Co łączy statek i elektrownię?

Co łączy statek i elektrownię?
Autor: Rene Kuczkowski - Enea Operator Sp. z o.o.
("Energia Elektryczna" - nr 2/2015)
Wydaje się, że sektory transportu morskiego oraz energetyki zależne są od siebie jedynie
pod względem dostarczania odpowiednich surowców. Historia nieraz pokazała, że
współpraca pomiędzy pozornie różnymi gałęziami gospodarki potrafi przynieść
zaskakujące, wymierne efekty. Wynika to z faktu, ze bardzo często mamy do czynienia z
systemem naczyń połączonych, z definicji zależnych od siebie. W dobie wyzwań
stawianych energetyce współpraca z transportem morskim może nabrać całkiem
nowego znaczenia.
Żegluga morska jest w dzisiejszych czasach najbardziej efektywną formą transportu.
Zwłaszcza, zestawiając ze sobą takie wielkości, jak masa ładunku i koszty dostarczenia.
Pomimo dość długiego terminu dostawy, tylko w ten sposób można transportować
wielkogabarytowe towary w dużych liczbach na odległych trasach. Patrząc od strony
logistycznej, w 2013 r. obroty ładunkowe w polskich portach morskich wyniosły 64,1 mln
ton, tj. o 9% więcej w porównaniu do 2012 r. Tak duża dynamika wzrostu daje również
potencjał pełniejszego wykorzystania tej branży przez sektor energetyczny. Oczywiście na
nowe możliwości należy spojrzeć nieco szerzej niż tylko z perspektywy przewozu surowców
paliwowych.
W sektorze transportu morskiego stawia się dziś na rozwój branży portowej. Panuje
nowy trend, polegający na obsłudze okołologistycznej statków w portach. Chodzi o
zapewnienie jednostkom morskim cumującym do nabrzeża wysokiej jakości usług, takich jak
doraźne naprawy czy dostarczenie mediów. Analizując techniczny aspekt całego procesu,
można powiedzieć, że - z punktu widzenia spółki energetycznej - energię elektryczną
pobierają w porcie jednostki, będące w warunkach morskich w stanie same ją wytwarzać i
przetwarzać. Bez uwzględniania kwestii ekonomicznych i środowiskowych temat wydaje się
być banalnie prosty i efektywny. Kontenerowce, masowce czy tankowce potrzebują dużych
ilości energii elektrycznej dla zapewnienia działania całej jednostki. Zapotrzebowanie na
energię nie ogranicza się tylko do sfery socjalnej ich funkcjonowania czy też zapewnienia
oświetlenia. Dużym odbiornikiem energii elektrycznej są chociażby tzw. stery strumieniowe,
które odgrywają główną rolę w manewrach portowych. Można by je porównać do wielu
skrętnych osi w samochodach, co pozwala ogromnym statkom na dużą manewrowość przy
małych prędkościach, jak np. wykonanie zwrotu o 360 stopni wokół własnej osi. Tego typu
ster, będący w rzeczywistości połączeniem silnika elektrycznego ze śrubą, potrzebuje
natychmiastowego rozruchu, co przy ogromnych silnikach okrętowych Diesla, działających w
niskim przedziale obrotów (<1000 obr./min.) jest kłopotliwe do wykonania. Z tego też
względu są one napędzane energią elektryczną, wytwarzaną pośrednio przez generatory
zasilane z siłowni na olej napędowy. Ich moc może osiągać nawet 3,7 MW, przy czym należy
zaznaczyć, że tego typu silniki na statku są co najmniej 2-rufowe oraz dziobowe.
Elektroenergetyka stoi dziś przed ogromnym wyzwaniem, jakim jest generacja
rozproszona. Dotyczy ona nie tylko OZE, będących domeną większości prosumentów, lecz
także konwencjonalnych wytwórców energii elektrycznej. Teoretycznie istniałaby możliwość
wykorzystania w ramach działalności prosumenckiej prawie całej dostępnej mocy silnika
spalinowego jednostki pływającej, lecz w praktyce wiązałoby się to z poważnymi
modernizacjami układu napędowego oraz instalacji elektrycznej. Kluczem jest dostarczenie
energii do sieci elektroenergetycznej przy wykorzystaniu rozwiązań istniejących już na
pokładzie. Naukowcy z Akademii Morskiej w Szczecinie opracowali zależność, pozwalającą
obliczyć faktyczną moc elektryczną, dostępną na pokładzie statku. Całkowita dostępna moc
elektryczna została wyrażona wzorem
Σ
el=3044+0,24048*
[
]
gdzie:
D – wyporność statku wyrażona w tonach,
Σ el – suma dostępnej energii elektrycznej wyrażona w kilowatach.
Aby zobrazować temat, można odnieść się do największej jednostki morskiej, która
jest w stanie cumować u polskich wybrzeży. Dotyczy to MS Mærsk Mc-Kinney Møller –
jednostki, która w sierpniu 2013 r. zawinęła do gdańskiego terminalu kontenerowego DCT.
Jej wyporność wynosi 194 849 t, co w przełożeniu na podany wzór daje nam moc elektryczną
wynoszącą prawie 50 MW.
Rys. 1. MS Mærsk Mc-Kinney Møller – największa w historii jednostka morska, która zawinęła do polskiego
portu, źródło: http://media.nu.nl/m/m1mz50nase1v.jpg
Dla porównania taką moc może wytwarzać nowoczesny blok ciepłowniczy.
Zaskakujące jest, że dzięki instalacji przystosowanej do poboru energii elektrycznej z
nabrzeża portowego wyprowadzenie tak dużej mocy z takiego kolosa nie powinno być
kłopotliwe. Jak pokazują inne analizy, moce statków o różnej wyporności wahają się
najczęściej w przedziale 5-35 MW. Tak duże moce mogą się okazać pomocne przy
uwzględnieniu generacji rozproszonej, gdzie stojąca w porcie jednostka przekształciłaby się z
odbiorcy w prosumenta. Należy jednak zaznaczyć, że podana moc to moc maksymalna
możliwa do osiągnięcia przez statek. Taka sytuacja zakłada możliwość działania z pełną mocą
wszystkich odbiorników znajdujących się na pokładzie, co bezpośrednio wpływa na zużycie
paliwa. Podobnie jak w samochodzie, włączanie np. klimatyzacji i innych odbiorników
powoduje wzrost obrotów oraz spalania, tak i w przypadku jednostki morskiej należałoby się
liczyć z analogicznym zachowaniem silników, gdzie dla zwiększonego obciążenia przez
generację energii elektrycznej „na luzie” zwiększałoby się spalanie podczas postoju.
W tym momencie od razu nasuwa się pytanie o aspekt środowiskowy idei
wytwarzania energii elektrycznej przez statki morskie. Okolice portowe to najczęściej
skupiska miejskie, gęsto zaludnione tereny nadmorskie. Każdy statek generuje na zewnątrz
hałas, ciepło, drgania i – co najważniejsze – gazy spalinowe. W zależności od
zainstalowanego w statku rodzaju napędu oddziaływanie na środowisko jest inne.
Tablica 1. Porównanie emisji gazów dla różnych typów napędu morskiego
System napędowy/
NOx
SOx
CO2
Cząstki stałe
Jednostka
g/kWh
g/kWh
g/kWh
g/kWh
4-suwowy diesel
średnioobrotowy
12,0
13,60
0,0612
0,40
Podwójny napęd
diesel
wolnoobrotowy
14,5
0,20
0,0410
0,10
Turbina gazowa
2,5
0,00
0,0480
0,01
Zgodnie z danymi zawartymi w tablicy, najmniej szkodliwy dla środowiska jest napęd
poprzez turbinę gazową. Stanowi ona na razie „pieśń przyszłości” i występuje w fazie
prototypu w przypadku jej zastosowania do napędzania statków cywilnych. Istnieją jednak
rozwiązania, które eliminują generację spalin, przy zachowaniu przyzwoitej ilości
wytwarzanej energii. Mowa tutaj o dwóch dostępnych koncepcjach napędowych: jądrowej lub
fotowoltaicznej.
Przy wykorzystaniu energii jądrowej reaktor nie jest wygaszany podczas postoju. Co
ciekawe, cykl życia paliwa w reaktorze szacuje się na ok. 20 lat eksploatacji, przy
wytwarzaniu 1 m3 odpadów radioaktywnych rocznie, dla siłowni o mocy 1 GW. Takich
rozwiązań napędowych w jednostkach cywilnych jest niezmiernie mało, głównie ze względu
na wysokie koszty budowy. Konstrukcja napędu wymaga m.in. dodatkowych zabezpieczeń.
Mówiąc o kosztach takich rozwiązań, należy wziąć pod uwagę także ewentualne opinie
społeczne dotyczące energetyki jądrowej. W dzisiejszych czasach liczne społeczeństwa są
raczej nieprzychylne wszelkim rozwiązaniom powiązanym z energią jądrową.
Rys. 2. Sevmorput – handlowy statek napędzany energią jądrową,
źródło http://www.rosatom_ot.ru/img/all/15_sevmorpyt_big__1_.jpg
Zastosowanie paneli fotowoltaicznych staje się dla żeglugi rozwiązaniem pośrednim
pomiędzy dostępnością dużej mocy a ekologią. Istnieją dwie główne koncepcje zastosowań.
Pierwsza z nich zakłada użycie paneli wyłącznie do zasilania pokładowych akumulatorów,
które następnie przekazują energię elektryczną do odbiorników na pokładzie. Druga
koncepcja sprowadza się do utworzenia napędu hybrydowego jednostki morskiej. Polega ona
na tym, że praca odbywa się w systemie równoległym – w trybie normalnym pracują silniki
spalinowe, a w przypadku zwiększonego zapotrzebowania są one wspomagane silnikami
elektrycznymi. Te z kolei, dzięki panelom solarnym, są ładowane poprzez akumulatory.
Dobrym przykładem jest tutaj statek Auriga Leader, należący do floty koncernu
Toyota. Marka znana z proekologicznych rozwiązań, jak chociażby samochód Toyota Prius,
postanowiła wykorzystać swoje doświadczenia w transporcie morskim. Ta szeregowa
hybryda morska, dzięki 328 panelom słonecznym, jest w stanie wytworzyć do 40 kW mocy
elektrycznej, ładującej potężne akumulatory niklowo-metalowo- wodorkowe. Dane dotyczące
łącznego zużycia paliwa i emisji nie są znane, lecz armator chwali się obniżeniem zużycia
paliwa o ok. 13 ton oraz emisji spalin o 40 ton CO2 dla pojedynczej trasy. Dla porównania,
podobna klasa statków zużywa przeciętnie 20 ton oleju napędowego na 100 kilometrów. Inna
firma, pochodzenia australijskiego, poszła o krok dalej. Proponuje zastosowanie paneli
słonecznych, pełniących równocześnie rolę generatora energii, oraz ogromnych żagli dla
statków handlowych. Naturalnie, ze względu na swoją wielkość i elastyczność, takie żagle nie
byłyby regulowane poprzez tradycyjne szoty. Sterowanie możliwe byłoby poprzez system
elektroniczny, pozwalający na optymalne ustawienie „panelowych żagli” względem promieni
słonecznych oraz wiatru dla zapewnienia optymalnej prędkości jednostce. Opracowany
projekt zakłada wytrzymałość żagli przy wietrze nawet do 40 węzłów (75 km/h). Cały system
podwójnego wykorzystania paneli słonecznych przez statki, według projektu, powinien dawać
od 20 do 40% oszczędności paliwa.
Rys. 3. Pokład statku Auriga Leader, źródło http://www.blogcdn.com/green.autoblog.com/
media/2011/06/auriga-leader.png
Skupiając się na wykorzystaniu powyższych rozwiązań w energetyce, energia
słoneczna byłaby w tym momencie nieemisyjnym, dodatkowym źródłem energii elektrycznej
dostarczanej do sieci. Dodatkowo rozwiązanie hybrydowe nie generowałoby żadnych
kosztów od strony armatora statku. Patrząc na stronę ekonomiczno-prawną idei przemiany
statków handlowych w prosumentów, można powiedzieć, że jest ona wizją do wdrożenia w
ciągu ok. 20 lat. Już dzisiejsze rozwiązania konwencjonalne dają jednak techniczną
możliwość odpłatnego dostarczenia pewnej ilości energii elektrycznej do sieci dystrybucyjnej.
W rzeczywistości firmy obsługujące flotę działają w systemie wolnorynkowym, co przekłada
się na efektywność ekonomiczną świadczonych usług. Porównanie (przy dużym uproszczeniu
założeń, tj. brak amortyzacji, koszty wyłącznie zużytego paliwa) kosztów pracy silnika w
porcie na niskich obrotach do ewentualnych przychodów ze sprzedaży energii, pokazuje brak
rentowności w dzisiejszych warunkach. Opłacalność mogłaby zostać osiągnięta przy cenach
dla prosumentów zaczynających się od 0,70 zł/kWh wzwyż. Stąd też rozwiązania
fotowoltaiczne czy też jądrowe wydają się być najbardziej rozsądne, dzięki niskim kosztom
„energetycznym” jednostki stojącej w porcie. Jak dotąd użytkowanie silników napędowych
jest prawnie zakazane w portach, przez co do wytworzenia energii mogą zostać użyte tylko
generatory pomocnicze statku, których moc jest wielokrotnie mniejsza, minimalizując tym
samym opłacalność wytwarzania energii.
Wykorzystanie jednostek morskich, cumujących w polskich portach, na potrzeby
rodzimej energetyki w założeniu jest ideą, która może w prosty sposób wspomóc generację
rozproszoną oraz zapewnić szybki dostęp do dodatkowej ilości energii w lokalnym bilansie
energetycznym. Wspiera ona także energetykę od strony bezpieczeństwa energetycznego
danego obszaru. O ile konwencjonalne rozwiązania napędowe są obecnie obwarowane
ograniczeniami środowiskowymi, o tyle projektowane wizje przyszłego transportu morskiego
mogą pozwolić na wytwarzanie energii, które byłoby atrakcyjne ekonomicznie dla armatorów
floty morskiej. Coraz większy nacisk na rozwój odnawialnych źródeł energii może przełożyć
się na większą sprawność i wytrzymałość paneli słonecznych. Jeżeli w rzeczywistości nowe
rozwiązania będą wdrożone w ciągu najbliższych 20 lat, istnieje szansa na silne powiązanie
potencjału rozwoju energetyki z rozwojem sektora transportu morskiego.
Rys. 4. Koncepcyjny projekt masowca wykonany przez Solar Sailor,
http://www.motorship.com/__data/assets/image/0007/710377/Water-tanker-design-from-Solar-Sailor.jpg