Työn tavoitteena oli mitoittaa energiavarastoja laivasähköjärjestelmään, joka on ajankohtainen aihe johtuen koko ajan kiristyvistä päästörajoituksista. Vuonna 2016 voimaan tulevat Tier III -päästörajoitukset ovat erittäin tiukat, verrattuna nykyisiin rajoituksiin. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset aiheuttavat dieselmoottoreiden valmistajille tiukkoja suunnittelukriteereitä, jotta päästöjä saadaan pienennettyä nykyisistä. Yhtenä vaihtoehtona olisi sijoittaa dieselmoottorin rinnalle energiavarastoja, jotka auttaisivat dieselmoottoreita kuormituksen muutoksissa, jolloin päästöt ovat suurimmillaan.
Työssä mitoitettiin erilaisia sähköisiä energiavarastoja kuten erityyppisiä akkuja ja superkondensaattoreita, muutamaan laivan eri toimintatilanteeseen. Mitoitus tehtiin laivan matka-ajoon, jolloin tehontarve heilui aallokosta johtuen noin 30 %. Mitoitus tehtiin myös dynaamiseen paikannukseen, jonka osuus onkin kolmasosa kyseessä olevan OSV-aluksen vuoden käyttötunneista. Energiavarastot mitoitettiin myös dieselmoottorin kiihdytykseen, sammutetusta moottorista täyteen tehoonsa. Vielä lopuksi mitoitettiin energiavarastot ajatellen satama-ajoa. Satama-ajossa mitoitus tehtiin käyttäen dieselmoottorin maksimitehoa ja sen ajateltiin kestävän 10 minuuttia.
Todellisuudessa satama-ajoa ei tehdä täydellä teholla, vaan mahdollisesti puolella nimellisestä tehosta. Mutta silloin energiavarastoja voidaan käyttää 20 minuuttia, mikä onkin todellisempi aika satamasta poistumiseen.
Eri tilanteisiin tehdyn energiavarastojen mitoituksen jälkeen valittiin suurimman tehontarpeen ja suurimman energiatarpeen mukaan mitoitetut energiavarastomäärät taloudelliseen tarkasteluun. Suurimmat tehontarpeet olivat satama-ajoon tehdyssä täystehosyklissä ja, pois lukien lyijyakut, myös suurimmat energiatarpeet olivat täystehosyklissä. Lyijyakkujen suurin energiatarve tuli dynaamisessa paikannuksessa.
Energiavarastojen mitoituksen jälkeen pohdittiin niillä saatavaa hyötyä. Menoina energiavarastojen mitoituksessa on energiavarastojen hankintahinta sekä niihin liittyvän taajuusmuuttajan hankintahinta. Jos energiavarastot laitettaisiin tasasähköverkkoon, ei taajuusmuuttajaa tarvita, mutta tilalle tarvitaan DC-DC-hakkuri, jonka hankintahinta on taajuusmuuttajan kanssa samaa luokkaa. Menoihin
voidaan lukea myös energiavarastojen viemän tilavuuden kustannus laivassa.
Energiavarastoilla saatavaa säästöä oli erittäin vaikea laskea johtuen dieselin toimintakäyrän puuttumisesta dynaamisessa paikannustilanteessa. Aallokkoajossa saadaan hiukan polttoainesäästöä ja satama-ajossa päästöt poistuvat kokonaan energiavarastojen kanssa, koska dieselmoottorit ovat sammutettuina. Ongelmaksi energiavarastojen kanssa tulevat niiden syklikestot. Energiavarastoille tulee vuodessa noin miljoona sykliä, ja vaikka syklien purkaussyvyydet ovat pieniä, eivät akkujen syklikestot ole riittäviä. Ainoastaan litium-titanaattiakut ja litium-rautafosfaattiakut tulevat käytännössä kysymykseen syklikestojen perusteella.
Jatkotutkimustarpeena näen energiavarastojen toiminnan simuloinnin laivajärjestelmässä. Myös tarkempien kuormituskäyrien avulla tehtävä energiavarastoilla saatavan hyödyn pohtiminen on tulevaisuuden tutkimussuunta.
LÄHTEET
(A123Systems 2010) A123 Systems. 2007–2010. Cells: 26650. Datalehti.
[viitattu 3.12.2010] Saatavissa osoitteessa http://www.a123systems.com/a123/products (ABB 2009a) ABB Drivers & Motors. ACS800-07.
[verkkodokumentti]. [viitattu 2.3.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.radway.co.uk/products/ABB/ABB%20Pr ice%20Lists%202010%20PDF/PL_800-07_2010.pdf (ABB 2009b) ABB industrial drives ACS800. Datalehti [viitattu
1.4.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.indel.at/downloads/acs800_uebersicht.pd f
(AllAboutBatteries 2011) AllAboutBatteries. Battery energy – What battery provides more? [viitattu 14.3.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.allaboutbatteries.com/Battery-Energy.html
(Altairnano 2010) Altairnano. [verkkodokumentti]. [viitattu 27.9.2010]
Saatavissa osoitteessa
http://www.altairnano.com/profiles/investor/fullpage.
asp?f=1&BzID=546&to=cp&Nav=0&LangID=1&s=
0&ID=10702
(Altairnano cell 2009) Altairnano. 50 Amp Hour Cell. Datalehti. [viitattu 27.2.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.b2i.cc/Document/546/50Ah_Datasheet-012209.pdf
(Buchmann 2011a) Buchmann, I. What’s the best battery? Battery university. [verkkodokumentti]. [viitattu 30.6.2010].
Saatavissa osoitteessa
http://www.batteryuniversity.com/partone-3.htm (Buchmann 2011b) Buchmann, I. Charging the lead-acid battery. Battery
university. [verkkodokumentti]. [viitattu 4.1.2011].
Saatavissa osoitteessa
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_th e_lead_acid_battery
(Buchmann 2011c) Buchmann, I. Calculatin the battery runtime. Battery university. [verkkodokumentti]. [viitattu 4.1.2011].
Saatavissa osoitteessa
http://batteryuniversity.com/learn/article/calculating_
the_battery_runtime
(Buchmann 2011d) Buchmann, I. Charging lithium-ion batteries. Battery university. [verkkodokumentti]. [viitattu 4.1.2011].
Saatavissa osoitteessa
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lit hium_ion_batteries
(Buchmann 2011e) Buchmann, I. What’s the role of the supercapacitor?.
Battery university. [verkkodokumentti]. [viitattu 7.1.2011]. Saatavissa osoitteessa
http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_r ole_of_the_supercapacitor
(Bunkerindex 2011) Bunker Index MDO. 2011. verkkosivu. [viitattu 14.4.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.bunkerindex.com/prices/bixfree.php?pric eindex_id=4
(Burke 2009) Burke, A. Miller, M; 06-01-2009. Institute of Transportation Studies, UC Davis. Performance Characteristics of Lithium-ion Batteries of Various Chemistries for Plug-in Hydrid Vehicles.
[verkkodokumentti]. [viitattu 3.9.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.escholarship.org/uc/item/3mc7g3vt (Burke 2010) Burke, A. Hengbing, Z. Simulations of Plug-in
Hybrid Vehicles using Advanced Lithium Batteries and Ultracapasitors on Various Driving Cycles.
[verkkodokumentti]. [viitattu 26.11.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.escholarship.org/uc/item/4wb3g744 (Cap-xx 2008) CAP-XX Supercapacitor Nanotechnology
Construction. Cap-xx. [verkkodokumentti]. [viitattu 5.7.2010] Saatavissa osoitteessa http://www.cap-xx.com/news/photoarchive.htm
(Chen 2009) Chen, Liang-Rui. 2009. Design of Duty-Varied Voltage Pulse Charger for Improving Li-Ion Battery-Charging Response. IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol.56, No. 2, February 2009.
[verkkodokumentti]. [viitattu 16.2.2011] Saatavissa osoitteessa
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=4602694
(De Boer 2007) Petra de Boer, Jillis Raadschelders. KEMA. June 2007. Flow Battery. [verkkodokumentti]. [viitattu 25.11.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.leonardo-energy.org/webfm_send/164
(Discover 2011) Discover Energy. Datalehti. [viitattu 14.1.2011]
Saatavissa osoitteessa http://www.discover-energy.com/files/datasheets/EV12A-B.pdf (Erickson 1999) Erikson, W. R., Article in Wiley Encyclopedia of
Electrical and Electronics Engineering. DC-DC Power Converters. [viitattu 9.2.2011] Saatavissa osoitteessa
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=1 0.1.1.122.8642&rep=rep1&type=pdf
(ESA 2009) ESA, Electricity Storage Association 2009. [viitattu 1.4.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.electricitystorage.org/site/technologies (GEFC 2010) GEFC. [verkkodokumentti]. [viitattu 14.1.2011]
Saatavissa osoitteessa
http://www.gefc.com/info/201018/201018161646.sht ml
(GEFC 2011) Sähköposti kysely hinnasta, Vanadium redoksi virtausakkujen valmistajalta. GEFC. 16.3.2011.
(Green 2002) A. Green, C. Jehoulet. Publication Year 2002. The non-battery battery – the potential role of
supercapasitors in standby power applications.
Greenpaper. [verkkodokumentti]. [viitattu 9.8.2010]
Saatavissa osoitteessa
http://www.battcon.com/PapersFinal2002/GreenPape r2002.pdf
(Häkkinen 2006) P. Häkkinen. Laivakoneistojen kehityspiirteitä.
[verkkodokumentti]. [viitattu 2.12.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.tkk.fi/Yksikot/Laiva/Opinnot/Kurssit/Kul -24.3000/pdf/KVTP_%20koneisto.pdf
(Hannula 2004) Susanna Hannula. B.Sc Thesis. Naval Architecture 2004. OFFSHORE SUPPORT VESSEL – MARKET OVERVIEW AND MACHINERY COMPARISON.
Saatavissa Turun Ammattikorkeakoulun kirjastosta.
(IEC 2010) International Electrotechnical Comission. IEC 2010.
verkkosivu. [viitattu 30.11.2010] Saatavissa osoitteessa http://www.iec.ch/
(Immonen 2008) Immonen Paula, Hybridikäytön mitoitus liikkuvan työkoneen energian talteenottojärjestelmäksi.
Diplomityö, LUT. [viitattu 29.6.2010]. Saatavissa osoitteessa
https://oa.doria.fi/bitstream/handle/10024/43937/nbn fi-fe200902241199.pdf?sequence=3
(IMO 2008) IMO. MARINE ENVIRONMENT PROTECTION
COMMITTEE, 58th session, Agenda item 23, Publication Year: 2008. REPORT OF THE MARINE ENVIRONMENTAL PROTECTION COMMITTEE ON ITS FIFTY-EIGHTH SESSION.
[verkkodokumentti]. [viitattu 27.9.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.imo.org/includes/blastDataOnly.asp/data _id%3D24249/revisedannexviandnoxcodemepc5823 -Add-1.pdf
(Intensium Flex 2008) Intensium Flex. High Energy/Medium Power/High Power, rack-mount lithium-ion battery system.
[verkkodokumentti]. [viitattu 15.4.2011] Saatavissa
osoitteessa
http://www.saftbatteries.com/doc/Documents/station ary/Cube782/IntFLEX_0708.ce3d756b-b571-4cf3-a952-ad069f830ed1.pdf
(Joliet 2011) Joliet Technologies. 2011. ABB ACS800 AC DRIVES. [verkkodokumentti]. [viitattu 2.3.2011]
Saatavissa osoitteessa
http://www.joliettech.com/abb_acs-800_ac_drive_460v_ratings.htm
(Joshi 2006) Joshi, R.P. Deshmukh A.P.; Electric and Hybrid Vehicles, 2006. ICEHV '06. IEEE Conference on;
Publication Year: 2006; Pages: 1-6; Hybrid Electric Vehicles: The Next Generation Automobile
Revolution. [verkkodokumentti]. [viitattu 11.8.2010]
Saatavissa osoitteessa
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=4156562
(Kämäräinen 2008) J. Kämäräinen. Merenkulkulaitos
AJANKOHTAINEN KANSAINVÄLINEN
SÄÄDÖSTILANNE. [verkkodokumentti]. [viitattu 27.9.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.shortsea.fi/demo/images/pdf/Uutisarkisto /Kamarainen-040608.pdf
(Kokam 2003) Kokam. 2003. Datalehti. [viitattu 14.1.2011]
Saatavissa osoitteessa
http://www.kokam.com/product/product_pdf/high_p ower/PL-302_SLPB80460330H_100Ah_Grade.pdf
(Krishnamachari 2002) Krishnamachari, B. Czarkowski, D.; Circuits and Systems, 1998. ISCAS '98. Proceedings of the 1998 IEEE International Symposium on; Publication Year:
1998; Pages: 446-449 vol.6; Bidirectional buck-boost converter with variable output voltage.
[verkkodokumentti]. [viitattu 2.8.2010] Saatavissa osoitteessa
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=705307
(Larmine & Lowry 2003) Larmine J, Lowry J. 2003. John Wiley & Sons.
Electric Vehicle Technology Explained. [viitattu 4.1.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.knovel.com/web/portal/browse/display?_
EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=2117&VerticalI D=0
(Maxwell 2010) Maxwell Technologies. Datalehti . [viitattu 14.1.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.maxwell.com/docs/DATASHEET_K2_S ERIES_1015370.PDF
(MScElectronics 2011) Sähköposti kysely hinnasta MScElectronics yhtiön edustajalta. 17.3.2011
(Nesscap 2005) PRODUCTS OF NESSCAP. [verkkodokumentti].
[viitattu 9.8.2010] Saatavissa osoitteessa http://www.nesscap.com/products_lineup.htm (Pedersen 2009) Pedersen, T. A. 2009. Norwegian University of
Science and Technology, Faculty of Engineering Science and Technology, Department of Marine Technology. Thesis for the degree of philosophiae
doctor. Bond Graph Modeling of Marine Power Systems. [viitattu 27.2.2011]
(Prabhakar 2009) Prabhakar A. J., Bollinger J. D., Hong Tao Ma, Ferdowsi M., Corzine K, 2009. Efficiency analysis and comparative study of hard and soft switching DC-DC converters in wind farm. Industrial Electronics, 2008. IECON 2008. 34th Annual Conference of IEEE. [verkkodokumentti].[viitattu 28.4.2011] Saatavissa osoitteessa
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnu mber=4758290
(Pyrhönen 2008) Pyrhönen Juha. Sähkökäytöt. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. Opetusmoniste 2008.
(Saft 2009) Saft. 2009. Rechargeable lithium-ion battery, VL 5U – Ultra high power cell. Datalehti. [viitattu
3.12.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.saftbatteries.com/doc/Documents/defenc e/Cube769/VL5U_cell_data_sheet.a2c55356-164e-4fe3-b957-86bbed023422.pdf
(Saft 2010) Saft. 2010. Rechargeable LiFePO4 lithium-ion battery, Super-Phosphate, VL 10V Fe – Very high power cell. Datalehti. [viitattu 27.2.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.saftbatteries.com/doc/Documents/defenc e/Cube769/VL10VFe_SuperPhos_cell.911c645b-8e4a-46c3-a926-1ba6e8f8970c.pdf
(Tecate Group 2011) Tecate Group 2011. [viitattu 14.3.2011] Saatavilla osoitteessa
http://www.tecategroup.com/store/index.php?main_p age=product_info&cPath=18_20_82&products_id=1 259
(Thermoanalytics 2007) Thermoanalytics. Battery types and characteristics.
[verkkodokumentti]. [viitattu 31.6.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.thermoanalytics.com/support/publication s/batterytypesdoc.html
(Toshiba 2010) Toshiba. 2010. Datalehti. [viitattu 4.1.2011]
Saatavissa osoitteessa
http://www.toshiba.com/ind/product_display.jsp?id1
=821
(TraFI 2010) Liikenteen turvallisuusvirasto TraFI. 2010.
Verkkosivu. [viitattu 30.11.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.trafi.fi/merenkulku/tekniset_hyvaksynnat (UnderstandingNano 2007) Nanotechnology Battery. 2007. [verkkodokumentti].
[viitattu 9.8.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.understandingnano.com/batteries.html (VTT 2011) Alanen. R, Pasonen. R. VTT 2011. Research Report.
VTT-R-41103-1.11-2011. Use of energy storages in Smart Grids management. [viitattu 20.4.2011]
(Wärtsilä 2010) Wärtsilä. 2010. Project guide for Marine Industry.
Wärtsilä 26 – Product Guide Introduction.
[verkkodokumentti]. [viitattu 2.12.2010] Saatavissa osoitteessa
http://www.wartsila.com/,en,productsservices,produc
tdetail,product,B2811AC6-2488-4F18-B935- 82E9FE7CF241,CC79FD70-1B9A-4DA3-B9AB-1C6A4A1C3B0F,,8002.htm
(Winafrique 2010) Winafrique: Renewable Power Solutions for Offgrid Locations. Datalehti. [viitattu 22.2.2011] Saatavissa osoitteessa
http://www.winafrique.com/downloads/products/VR
B/5kW%20Brochure%20e-version%20Jan%202008.pdf