Electric solutions enabling zero emission ferry

Flere ferger må drives av elektrisitet for å nå målet om flere nullutslippsferger. Fergen har elektriske energilagre som lades opp under landligge og tappes ned under overfarten. For å unngå energitap må denne overføringen ha færrest mulig komponenter som genererer tap, og den må være robust for å unngå forsinkelser og driftsstans på fergesambandet. Den elektriske energien må konverteres fra vekselstrøm på land til likestrøm på batterier. I dette prosjektet har vi forsket på å gjøre denne konverteringen mer effektiv, billigere og mer robust sammenlignet med dagens løsninger. Vi har verifisert tapene som er blitt eliminert, og fjernet en konvertering. Dermed har man fjernet en betydelig kost og redusert sannsynligheten for feil og nedetid. Energitapet via batteri er redusert ved å effektivisere energikonverteringen. Det første anlegget er levert, og er i drift. Energilageret i fergen består av batterier. Batteriene i en nullutslippsferge er det største kostandsbidraget i det elektriske systemet. For å kunne øke antall nullutslippsferger i en global sammenheng er kostanden på batteriene en avgjørende faktor. I prosjektethar vi vurdert om masseproduserte batterier for landbasert bruk kunne brukes i maritimt segment. Kravet til maritime applikasjoner sammenlignet med applikasjoner for masseproduksjonsmarkedet er betydelig høyere. Vi så derfor på en maritim plattform for masseproduksjonsbatterier som kunne både redusere batteriprisen og øke kvaliteten på batteriene i skip. Plattformen måtte også være fleksibel slik at man kan introdusere nye typer batterier, fordi batteriteknologi utvikler seg raskt. Prosjektet har utviklet en prototype. På denne ble det gjennomført tester som fokuserte på sikkerhet, effektivitet og robusthet. Utstyret ble testet både på sikkerhet og at det er godkjent for et marint miljø. Sikkerhetstesten ble bevitnet og godkjent av DNV GL og Norsk Sjøfart. Første leveranse av produktet: februar 2019. Det er behov for to drivlinjer og to batteri-banker i fergene for å unngå driftsstans og opprettholde sikkerhet i feilscenarier. Når en ferge går frem og tilbake i et samband har de to drivlinjene ulike energibehov. Dersom batterilagrene utsettes for ulik energiutlading vil dette kreve overdimensjonerte batterier og redusere levetiden. Det er derfor gunstig at det elektriske systemet er koblet sammen for at lastprofilen og brukssyklusen blir lik på de to (eller flere) energilagrene. Samtidig er det viktig at fergen opprettholder minst én drivlinje ved verste feilscenario. Dersom fergen mistet begge drivlinjene ville dette potensielt føre til kollisjon, materielle og menneskelige skader, og i verste fall dødsfall. Det er en utfordring å koble sammen energilagrene og samtidig beskytte seg mot feilscenarier. I prosjektet ble det utviklet sikkerhetskomponenter som gjør det mulig å skille drivlinjene og energilageret før en eventuell feil påvirker den andre drivlinjen. Løsningen er enkel, robust, kostnadseffektiv og sikker. Samtidig ble spesielle algoritmer utvilklet for å kontrollere at alle batteriene belastes likt. Det har blitt gjennomført simuleringer og software-testing, samt teoretiske beregninger av beskyttelsesfunksjoner samt testing på en fullskala prototype. Det første anlegget er levert og i drift i 2018. Selve kraftsystemet i nullutslippsfergene består av flere konverteringer av kraft fra land via batteri til propell. Energien som forsvinner i kraftoverføringer, og antall feil som kan oppstå i forbindelse med kraftoverføring, øker med antall ledd som elektrisiteten skal gjennom. I prosjektet utviklet vi systemoppsett og komponenter som øker energieffektiviteten for kraftsystemet. Ved å utvikle passive kraftelektronikk-elementer og redusere antall konverteringer kan man potensielt redusere tap i overføringene med 50 prosent. Mindre energitap gjør at vi kan redusere størrelsen på energilageret og få en nullutslippsferge som blir rimeligere både i investeringsfasen og gjennom livssyklusen. I prosjektet er det gjennomført teoretiske simuleringer og testing på en prototype. Første leveranse er i februar 2019 hvor en vil kunne verifisere resultatene i drift.

With this project RRM has been enabled to deliver energy storage as a part of the total electric system. The market for marine energy storage and electrical/hybrid propulsion for ships is expected to grow significantly in the coming years. The company will continue to support energy storage development, and a new division called Energy Storage has been created. The division will conduct research on battery technology, develop new products and deliver solutions to customers. The local competence on battery technology and the development of energy storage for maritime usage has increased and will be strengthen through continuous development of energy storage solutions within the company. It is expected that realizing the innovations combined with the advantages provided by Rolls-Royce novel power system will boost ferry production in Norway.

The electric system as a whole or its sub-systems or components will be applicable for several classes of ferries, including double-ended ferries, Ro-Pax and cruise ferries. The project activities corresponding to the system parts are: - Low-cost energy storage - Power management system with intelligent energy balancing - Low-cost and high efficiency charging system - Optimized on-board distribution system Further activities cover: - approval and testing, - results dissemination and patenting Important activity is cooperation with 'Ocean Space Exploration Vessel' programme, which implies technology transfer and cross-implementation of ideas and concepts. The innovations will enable value creation through improved operational efficiency and reduced purchase and installation costs. This will lead to cost savings and a reduction or complete removal of local emissions. This makes the overall environmental effect of the innovations quite high; for example, the expected annual CO2 emissions reduction per ferry would be 550-600 tons. Assuming an installation rate of 10-15 ferries per year, the total reduction in CO2 emissions would be equivalent to 5,800 - 8,700 tons/year.