Zastosowanie falowników Danfoss w napędach hybrydowych statków

Napędy prądu przemiennego stają się coraz częściej jednym z elementów hybrydowego układu napędowych pojazdów i maszyn roboczych. Poszukiwanie odnawialnych źródeł energii oraz produkcja czystej energii stają się dziś priorytetem. Jednym z obszarów, gdzie jest duże pole do innowacji, są napędy statków morskich. Jednostki te potrzebują dużych ilości energii elektrycznej zarówno podczas rejsu, jak i podczas postoju w portach. Obecnie jest ona w 98% wytwarzana przez generatory napędzane dużymi silnikami Diesla. Silniki te zasilane są często paliwami o niskiej jakości, a emisja zanieczyszczeń jest bardzo duża i często przekracza obecne normy.

Obecne dyrektywy - IMO (International Marinę Organization - agencji ONZ) oraz Unii Europejskiej znacząco ograniczają emisję związków siarki i azotu w spalinach jednostek morskich. Stosowanie czystszego paliwa, jak gaz płynny (LNG), jest jednym z rozwiązań, jednak pełny efekt ograniczenia emisji uzyskamy dopiero przy zastosowaniu napędu hybrydowego spalinowo-elektrycznego. Hybrydyzacja taka ma miejsce w nowo produkowanych jednostkach pływających (urządzenia On-board). Jest także coraz częściej obecna w rozwiązaniach w portach (system On-shore), gdzie statki mogą ładować akumulatory układu napędowego. Elastyczność systemu przetwarzania energii wiąże się z czasowym jej magazynowaniem. Zasobnik energii w postaci baterii akumulatorów wraz z systemem falowników DC/AC pozwala elastycznie reagować na zmiany obciążenia. Napędy hybrydowe nowo produkowanych statków pozwalają zredukować zużycie paliwa o 20-30% w porównaniu do tradycyjnego napędu. Napęd taki pozwala na wyłączenie głównego lub włączenie mniejszego silnika Diesla, lub na napęd tylko silnikiem elektrycznym zasilanym z akumulatorów z falownikiem DC/AC. W przypadku jednostek pomocniczych i holowników napędy główne dużo czasu pracują na biegu jałowym, nie pokonując drogi. W tym przypadku idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie układu hybrydowego z akumulatorami używanymi w okresach pracy jałowej bądź manewrów na małych odległościach. Podobna sytuacja występuje w przypadku promów obsługujących małe odległości. Przykładem takiej realizacji jest napęd hybrydowy dwóch promów pasażerskich operujących na rzece IJ w Amsterdamie z napędami głównymi o mocy 250 kW. Napęd elektryczny włączany jest w trakcie dokowania i podczas równomiernej prędkości promu. Napęd Diesla pracuje tylko podczas przyspieszania i w sytuacji dużego przeciążenia jednostki. „Sercem” napędu jest system hybrydowy, który składa się z silnika spalinowego z generatorem, silnika elektrycznego AC baterii akumulatorów i magistrali prądu stałego z falownikami przetwarzającymi energię DC na prąd przemienny do napędu jednostki. Układ współpracy jednostki pływającej z siecią elektryczną portu stanowi również element systemu hybrydowego i pozwala na konsumpcję czystszej energii, zamiast wytwarzać ją przez generator z silnikiem Diesla. Firma Danfoss oferuje rozwiązania z falownikami 12-pulsowymi, z aktywnym modułem AFE (Active Front End) oraz systemem DC-DC. Falowniki do współpracy z siecią portu posiadają odpowiednie oprogramowanie Micro-Grid, pozwalające na zwrot energii do sieci zasilającej.
W zależności od potrzeb, rozwiązanie układu hybrydowego jest dopasowane do specyfiki konkretnej aplikacji. Technologia budowy systemu hybrydowego opiera się na zastosowaniu standardowych modułów inwerterów DC/AC, DC/DC i falowników AFE. W trakcie pracy bezawaryjnej z sieci zasilającej ładowana jest bateria akumulatorów. W przypadku braku zasilania układ z falownikiem DC/AC wytworzy napięcie przemienne do zasilania systemu.
W praktyce często istnieje konieczność rozwiązania, gdzie dodatkowe źródło energii jest umieszczone blisko układu napędowego i w przypadku zaniku zasilania sieciowego układ lokalnie dostarczy energię do zasilania napędu. Taki układ, pozwala na różne konfiguracje, umożliwia rozbudowę oraz wymianę baterii akumulatorów.

Zastosowanie systemu magazynowania i przetwarzania energii pozwala na:
• wygładzanie szczytów zapotrzebowania energii (optymalizacja przepływu energii pomiędzy siecią zasilającą a lokalnym zasobnikiem energii);
• przesunięcie poboru energii w czasie do okresu tańszej taryfy i zwrot energii w okresie droższej taryfy;
• podtrzymanie zasilania krytycznych urządzeń podczas zaniku napięcia sieci.

Projektowanie hybrydowego systemu energetycznego Firma Danfoss/VACON oferuje kompleksowe rozwiązanie, począwszy od koncepcji, do realizacji systemu u klienta wraz z zapewnionym serwisem.

Wszystkie urządzenia systemu (inwertery DC/DC, falowniki, moduły AFE) pochodzą od jednego dostawcy. Rozwiązanie jest skalowalne i oparte na falownikach z rodziny VACON NXP dla szerokiego zakresu mocy. System może być w łatwy sposób rozbudowany w zależności od zapotrzebowania. Do magazynowania energii można zastosować szeroką gamę ogólnie dostępnych baterii akumulatorów.

W artykule ograniczono się do przykładu hybrydowego napędu statku. Obszar aplikacji, gdzie możliwe jest zastosowanie różnych konfiguracji układu hybrydowego, jest szerszy i obejmuje maszyny górnicze, lokalne elektrownie wiatrowe, wodne i elektrociepłownie.