Energy storages in diesel-electric icebreakers
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2012
Department
Major/Subject
Laivanrakennusoppi
Mcode
Kul-24
Degree programme
Language
en
Pages
101
Series
Abstract
In this master's thesis the use of electrical energy storages for propulsion power balancing in icebreakers with diesel-electric propulsion power plant is studied. Ships that operate in ice are prone to get ice impacts to the propeller, which causes additional torque and slows the propeller down. In heavy and continuous ice contact, depending on the inertia and over torque capacity of the main engines, the propeller can slow down significantly. Even with diesel-electric machinery the power of the main engine(s) will drop suddenly. To keep the ship moving efficiently through the ice and to avoid getting stuck, the propulsion power must be restored quickly after the ice contact is over. The purpose of using electric energy storages is to balance out the load fluctuation experienced by the ship's propulsion plant, caused by ice block impacts on the propeller(s). This allows the prime mover s) to operate at constant power and optimum load. This reduces fuel oil consumption, emissions and wear and tear of the prime mover(s) as well as improves the acceleration and dynamic response of the vessel. The use of lead-acid and lithium-ion batteries as well as super capacitors and fuel cells is studied. Also the combination of two energy storages and the use of a brake resistor are investigated. The overall characteristics of the energy storages and the total cost of an energy storage system are compared to gained advantages in ship operation. A sensitivity analysis is included in the total cost analysis, where several profitability scenarios with changes in investment interest rate and fuel oil price increases are investigated. Available ice load measurement data is used to calculate and evaluate the required energy and power amount to successfully balance out the majority of the load fluctuations experienced by the ship's propulsion plant and reduce the greater load spikes. On the ground of the study, the optimal solution is chosen and the technical and economic feasibility of it is addressed.Tässä diplomityössä tutkitaan sähköisten energiavarastojen käyttöä propulsiotehon tasaukseen jäänmurtajissa, jotka operoivat dieselsähköisellä propulsiovoimalaitoksella. Laivat, jotka operoivat jääolosuhteissa ovat alttiita potkurien jääiskuille. Tämä aiheuttaa lisävääntömomenttia ja hidastaa potkuria. Kovissa ja jatkuvissa jääolosuhteissa, pääkoneistojen inertiasta ja ylimomenttikapasiteetista riippuen, potkuri hidastuu merkittävästi. Jopa dieselsähköisellä koneistolla pääkoneiden teho laskee yhtäkkisesti. Jotta laiva jatkaisi liikkumista jäiden läpi sujuvasti ja jotta vältyttäisiin jäämästä kiinni jäihin, propulsioteho täytyy palautua nopeasti jääkontaktin ollessa ohi. Sähköisten energiapankkien käytön tarkoituksena on tasata laivan propulsiovoimalaitoksen kokemat kuormanvaihtelut, sallien sen toimia vakioteholla ja optimaalisella kuormituksella. Tämä vähentää polttoaineen kulutusta, päästöjä sekä pääkoneiden kulumista samalla parantaen laivan kiihdytyskykyä ja dynaamista vastetta. Lyijy- ja litium-ioni-akkujen sekä superkondensaattoreiden ja polttokennojen käyttöä tutkitaan. Myös kahden erillisen energiavaraston yhdistelmää ja jarruvastuksen käyttöä selvitetään. Energiavarastojen yleisiä ominaisuuksia ja järjestelmän kokonaishintaa verrataan laivan operoinnissa saavutettuihin etuihin. Kokonaiskustannusanalyysiin on sisällytetty herkkyysanalyysi, jossa useita eri kannattavuusskenaarioita on tutkittu muuttamalla investoinnin korkotasoa sekä polttoaineen hinnan nousua. Saatavilla olevaa jääkuormien mittausdataa käytetään tarvittavien energia- ja tehoreservien laskemiseen ja arvioimiseen, joilla voidaan onnistuneesti tasata laivan propulsiovoimalaitoksen kokema kuormanvaihtelu ja pienentää kuormapiikkien kokoa. Työn perusteella valitaan optimaalinen ratkaisu ja sen teknis-taloudellista toteutuskykyä tutkitaan.Description
Supervisor
Kujala, PenttiThesis advisor
Hänninen, SamuliKeywords
icebreaker, jäänmurtaja, diesel-electric, dieselsähköinen, energy storage, energiapankki, power balancing, tehon tasaus, peak shaving, tehonhuippujen tasaus