Summary
viii Feasibility of a battery solution for a STS-crane Report number 2010.TEL.7470
Summary (in dutch)
De Ship-To-Shore (STS) kadekraan, zoals wordt gebouwd door Kalmar Industries B.V., wordt op terminals veel gebruikt voor het laden en lossen van containerschepen. De kraan wordt gevoed door een elektriciteitsnet aan de kade (walstroom) of door een diesel generator als een betrouwbaar elektriciteitsnet niet beschikbaar is. In dat geval wordt teruggevoerde energie gedissipeerd door gebruik van weerstanden. Als batterijen worden gebruikt voor energieopslag en voeding kan de teruggevoerde energie hergebruikt worden en kan de diesel generator set kleiner worden uitgevoerd.
Om de juiste afmetingen voor de batterij en de diesel generator te vinden is inzicht nodig in het energieverbruik van de STS-kraan. De massaverdeling en het container traject is onderzocht om het maximaal benodigde vermogen uit te rekenen. Het traject dat een container aflegt tijdens een cyclus hangt af van de afmetingen van de kraan en het schip dat behandeld wordt. Een STS-kraan van Interforest Terminal Rotterdam (ITR) is gebruikt als referentieSTS-kraan. Bij deze STS-kraan is de gemiddelde outreach 12,5 m, wat de gemiddelde afgelegde weg voor de trolley 27,5 m maakt. Als lichters worden behandeld is the hoogte aan de waterzijde enkele meters onder het kadeniveau. Als grotere schepen behandeld worden variëerd de hoogte van 15 meter onder tot 30 meter boven de kade. De maximale massa van een container komt weinig voor. Op de ITR terminal is de gemiddelde containermassa 20 ton.
Tijdens het laden van een container treden hoge vermogenspieken op. Het benodigde vermogen hangt af van het acceleratieprofiel, de containermassa en het traject dat de container aflegt. Voor de kraan bij ITR is het maximale asvermogen voor de hijsmotor 486 kW. Het asvermogen voor de katrijdmotoren varieerd van 14 tot 134 kW bij maximale windbelasting en van 96 tot 278 kW bij maximale windlast tijdens acceleren. Kraanrijdvermogen is ook sterk afhankelijk van de windsnelheid en variëerd van 13 tot 167 kW bij hoge windbelasting en accelerend. Vermogen van hulpsystemen gemeten op de kraan van ITR is gemiddeld 18 kW.
De mechanische en elektrische verliezen zijn onderzocht. Alle rendementen zijn gebaseerd op fabrikantspecificaties of bekende waardes uit de praktijk. Voor de hijsbeweging is het rendement 87%. Het elektrische rendement is 90%, wat een totaal rendement van 77% geeft. Het rendement voor katrijden en kraanrijden is beide 79%.
Met behulp van MATLAB SIMULINK is een model gemaakt dat het totale energieverbruik van een hele cyclus simuleert met behulp van de gevonden containermassa en -traject. Dit model is geverifiëerd met behulp van metingen die gedaan zijn op een STS-kraan in bedrijf. Het model berekend het energieverbruik van de hijsmotor nauwkeurig. Voor het berekende energieverbruik voor kat- en kraanrijden werd een fout gevonden van maximaal 20%. Op het totaal energieverbruik is deze fout minder dan 7%. Het model is dus bruikbaar om het energieverbruik van een STS-kraan te berekenen.
Summary
Feasibility of a battery solution for a STS-crane
Report number 2010.TEL.7470 ix
Ten slotte zijn drie belastingsituaties gesimuleerd wat resulteert in verschillende waardes voor de charge-rate en depth-of-discharge (DOD) van de batterij en brandstofverbruik van de diesel generator. De eerste belastingssituatie is de gemiddelde cyclus bij ITR. De tweede belastingssituatie is de cyclus met het hoogste energieverbuik. De laatste belastingssituatie is de cyclus met de grootste energie terugvoer.
Bij gebruik van een batterij systeem in plaats van een conventioneel diesel systeem word energie bespaard. Voor een gemiddelde cycles zoals die bij ITR is gevonden is deze besparing 42%. Voor het ongunstigste geval is deze besparing nog steed 36% en voor de belastingsituatie waar een zware container alleen wordt gevierd is de besparing 228% (per saldo wordt energie gewonnen). Omdat de kleinere diesel generator die wordt gebruikt bij het batterij systeem een hoger specifiek brandstofverbruik heeft zijn de brandstofbesparingen lager. Voor de gemiddelde belastingssituatie is de brandstofbesparing 23%. Voor de belastingssituatie waar energie gewonnen wordt is het brandstofverbuik nul omdat de generator uit kan blijven.
De batterijcapaciteit moet zodanig gekozen worden dat de C-rate niet hoger wordt dan 5C. Als het batterijsysteem als enige voedingsbron wordt gebruikt zijn de C-rates maximaal. Voor de kraan bij ITR zou dit betekenen dat een 640V/200Ah batterij systeem nodig is. De DOD voor de batterij blijft dan onder de 2% tijdens normaal bedrijf. De ongunstigste belastingssituatie resulteert in een DOD van 7,5%. Als de diesel generator en het batterijsysteem samen als voeding dienen zijn de C-rates lager. Het dieselgenerator vermogen moet zodanig gekozen worden dat de diesel niet gebruikt wordt onder belastingen lager dan 50% van de vollast omdat dit het brandstofverbruik per cyclus verhoogt. Als het batterijsysteem autonoom wordt gebruikt kunnen in geval van de gemiddelde belastingssituatie 31 cycli worden afgemaakt.
