Blog dotyczący technologii ruchu i sterowania | Parker Polska

Ekologiczne Innowacje Parker dla transportu wodnego

author: @ Sindre FuruliNa pierwszy rzut oka wygląda jak każdy inny prom samochodowy przewożący ludzi i pojazdy tam i z powrotem przez fiord u wybrzeży Norwegii. Jednak pozory mylą. Na tym 80-metrowym statku o wymownej nazwie Ampere pracuje jeden z pierwszych na świecie całkowicie elektrycznych układów napędu statków morskich zasilanych z akumulatorów. Układ ten zapewnia praktycznie zerową emisję gazów cieplarnianych i działa niemal bezgłośnie. 

Statek Ampere, wprowadzony do ruchu w 2015 r. przez przedsiębiorstwo żeglugowe Norled, wyznacza początek ważnego trendu w kierunku hybrydyzacji i elektryfikacji w sektorze morskim. Od tamtej pory wielu innych myślących perspektywicznie operatorów promów samochodowych i łodzi roboczych, takich jak trawlery, statki do hodowli ryb i holowniki, zastosowało bardziej ekologiczne systemy zasilania i napędu. Tego rodzaju statki przez długi czas pływają w strefach przybrzeżnych, a zatem podlegają przepisom zmierzającym w stronę ograniczenia szkodliwych emisji. 

Odchodzenie od paliw kopalnych 

Dawniej statki morskie w dużym stopniu polegały na paliwach kopalnych, a jednostki z napędem spalinowo-elektrycznym przede wszystkim wykorzystywały wewnętrzny silnik spalinowy połączony z generatorem, przy czym moc dostarczana była do wału śrubowego przez falownik i silnik elektryczny. Jednak ten konwencjonalny układ zasilania i napędu zaczął ewoluować, czego efektem są ciekawe rozwiązania. Postępy w hybrydyzacji i elektryfikacji zaowocowały opracowaniem nowych konstrukcji wyróżniających się poprawą pewnych parametrów pracy, szczególnie pod względem efektywności energetycznej. 

Jakie układy napędu mogą sprawić, że statki morskie będą bardziej ekologiczne? Po pierwsze, istnieją hybrydy szeregowe, które w większości przypadków wykorzystują silnik pokładowy do zasilania generatora, a śrubę napędzMarine_photo 2a silnik elektryczny. Do magazynowania energii mogą być także używane akumulatory. W przypadku hybryd równoległych silnik jest mechanicznie sprzężony z wałem napędowym, a także z silnikiem elektrycznym. Do napędu śruby może służyć silnik spalinowy lub elektryczny, a moc może być dostarczana z obu źródeł jednocześnie. Ostatnia możliwość to napęd w pełni elektryczny, zwykle złożony z baterii akumulatorów litowo-jonowych do zasilania silników elektrycznych. 

Wybrany układ w dużym stopniu zależy od rodzaju cyklu pracy statku. Niezależnie od wybranego układu istotny jest jeszcze jeden czynnik: armatorzy coraz częściej chcą zapewnić maksymalną ogólną wydajność statku przez uzyskanie optymalnej efektywności energetycznej wszystkich układów pokładowych. Osiąga się to przez płynną integrację zasilania i napędu — w układzie hybrydy szeregowej czy równoległej bądź wyłącznie elektrycznym — z innymi technologiami, takimi jak układy hydrauliczne. Te ostatnie są powszechnie stosowane do napędu układów steru i smarowania przekładni, a także do zasilania układów pomocniczych, takich jak rampy dziobowe i transportowe. 

Pokonywanie wyzwań związanych z integracją  

Wbudowanie energooszczędnych systemów hydraulicznych wymaga rozwiązania kilku kwestii. Na przykład przejście na systemy zasilane z akumulatorów w środowiskach morskich wymaga gruntownego przemyślenia sposobu optymalizacji mocy zainstalowanych akumulatorów. Ciężkie baterie akumulatorów są wciąż drogie i zajmują dużo miejsca na statku. W związku z tym należy uwzględnić zużycie energii przez wszystkie systemy pokładowe — nawet ekspresy do kawy. 

Konwencjonalne zasilacze hydrauliczne, stosowane przede wszystkim na starszych statkach napędzanych silnikami wysokoprężnymi, tradycyjnie wymagały użycia przewymiarowanych pomp i Marine_photo 3silników, co miało zapewnić dostateczną wydajność w okresach największego zapotrzebowania na moc. Ponieważ koszty energii zyskują na znaczeniu, a przepisy dotyczące ochrony środowiska są coraz bardziej rygorystyczne, rośnie waga problemu marnotrawstwa energii i wysokiego poziomu emisji CO2 w zastosowaniach morskich. Wymaga to wprowadzenia wydajniejszych układów, których moc jest precyzyjnie dostosowywana do potrzeb w określonych zadaniach. 

W efekcie nowe technologie, takie jak systemy pomp sterowanych napędem elektrycznym, reprezentują podejście oparte na efekcie synergii. Polega ono na skutecznym połączeniu zasilaczy hydraulicznych, falowników, silników elektrycznych i pomp hydraulicznych w celu zagwarantowania wymaganej mocy poszczególnym odbiornikom w systemie hydraulicznym. W szczególności falowniki sterują momentem obrotowym i prędkością silników elektrycznych, zapewniając precyzyjne, regulowane ciśnienie i przepływ wymagany w dowolnym punkcie maszyny lub cyklu pracy. Za sterowanie napędem odpowiadają przetestowane w praktyce algorytmy sterowania opracowane w celu realizacji niezawodnych, znormalizowanych i konfigurowalnych funkcji hydraulicznych. 

Tego rodzaju wyzwania techniczne zachęciły dostawców tradycyjnych podzespołów hydraulicznych do zmodernizowania oferty, dzięki czemu stali się oni specjalistami w dziedzinie sterowań, rozumiejącymi złożone zagadnienia współdziałania wielu technologii elektrohydraulicznych z oferowanymi przez siebie systemami sterowania. Odpowiedzią firmy Parker było połączenie działów hydrauliki, pneumatyki i elektromechaniki w grupę Motion Systems, dysponującą bogatymi zasobami wiedzy technicznej i doświadczenia w dziedzinie środowiska morskiego. 

Elektryfikacja przynosi korzyści w dziedzinie łączenia technologii 

Dążenie do optymalizacji efektywności energetycznej na pokładzie statków o napędzie hybrydowym i elektrycznym nie kończy się na instalacji nowoczesnych systemów sterowania Marine_photo 4opartych na najnowszej technologii, takich jak rozwiązania pomp sterowanych napędem elektrycznym. Wraz z pojawieniem się Internetu rzeczy (IoT) możliwe stało się tworzenie na statkach morskich złożonych ekosystemów urządzeń cyfrowych, co pozwala na niezawodne połączenie elektronicznych urządzeń sterujących i oprogramowania z chmurą. Dzięki tej łączności armatorzy mają dostęp w czasie rzeczywistym do wielu danych, co niesie wiele korzyści. 

Cyfrowa integracja na bazie mobilnego Internetu rzeczy (IoT) umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym stanu urządzeń hydraulicznych, a tym samym ciągłe śledzenie wielu zmiennych, w tym prędkości i momentu obrotowego silników oraz innych parametrów systemów sterowania. Możliwość udostępniania tych danych przez wyznaczenie wielu poziomów użytkowników oznacza, że prace konserwacyjne realizuje się w bardziej przewidywalny sposób. Efekt: przedłużenie czasu sprawnego działania sprzętu i wydajniejsza praca. Mobilny Internet rzeczy (IoT) zmienia zatem zasady pracy w środowiskach morskich, dzięki czemu działalność prowadzi się w sposób bardziej opłacalny, energooszczędny i przyjazny dla środowiska. 

Z perspektywy przyszłości powszechne wprowadzenie systemów bezprzewodowych 5G to obietnica dalszego usprawnienia łączności, umożliwiającego przesyłanie znacznie większej ilości danych z dużo krótszym opóźnieniem. Może to zaowocować nową falą przedsięwzięć gospodarczych w sektorze morskim opartych na Internecie rzeczy (IoT), szczególnie w obszarach logistyki portowej i planowania tras z naciskiem na poprawę efektywności energetycznej. 

Takie technologie jak 5G przyczynią się również do wzrostu wykorzystania systemów automatyki na pokładzie inteligentniejszych statków przyszłości. Automatyzację pracy systemów pokładowych postrzega się jako istotny sposób oszczędzania czasu i pieniędzy, a wymóg zmniejszenia liczby członków załogi na morzu ogranicza ryzyko wypadków i obrażeń. Obecnie większość dużych organizacji morskich inwestuje znaczne środki w badania nad rozwiązaniami z obszaru Internetu rzeczy (IoT) i automatyzacji, natomiast dążenie do zapewnienia statkom autonomii staje się ważnym i popularnym trendem na całym świecie. 

Podsumowanie 

Oczywiste jest, że nastawienie na bardziej ekologiczny sposób prowadzenia działalności w sektorze morskim sprzyja postępowi technicznemu. Coraz więcej statków, takich jak promy i łodzie robocze, to czyste i bardziej wydajne jednostki, które maksymalnie wykorzystują moc zainstalowaną na pokładzie. Z elektryfikacją wiążą się również szanse na usprawnienie komunikacji, co umożliwia armatorom monitorowanie w czasie rzeczywistym wydajności kluczowych urządzeń, takich jak układy hydrauliczne. Krótko mówiąc, w przypadku statków określenie „bardziej ekologiczny” znaczy „lepszy” — a korzyści odczuwają wszyscy. 

 

jari_rantanen

Autor: Jari Rantanen, kierownik ds. rozwoju zastosowań — zespół ds. rozwoju przemysłu — Motion Systems Group Europe, Parker Hannifin

 

Powiązane wpisy:

Jak inteligentny interfejs użytkownika zwiększa wydajność maszyny?

Co łączy Ethernet przemysłowy i zawory pneumatyczne

Czy lżejsze i bardziej ekologiczne pojazdy ciężkie o dużej ładowności staną się rzeczywistością?

 

Marine goes green: energy-efficient hydraulics in hybrid electric applications

author: @ Sindre FuruliAt first glance, it looked like any other car ferry, carrying people and vehicles to-and-fro across a fjord off the coast of Norway. However, appearances can be deceptive. For this 80-metre vessel, tellingly named the Ampere, featured one of the world’s first all-electric battery-powered marine architectures – resulting in virtually zero greenhouse gas emissions and near-silent operation.

The Ampere, launched in 2015 by the Norled shipping company, represented the start of a significant trend towards hybridisation and electrification in the marine sector. Since then, many other forward-thinking operators of car ferries and workboats such as trawlers, fish-farming vessels and tugs have embraced a new wave of greener power and propulsion systems. These types of vessels spend much time in near-shore operation and are therefore subject to a robust legislative drive to reduce harmful emissions.

Moving on from fossil fuels

Historically, marine vessels have been heavily dependent on fossil fuels, with diesel-electric ships mainly using an internal combustion-powered engine connected to an electrical generator, with the power shifted to the propeller shaft via an AC inverter and electric motor. But this conventional power and propulsion arrangement has started to evolve in some quite exciting ways. Advances in hybridisation and electrification have resulted in some novel architectures that boast some specific performance advantages, particularly in the area of energy efficiency.

Parker Marine FerrySo, what are options for greener marine vessels? Firstly, there are serial hybrids which in most cases use an onboard engine to provide power to a generator, with the propeller spun by an electric motor. Batteries can also be used to provide energy storage capability. For parallel hybrids, meanwhile, the engine is mechanically coupled to the drive shaft, as well as to an electric motor. The propeller can be powered from the engine, or the electric motor, and power can be delivered from both sources at once. Then, finally, there is pure electric, which usually comprises a lithium-ion battery stack to power the electric motors.

The chosen architecture depends very much on the types of work cycles of the vessels involved. However, there is one constant, regardless of the final selection: ship operators are increasingly looking to maximise the overall performance of the vessel by reaching optimal energy efficiency of all onboard systems. This is achieved through the seamless integration of power and propulsion – be that serial hybrids, parallel hybrids or pure electrics – with other technologies such as hydraulics, which are commonly used to drive steering systems and gearbox lubrication and to power ancillary systems such as bow ramps and drive ramps.

Overcoming integration challenges

Integrating energy-efficient hydraulics systems involves several considerations. The switch to battery-powered systems in marine environments, for instance, means careful thought needs to be given to how to optimise the amount of installed battery power. Heavy battery banks are still expensive and accommodate a lot of space onboard the vessel. Thus, the energy consumption of all onboard systems – right down to coffee machines – needs to be assessed.

Parker Marine insideConventional hydraulic power units, primarily found on older stock diesel-powered vessels, have traditionally required oversized pumps and motors to ensure performance during a system’s highest duty-cycle demands. However, as energy costs have become more of an issue, and environmental regulations have become more stringent, the wasted energy and high CO2 emissions are increasingly problematic in marine applications. This has required a transition to more efficient systems where power is precisely modulated to the requirements of specific tasks.

As a result, new technologies such as drive controlled pump systems are providing a more synergistic approach in which hydraulic power units, frequency drives, electric motors and hydraulic pumps are successfully integrated to meet each local load demand within a hydraulic system. Specifically, variable frequency drives manage the electric motor’s operating torque and speed, producing the precise, variable pressure and flow required at any given point in the machine or duty cycle. Drive control is directed through the use of field-tested control algorithms designed to provide reliable, standardised and customisable hydraulic functions.

These technical challenges have encouraged traditional hydraulic component suppliers to modernise and evolve to become motion control specialists – capable of understanding the complex interface between a host of electro-hydraulic technologies and their control systems. At Parker, the response has been to merge the hydraulics, pneumatics and electromechanical divisions to create a dedicated Motion Systems Group which has the depth of technical expertise in marine environments.

Electrification brings connectivity benefits

Parker MarineThe drive for energy efficiency onboard hybrid and electric vessels does not stop with the installation of modern motion systems based on the latest technology, such as drive-controlled pump solutions. With the emergence of the Internet of Things, it is now possible to install versatile digital ecosystems onboard marine vessels, enabling the reliable connection of electronic control hardware and software to the cloud. This connectivity gives ship operators real-time access to a host of data parameters, bringing many benefits.

Digital integration through the use of mobile IoT can provide valuable insight into the real-time condition of hydraulic equipment, making it possible to continually track a host of variables including engine speeds, torque and other motion system parameters. The ability to share this data by assigning multi-tiered user types and permissions means that maintenance can be handled in a more predictable manner, which improves uptime and supports more efficient operation. Ultimately, mobile IoT is a game-changer in marine environments, resulting in more cost-effective, energy-efficient and environmentally friendly operations.

Looking further forward, the widespread adoption of 5G wireless systems promises even higher levels of connectivity, making it possible to transmit vastly higher levels of data with much lower latency. This is likely to result in a new wave of IoT-enabled business cases in the marine sector, particularly in the areas of port logistics and more energy-efficient route planning.

Technologies such as 5G will also underpin the increasing use of automation onboard the smarter ships of the future. Automating onboard operations is viewed as a valuable means of saving time and money, while the requirement for fewer crew members at sea lowers the risk of accidents and injuries. These days, most major marine organisations are investing heavily in IoT/automation research, with ship autonomy becoming a recognised mega-trend across the globe.

In summary

It is clear, then, that greener operations in marine environments present plenty of opportunities for technical enhancement. Vessels such as ferries and workboats are becoming cleaner and more efficient, making the very most of the installed power onboard. Electrification also brings the potential of advanced connectivity, giving operators real-time insight into the performance of key equipment such as hydraulics. In short, greener ships are better ships – and that brings benefit for all.

 

Jari Rantanen, Applications Development Manager, Motion Systems Group Europe, Parker Hannifin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Author: Jari Rantanen, Applications Development Manager, Motion Systems Group Europe, Parker Hannifin

Published by Connectivity – read article here.

 

Related articles:

The Importance of Reliable Connectivity Between Industrial Ethernet and Pneumatic Valves

How Does a Smart User Interface Improve Machine Efficiency?

Can Lighter, Greener Heavy-Duty Trucks Become a Reality?

 

Masz pytanie dotyczące produktów lub usług firmy Parker? Możemy pomóc: Skontaktuj się z nami!

Note to Ekologiczne Innowacje Parker dla transportu wodnego


Uwaga: Aby przeciwdziałać spamowi, komentarze z hiperłączami nie zostaną opublikowane

Dodaj komentarz





Captcha