hybridløsning

Frydenbø har sammen med sine partnere utviklet et komplett system for hybrid fremdrift for mindre fartøy tilpasset kravene i det kommersielle markedet i Norge.

Systemet er i utgangspunktet basert på de standard fremdriftspakkene Frydenbø har levert i en årrekke, og samme krav til sikkerhet og pålitelighet er lagt til grunn som for våre eksisterende systemer.

Vi merker økende interesser fra våre kunder for hybride fremdriftsløsninger, delvis motivert av miljøhensyn og krav fra offentlige myndigheter, men også som et middel til å redusere egne driftskostnader for fartøyene, som utgjør en stor andel av kostnadsbasen for mange av våre kunder. Frydenbø har det siste året jobbet målrettet for å kunne tilby en skreddersydd hybrid løsning for våre kunder, og vi har nå et konsept klart som tilfredsstiller våre krav til sikkerhet, pålitelighet og økonomi, og som var tilgjengelig for bestilling til nye og eksisterende fartøy fra august 2019, det første komplette systemet er allerede i bestilling fra våre leverandører, med en planlagt leveranse i Q4 2019

Vårt nye HVP 83H gir har de samme bygge målene som våre eksisterende HVP 83E gir. Dette gjør at man kan bygge om eksisterende fartøy uten å måtte skifte ut eller flytte på diesel motorer eller akselsystemer.

Elektromotoren er valgt på grunn av høy driftssikkerhet og effektivitet, men det har også vært viktig for oss at motoren står på samme aksling som dieselen slik at brukerne opplever en sømløs overgang fra diesel til el. drift. Vi her også hatt som et krav at systemet skal være så kompakt at dette legger begrensede føringer for designerne og båtbyggernes både med tanke på konfigurasjon og fartøyets stabilitet.

Alle systemkomponentene er også valgt med tanke på maksimal fleksibilitet, ønsker man f.eks. mer batterikapasitet, skal dette kunne installeres med minimal tilpasning mot eksisterende utstyr.

Vår erfaring er at mange av våre kunder har stor nytte av sitt vribare propellanlegg og bruker dette aktivt for å øke manøvrerbarheten og redusere drivstofforbruk. Vi ser imidlertid at operasjonene av anlegget for optimal drivstoffutnyttelse er krevende, og vi har derfor lagt inn en automatisert funksjon som sikrer optimal regulering av gasspådrag og propellvinket, slik at man kan til enhver tid kan operere fartøyet sømløst med en kontrollspak per drivlinje.

Intensjonen med et hybridsystem er å utnytte tilført energi optimalt i tillegg vil et hybridanlegg gi betydelige miljø effekter som redusert støy, vibrasjoner og forurensning av det ytre miljø.

For å fungere optimalt, må anlegget tilpasses den aktuelle bruksprofilen. Frydenbø har derfor brukt mye tid på å ta frem et fleksibelt konsept for sikrer standardisering av komponenter, men som også gjør det mulig for våre kunder å tilpasse seg et endret driftsprofil.

Levetiden på et slikt anlegg blir gjerne 15 til 40 år, og det er derfor viktig at anlegget kan tilpasses endrede krav med et minimum av kostnadskrevende endringer.

Figuren her indikerer i hvilke operasjonsområder hybride fremdriftssystem er aktuell. Ny mer kostnads energieffektive batterier vil endre disse grensene i fremtiden.

Diesel motoren har i over hundrede år vært en foretrukket kraftkilde for marine fremdrift. Utviklingen de siste årene har også gitt betydelige refusjoner i drivstofforbruk og i utslipp.

Fortsatt er det slik at motoren har best ytelse nå den opererer rundt sitt designpunkt. Et hybridanlegg gir mulighet for å redusere drift på dellast og derved øke virkningsgrad,  redusere forurensning og redusere vedlikeholdsbehovet for motoren.

Når vi konfigurerer et anlegg, vil vi derfor tilrettelegge for at dieselen opererer mest mulig rundt sitt designpunkt og at operasjon på dellast i størst mulig grad gjøres med elmotor.

Permanent magnet motoren som brukes i våre anlegg gir en virkningsgrad opp mot 96%, og en totalvirkningsgrad inkludert inverter på 92%. Denne kan også benyttes som generator for å lade batteriene når den drives fra diesel motoren, virkningsgraden når den går som generator vil være tilsvarende som når den går som motor.

Ved bruk under 100kW vil dieselmotoren være utkoblet, og fartøyet bli drevet av energi fra batteriet inntil batteriet er tomt.

For drift over 100kW, vil dieselen starte og drive lasten, samtidig vil generatoren starte å lade slik at dieselen går på nominell last, inntil batteriet er fulladet. Ved 50% belastning på fremdriften, vil 100kW gå til ladning av batteriet dette betyr at vi lader batteriet fra 10% til 90% på under 1,5 timer.

Når lasten er 100% vil kun dieselen drive. Ønsker man ytterligere kraft til fremdrift eller til PTO, kan man kjøre diesel og elmotor i parallell, dette kan imidlertid begrenses av moment begrensningen på fremdriftslinjen.

Hybridanlegget er utstyrt med et vribart propellanlegg. Dette sikrer optimal energiutnyttelse og god stabil manøvrering ved lav last.

Når diesel/elmotor går på dellast, vil propellen tilpasse vinkelen for at diesel og elmotor skal operere i sitt optimale driftsområde.

Optimal drift av anlegget i ulike kondisjoner krever kontinuerlig regulering av overnevnte systemkomponenter. Frydenbø har derfor sammen med Praxis Automation utviklet en

integrert kontroll og styringssystem som til enhver tid velger den mest optimale kombinasjonen av turtall, vinkel, el. drift og diesel drift.

Systemet opereres kun av en spake per fremdriftslinje og sikrer at operatøren ha fullt fokus på navigeringen mens systemet tar seg av regulering av fremdriftssystemet.

I sin enklest form opererer systemet enten kun men dieselmotor, kun med el.motor, eller med diesel og el. drift i kombinasjon.

Diesel motoren som brukes er en elektronisk motor som styrer innsprøytningen ut fra belastningen på motoren. Loggefrekvensen på denne registreringen varierer noe fra motor til motor, med er min 100Hz, altså 100 oppdateringer per sekund.

Pådraget på el.motor/generator, oppdateres med tilsvarende frekvens, dette gjør at vårt in-line system har full fleksibilitet til å tilpasse effektbehovet kun ved endring i software.

Frydenbø Industri har siden starten i 1916 levert over 83.000 diesel motorer i det norske maritime markedet. Fra 1993 har vi levert motorer fra FPT som er en av verdens største produsenter av dieselmotorer, og vi har i dag en markedsandel opp mot 35% i det profesjonelle maritime markedet i Norge, for motorer under 450kW.

I tillegg leverer vi motorer fra ABC og Baudouin for motorer over 450kW og Deutz primært for industriapplikasjoner.

Alle FPT motorene som leveres av Frydenbø Industri gjennomgår fullskala testing før leveranse, dette inkluderer også kjøring av motor i vår vannbrems som verifiserer mekanisk og termisk ytelse i tillegg til funksjonstest av motor og kontrollsystem.

Frydenbø har siden 1979 levert egenproduserte gir for vribare propellanlegg til mindre fartøy. Som et ledd i effektivisering og målretting har vi nå inngått avtale med Kumera AS i Sandefjord, som vil produsere og levere et spekter av gir eksklusivt i det norske markedet for Frydenbø Industri.

Som del av denne avtalen er det også utviklet et nytt gir for vår nye hybride produktlinje.

Dette giret vil ha en clutch på inngående aksling som muliggjør operasjon av el. motoren uten at diesel motoren roterer, i tillegg har en clutch på PTO uttaket som muliggjør operasjon av propellanlegget uten at PTO’en roterer, til sist vil vi ha en clutch på propell akslingen som muliggjør operasjon av PTO’en uten at hoved akslingen roterer.

Dette giret er produsert innenfor hoveddimensjonene av det eksisterende giret, og vi kan derfor tilby kostnadseffektiv ombygging av eksisterende fartøy uten endringer på propellanlegg og motor.

Avhengig av fartøydesign og tilpasses ved bestilling.

Dette motorsystemet fra Praxis Automation Technology i Holland er en permanent magnet elektrisk motor med svært høy virkningsgrad spesielt designet for fremdrift og elektrisk kraft generering, samt et tilhørende motor-kontrollsystem.

Motor systemet inkluderer også en konverter som håndterer el. motor og generator drivere, og muliggjør ekstern ladning av batteriet også med landestrøm.

Denne teknologien kan leveres for systemer fra 100kW to 2.2MW. Inverteren er koblet til en DC bus med nominell spenning på 832VDC, og har innebygget DV bus kontaktor og andre sikkerhetsfunksjoner for motor styring og overvåkning.

Frydenbø har evaluert ulike batteriløsninger før gi gikk for batteriløsningen til Praxis Automation i Holland. Batteriet baserer seg på LiFePO4 (LFP) seller som har et sikkerhetsnivå på linje med konvensjonelle blybatteri, og har et betydelig høyere sikkerhetsnivå og høyere levetid en konvensjonelle Li-ion batterier.

Dette går til en viss grad ut over maks ytelsen, men er etter vår mening en riktig prioritering gitt kritikaliteten av operasjonene om bord på mindre fartøy. Batteriet er også designet for høy sikkerhet ved at hver celle er individuelt beskyttet noe som forhindrer spredning (Termal runaway) hvis man mot formodning skulle oppleve feil i en av cellene.

Dette gjør at batteriet også oppfyller sikkerhetskravene i henhold til DNV-GL’s regelverk.

Batteriet som Frydenbø tilbyr er veskekjølt noen som etter vår mening er helt avgjørende for installasjon i mindre fartøy hvor anlegg for ventilasjon av luftkjølte batterier vil vanskeliggjøre installasjon, spesielt for eksisterende fartøy som skal byges om til hybrid fremdrift. Batteriet har sitt eget uavhengige kontrollsystem (BMS) som sørger for kjøling både i operasjon og under ladning. Veskekjølte batterier har en fordel med at de er uavhengig av omgivelses temperaturen, og er derfor godt egnet for typisk maskinroms omgivelser med varierende og utfordrerne miljø.

Hver batterirekke har en kapasitet på 60kWh og består av 6 enheter samt BMS og veier 590kg, disse parallell kobles til en total effekt på 4MWh.

Typisk driftsprofil for våre applikasjoner er ladning over natten og operasjon på 200 dager i året.

Frydenbø anbefaler at batteriet lades til 90% av full kapasitet og at det til enhver tid er 10% kapasitet igjen i batteriet.

Dette gir en anbefalt batteriutnyttelse på 80% og en teknisk levetid på batteriet på 5000 sykler eller 25år. Vi antar imidlertid at batteriteknologien fortsetter å utvikle seg, og setter økonomisk levetid på batteriet til 15 år, som er det vi bruker ved beregning av operasjons og reparasjon/vedlikeholds kost.

Kapasiteten på batteriet reduseres over tid, for dette batteriet er

reduksjonen etter 10 år på 9% fordelt linjert per år. I snitt for 10 år vil tilgjengelig batterikapasitet derfor være 4,5% lavere enn kapasiteten når batteriet var nytt.

For å finne total utnyttbar akseleffekt fra motoren, må vi også redusere med effekttap i motor og Inverter, som er 8%.

Dette gir en total tilgjengelig effekt for et 60kWh batteri over en 10års periode på 40,5kW

CPP og fremdrifts kontroll system Fullt integrert kontrollsystem som styrer både diesel motor og el. motor samt vribart propellanlegg fra en spake for hver fremdriftslinje. El. motoren slår inn ved lav last og kobler ut når laste øker. Ved høy last startes diesel motoren automatisk, og øker pådraget til maks diesel last.

Økes pådraget ytterligere, kobles el. motoren inn og anlegget kjøre med booster funksjon opp til kapasitetsgrensen på gir og fremdrift.

Propell pådraget reguleres automatisk og man oppnår til enhver tid optimalt drivstofforbruk ved alle tilstander. Denne automatikken kan slåes av ved knapper for hver funksjon som vist på figur.

• Fjernstyrt fra styrehus med en-spake operasjon per drivlinje

• Panel med knapper for av/på av el. mode, diesel mode and booster mode

• Operatørpanel med 5” TFT med ‘pitch’ og ‘rpm’ indikatorer

• Status panel med energiovervåkning.

• Diesel motor start/stop/rpm

• Clutch indikator inngående aksel

• Clutch indikator utgående aksling

• Clutch indikator PTO