Prosjektnummer
901186
Hybrid energisystem for små fiskefartøyer
Ny kunnskap om hybridfartøy som er et bidrag til utvikling av kommersielle hybride fremdriftssystemer i fiskeflåten
Prosjektet har dokumentert batterihybridteknologi for den mindre kystfiskeflåten og konkluderer med følgende:
• Ved bruk av hybridteknologi reduseres gangtiden på dieselmotor (aggregat) med mellom 49–37 % avhengig av om mannskapet bruker dieselmotoren under kortere forflytninger på felt. Aggregatet går i all hovedsak under den energiintensive forflytningen til og fra fiskefeltet.
• Lydmålinger viser at støyen under arbeid på dekk reduseres fra et nivå på rundt 80 dB LAF til 60 dB LAF uten bruk av dieselmotor på felt. Dette kan sammenlignes med støyforskjellen mellom veikanten ved en motorvei og lyden i en stue med tv på.
• M/S Karoline holdt marsjfart med fremdriftseffekt økt til 100 kW etter å ha fått satt inn større, mer saktegående propell og høyere moment på elektrisk fremdriftsmotor. Etter ombygging bruker fartøyet tidvis mer energi under gange, men marsjfarten er lik. Etter ombygging kan fartøyet kompensere for motstand i varierende vær.
• Energiforbruket til Karoline er etter ombygging rundt 480 kWh pr sjøvær, og fartøyet i dag utstyrt med et batteri med 120 kWh utnyttbar energi. En annen energibærer enn batterier er nødvendig for å dekke energibehovet, men alternativer til diesel er mulig når fartøyet er utstyrt med et elektrisk fremdriftssystem.
• Karolines dieselmotor kjører med tilnærmet konstant belastning i seriehybridløsningen. Motoren belastes etter ombygging 60 % (80 av 132 kW). Snittforbruk for generering av elektrisk energi er estimert til 250 g/kWh basert på innkjøpt drivstoff til fartøyet og målt elektrisk energi ut fra generator. Dette tilsvarer et konstant forbruk på 24 liter/time. Samtidig frakter fartøyet med seg 120 kWh fra landstrøm, hvis landstrømmen regnes inn blir forbruket 199 gram diesel for hver forbrukte kWh.
• Effektbelastningen under fiske tilsvarer rundt 15–20 kW (15 % last på dieselmotoren som har oppgitt maks belastning på 132 kW). Energibehovet for hydraulikk og sidepropeller er begrenset. Elektrifisering av dekksutstyr, eller hydraulikkpumpe, kombinert med batteri vil fjerne behovet for å kjøre hovedmotor for å bruke fartøyets dekksmaskineri.
• Ved bruk av hybridteknologi reduseres gangtiden på dieselmotor (aggregat) med mellom 49–37 % avhengig av om mannskapet bruker dieselmotoren under kortere forflytninger på felt. Aggregatet går i all hovedsak under den energiintensive forflytningen til og fra fiskefeltet.
• Lydmålinger viser at støyen under arbeid på dekk reduseres fra et nivå på rundt 80 dB LAF til 60 dB LAF uten bruk av dieselmotor på felt. Dette kan sammenlignes med støyforskjellen mellom veikanten ved en motorvei og lyden i en stue med tv på.
• M/S Karoline holdt marsjfart med fremdriftseffekt økt til 100 kW etter å ha fått satt inn større, mer saktegående propell og høyere moment på elektrisk fremdriftsmotor. Etter ombygging bruker fartøyet tidvis mer energi under gange, men marsjfarten er lik. Etter ombygging kan fartøyet kompensere for motstand i varierende vær.
• Energiforbruket til Karoline er etter ombygging rundt 480 kWh pr sjøvær, og fartøyet i dag utstyrt med et batteri med 120 kWh utnyttbar energi. En annen energibærer enn batterier er nødvendig for å dekke energibehovet, men alternativer til diesel er mulig når fartøyet er utstyrt med et elektrisk fremdriftssystem.
• Karolines dieselmotor kjører med tilnærmet konstant belastning i seriehybridløsningen. Motoren belastes etter ombygging 60 % (80 av 132 kW). Snittforbruk for generering av elektrisk energi er estimert til 250 g/kWh basert på innkjøpt drivstoff til fartøyet og målt elektrisk energi ut fra generator. Dette tilsvarer et konstant forbruk på 24 liter/time. Samtidig frakter fartøyet med seg 120 kWh fra landstrøm, hvis landstrømmen regnes inn blir forbruket 199 gram diesel for hver forbrukte kWh.
• Effektbelastningen under fiske tilsvarer rundt 15–20 kW (15 % last på dieselmotoren som har oppgitt maks belastning på 132 kW). Energibehovet for hydraulikk og sidepropeller er begrenset. Elektrifisering av dekksutstyr, eller hydraulikkpumpe, kombinert med batteri vil fjerne behovet for å kjøre hovedmotor for å bruke fartøyets dekksmaskineri.
Sammendrag av resultater fra prosjektets faglige sluttrapport (diskusjon og konklusjon)
M/S Karoline er bygget som den første batterihybride kystfiskebåten og ble bygget før erfaringer fra praktisk bruk av elektriske fremdriftssystem og batteri i fiske var tilgjengelig. Karoline ble levert til en fisker sommeren 2015, knappe 2 år etter at Tesla leverte første Model S i Norge. Fartøyets praktiske funksjon er ikke ulik et konvensjonelt fartøy av samme type, men fartøyet måtte gjennomgå en ombygging i prosjektperioden for å få tilfredsstillende ytelse i gange i dårlig vær. Tidlige data i prosjektet viste at fartøyet brukte mye batterikapasitet på hurtig forflytning på feltet mellom garnlenker eller under skyting av garn. Under ombyggingen ble det installert en bryter på dekk som gjorde start og stopp av dieselaggregatet mulig utenfor styrhuset. Dette førte til en 10 % relativ økning (5 % absolutt økning) i bruken av dieselgeneratoren.
Et batterihybrid fremdriftssystem gir størst fordeler i arbeidsmiljøet hvor det i prosjektet er dokumentert vesentlig lavere støynivå om bord enn på tilsvarende fartøy med konvensjonelt fremdriftssystem. Under haling av garn og arbeid på dekk så er dieselaggregatet stoppet. Støymålingene tidligere i denne rapporten viser to hovedfunn: Støy i arbeidsmiljøet er redusert fra om lag 80 db til i underkant av 60 db. Normalt kan 80 db sammenlignes ved å stå ved en trafikkert vei, mens 60 db er som støynivået på et kontor. Lyd forplantes med vibrasjoner og lydmålingene viser dermed også at vibrasjonsnivået om bord er sterkt redusert, noe som også bidrar til et forbedret arbeidsmiljø. Mannskapet har med start/stop funksjonen for dieselgeneratoren på dekk en mulighet til å slippe dieseleksos når de måtte ønske det, selv om bruken av generatoren har økt etter installasjonen av bryteren. Selv om dieselgeneratoren nå benyttes under forflytning mellom garnlenker og under skyting av garnlenker så er arbeidsdagen i all hovedsak uten eksponering for dieseleksos.
Ombordmålingsprogrammet sammen med det elektriske energisystemet har gitt en god oversikt over fartøyets forbruk av energi. Som ventet er det i all hovedsak transitt som er energikrevende, men effekt- og energibehovet til sidepropeller og hydraulikk viser seg å være svært lavt. Dette burde gi muligheter for å dimensjonere elektrisk dekksmaskineri, eller i det minste elektriske hydraulikkpumper, sammen med batteripakker for bruk i kystfiske.
Drivstoffeffektiviteten til Karoline i forhold til sammenlignbare fartøy er det vanskelig å gi et definitivt svar på. Konvertering av mekanisk energi fra et dieselaggregat til elektrisk energi i et dieselelektrisk system vil ha et typisk tap på rundt 10 %. Det hybride motorsystemet på Karoline vil derfor være mindre effektivt enn ved en tenkt situasjon hvor Karolines aggregat drev en propellaksling med samme konstante effektbehov, relativt til det ideelle forbruket til ved direktedrift med Volvo Penta D4-180 så er tapet på 16 %. Dieselaggregatet til Karoline er ikke sammenlignbar med motorene i fartøy med samme skrog, men med konvensjonell fremdrift. Karolines aggregat går med fast belastning og har lavere effekt (132 kW mot 213 kW) enn fremdriftsmotoren i sammenlignbare fartøy. (Karoline benytter en Volvo Penta D4-180 (134 kW), mens sammenlignbare fartøy har benyttet Cummins QSL 8.9 (213 kW)). Karolines elektriske fremdriftsmotor begrenser maksimal fremdriftseffekt til 100 kW. Forbruk for diesel rapportert fra Karolines motorcomputer er ikke nevneverdig forskjellig fra forbruk rapportert av motorcomputere til to fartøy med samme skrogform, men med konvensjonelle fremdriftssystem. Det kan dermed tenkes at Karoline tidvis går med noe lavere fart enn konvensjonelle fartøy når påkrevd effekt for å holde farten overskrider 100 kW, og besparelsen man vil oppleve ved å senke farten kompenserer for tap i energikonvertering.
Det man med sikkerhet kan si er at Karolines dieselaggregatet er stoppet i om lag 3–3,5 timer av et sjøvær på 8–9 timer, dette fører til en besparelse på drivstoff under fisket på feltet og en reduksjon av oljeforbruk, gangtid og vedlikeholdsbehov. Besparelsen av drivstoff skjer i den minst energikrevende fasen og må sammenlignes med forbruket fremdriftsmotoren på konvensjonelle fartøy behøver under selve fisket.
Prosjektet har vært finansiert gjennom Norges forskningsråd med delfinansiering fra bl.a. FHF. Førstnevnte har hatt ansvaret for å kvalitetssikre prosjektet faglig og administrativt. Prosjektet har egen prosjektside hos Forskningsrådet (Forskningsrådets prosjektnr. 245949) med supplerende informasjon.
Prosjektet har bidratt til å øke kunnskapen om hvordan hybridfartøy fungerer og hvordan de bør konstrueres. Utvikling og testing av M/S Karoline har således bidratt til utvikling av kommersielle hybride fremdriftssystem.
-
Sluttrapport: Hybrid fremdriftssystem for mindre fiskefartøy
SINTEF Nord AS. Rapport 2018:01157. 25. juni 2021. Av Karl Gunnar Aarsæther og Jørn Eldby.
Bakgrunnen for prosjektet er målet om redusert utslipp av klimagasser fra mindre fiskefartøyer og bedre arbeidsmiljø for fiskeren ombord.
Et foregående prosjektet “Utvikling av hybrid fremdriftssystem for fiskefartøyer: Forprosjekt” (FHF-900922) har vist at installasjon av en hybrid fremdriftsløsning med elektrisk drift av propell, dieselaggregat og batteri ombord for lading under landligge, kan nå målene for prosjektet. Forprosjektet baserte seg på teoretiske betraktninger som dokumenterte potensialene. Som del av hovedprosjektet, har Selfa Artic AS bygd en “hybridsjark”-prototype, som utgjør testplattformen for virkelige målinger under kommersielt fiske, av energiforbruk i forskjellige driftsmodi.
Prosjektet er et samspill mellom utvikler, fiskeren som har kjøpt det hybride fiskefartøyet, leverandører av energisystemer og dekksutrustning samt FoU-institusjoner.
Prosjektet utgjør en viktig del av FoU-organisasjonenes strategiske mål og planer. Spesielt gjelder dette virkelige energidata i lave fartsområder, og hvordan eksterne forhold påvirker energiforbruket.
Et foregående prosjektet “Utvikling av hybrid fremdriftssystem for fiskefartøyer: Forprosjekt” (FHF-900922) har vist at installasjon av en hybrid fremdriftsløsning med elektrisk drift av propell, dieselaggregat og batteri ombord for lading under landligge, kan nå målene for prosjektet. Forprosjektet baserte seg på teoretiske betraktninger som dokumenterte potensialene. Som del av hovedprosjektet, har Selfa Artic AS bygd en “hybridsjark”-prototype, som utgjør testplattformen for virkelige målinger under kommersielt fiske, av energiforbruk i forskjellige driftsmodi.
Prosjektet er et samspill mellom utvikler, fiskeren som har kjøpt det hybride fiskefartøyet, leverandører av energisystemer og dekksutrustning samt FoU-institusjoner.
Prosjektet utgjør en viktig del av FoU-organisasjonenes strategiske mål og planer. Spesielt gjelder dette virkelige energidata i lave fartsområder, og hvordan eksterne forhold påvirker energiforbruket.
• Å identifisere energiforbruket for det hybride fremdriftssystemet, dekksutrustning og andre forbrukskilder ombord, under driftsmodi som transitt, setting, venting og haling.
• Å identifisere optimal batterikapasitet i forhold til ønskede miljøeffekter.
• Å identifisere samlede drifts- og vedlikeholdskostnader med den hybride fremdriftsløsning og estimere investeringskostnader.
• Å identifisere optimal batterikapasitet i forhold til ønskede miljøeffekter.
• Å identifisere samlede drifts- og vedlikeholdskostnader med den hybride fremdriftsløsning og estimere investeringskostnader.
Kunnskap og data som genereres i prosjektet forventes å gi et realistisk bilde over effektene ved investeringer i mindre fiskefartøy med hybrid fremdriftsløsning. Data som genereres vil også være et vesentlig bidrag til videre utvikling av maskineri- og skrogmodeller for mindre fiskefartøyer.
En måloppnåelse vil gjøre det mulig for produsent og underleverandører og tilpasse løsninger for optimale hybride fremdriftsløsninger. Dette bidrar til å muliggjøre salg av slike løsninger på kommersiell basis i et større omfang. Informasjonen vil redusere usikkerheten rundt sikkerhet, operasjon og økonomi, vesentlig tilknyttet en bred introduksjon av slike løsninger til fiskere og andre potensielle brukere av slike løsninger. Prosjektet vil bidra til at norske produsenter av denne type fartøy, fremdrfitssystemer og dekksutrustning vil forbedre sin markedsposisjon.
En måloppnåelse vil gjøre det mulig for produsent og underleverandører og tilpasse løsninger for optimale hybride fremdriftsløsninger. Dette bidrar til å muliggjøre salg av slike løsninger på kommersiell basis i et større omfang. Informasjonen vil redusere usikkerheten rundt sikkerhet, operasjon og økonomi, vesentlig tilknyttet en bred introduksjon av slike løsninger til fiskere og andre potensielle brukere av slike løsninger. Prosjektet vil bidra til at norske produsenter av denne type fartøy, fremdrfitssystemer og dekksutrustning vil forbedre sin markedsposisjon.
Prosjektets hovedaktiviteter er:
• Etablering av måleprogram og opplegg rundt målinger under torske- og seifiske.
• On-line målinger og registreringer ombord. 4–5 fiskesesonger.
• Tilpasninger av det hybride energisystemet underveis.
• Testing av utvalgt dekksutrustning for elektrifisert drift.
• Løpende systematisering, analyse og rapportering av måledata og analyseresultater.
Prosjektet bygger på det gjennomførte forprosjektet, Verifiseringer av anvendte modeller og forutsetninger vil gjennomføres.
Prosjektorganisering
Prosjektet involverer Selfa Artic som utvikler og produsent av hybrid fiskebåt. Konsortiet som skal gjennomføre prosjektet består for øvrig av Siemens som utvikler og produsent av elektrisk fremdriftssystem, Hydema Syd som leverandør av dekksutrustning, og SINTEF som FoU-leverandør og ansvarlig for gjennomføring av måleprogram, analyser og prosjektledelse. I tillegg er fisker som eier av prototypen, leid inn for å stille båt tilgjengelig for gjennomføring av måleprogrammet under kommersielt fiske. Konsortiet representerer god komplementaritet og bred kompetanse og erfaring for sikring av et godt prosjektresultat.
Konsortiedeltakerne representerer styringsgruppen, og FHF deltar i som observatør for å sikre god kompetanseoverføring underveis i prosjektet.
• Etablering av måleprogram og opplegg rundt målinger under torske- og seifiske.
• On-line målinger og registreringer ombord. 4–5 fiskesesonger.
• Tilpasninger av det hybride energisystemet underveis.
• Testing av utvalgt dekksutrustning for elektrifisert drift.
• Løpende systematisering, analyse og rapportering av måledata og analyseresultater.
Prosjektet bygger på det gjennomførte forprosjektet, Verifiseringer av anvendte modeller og forutsetninger vil gjennomføres.
Prosjektorganisering
Prosjektet involverer Selfa Artic som utvikler og produsent av hybrid fiskebåt. Konsortiet som skal gjennomføre prosjektet består for øvrig av Siemens som utvikler og produsent av elektrisk fremdriftssystem, Hydema Syd som leverandør av dekksutrustning, og SINTEF som FoU-leverandør og ansvarlig for gjennomføring av måleprogram, analyser og prosjektledelse. I tillegg er fisker som eier av prototypen, leid inn for å stille båt tilgjengelig for gjennomføring av måleprogrammet under kommersielt fiske. Konsortiet representerer god komplementaritet og bred kompetanse og erfaring for sikring av et godt prosjektresultat.
Konsortiedeltakerne representerer styringsgruppen, og FHF deltar i som observatør for å sikre god kompetanseoverføring underveis i prosjektet.
Prototypen “M/S Karoline” er allerede godt kjent blant fiskere, politikere og i media generelt. Forskningsprosjektet, med partnere, er også annonsert i media. Det forventes derfor at løpende resultater fra prosjektet enkelt vil formidles bredt i næringen. Fagpresse, lokalpresse, utviklingsmiljøer og andre interessenter vil orienteres underveis på konferanser, gjennom pressemeldinger og annen aktiv informasjonsspredning, når styringsgruppen mener dette er formålstjenelig.
-
Sluttrapport: Hybrid fremdriftssystem for mindre fiskefartøy
SINTEF Nord AS. Rapport 2018:01157. 25. juni 2021. Av Karl Gunnar Aarsæther og Jørn Eldby.