltages and frequencies used on ships. The author presents solutions that will allow for a system of connection standardization of the electricity network and the ships in the ports as a method of minimizing pollution, reducing noise, and vibration emission, while taking into account the costs of a ship being in port. Keywords: air pollution, shore-to-ship, frequency converter Dariusz Tarnapowicz Zakład Elektrotechniki i Elektroniki Wydział Mechaniczny Akademia Morska w Szczecinie ul. Wały Chrobrego 1-2, 70-500 Szczecin e-mail: d.tarnapowicz@am.szczecin.pl.
(11)
Powiązane dokumenty