DC vs. Variable Frequency AC : a grid comparison for a marine modular energy system
Jerohin, Aleksi (2021)
Jerohin, Aleksi
2021
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021121726709
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2021121726709
Tiivistelmä
Tämä opinnäytetyö on tehty osana ylempää ammattikorkeakoulututkintoa Novia UAS koulutusohjelmassa Master in Autonomous Maritime Operations. Tutkielman toimeksiantaja on Wärtsilä Oyj Abp.
Lopputyön tavoite on ehdottaa soveltuvaa verkkoratkaisua alusten modulaariselle energialähderatkaisulle. Tutkielmassa verrataan tasajänniteverkkoa (DC) ja taajuudeltaan vaihtelevaa vaihtosähköverkkoa (AC). Vertailu on tehty sähköisen propulsion omaavan 150 m pitkän RoLo aluksen pohjalta.
Energiamoduulien kehikkona on käytetty 40 jalan High Cube standardi merikonttia, jonka etuna on maailmankattava logistiikkaketju. Sähköverkon soveltuvuutta modulaarisuuteen on tutkittu dieselgeneraattori-, polttokenno- ja akustomoduulien kautta, joskin modulaariseen energiaratkaisuun soveltuu kaikki sähköiseen muotoon muutettavat energianlähteet.
Tutkittujen sähköverkkoratkaisujen päävertailukohtina on käytetty energiatehokkuutta, redundanssia, vaihdettavuutta sekä eri energialähteiden kytkettävyyttä. Valittujen vertailukohtien perusteena on soveltuvuus sekä nykypäivän uudisrakennuksille, että tulevaisuuden rajoitetusti miehitetyille sekä miehittämättömille aluksille. Sähköverkkorakenteet pohjautuvat todellisiin laitteisiin ja energialähteisiin. Tehokkuusvertailussa rakenneosien hyötysuhteet perustuvat toimittajilta saatuihin häviötietoihin eri kuormitustilanteissa.
Tutkielman lopputuloksena soveltuvana verkkoratkaisuna modulaariselle energiaratkaisulle ehdotetaan DC verkkoa joka jättää taakseen muuttuvan taajuuden AC verkon energiatehokkuudessa, redundanssissa sekä useimpien energialähteiden liitettävyydessä.
Muuttuvan taajuuden AC verkko osoittautuu kuitenkin varteenotettavaksi vaihtoehdoksi dieselgeneraattori käytöllä. Pääverkon taajuuden sallitaan muuttuvan, sillä herkät laitteet syötetään stabilisoitujen muuttajien kautta. Tämä mahdollistaa vaihtokierrosluvullisten dieselgeneraattoreiden käyttöä joka puolestaan tuo huomattavia polttoainesäästöjä. This study has been made as a part of the master’s studies in Autonomous Maritime Operations at Novia University of Applied Sciences. The client of the study is Wärtsilä Oyj Abp.
The aim of this thesis is to propose a suitable electrical grid for a marine modular energy source concept. The studied grid types are Direct Current (DC) and variable frequency Alternating Current (AC). The example vessel in this study is a 150 m combined Roll-on/roll-off and Lift-on/lift-off cargo vessel (RoLo) with electric propulsion.
The energy module size investigated is a standard 40 ft high cube shipping container due to the existing worldwide logistic chain. To evaluate the electrical grid, Genset, fuel cell and battery modules have been investigated as energy sources. Though, the modular energy concept adopts all energy sources that can be converted to electricity.
The key point of comparison for the grid types are energy efficiency, redundancy, replaceability and adoption of various energy sources. These criteria have been chosen due to their value for both today’s vessels as well as future unmanned and reduced manned vessels.
The grid designs are based on existing components and existing energy sources. The efficiency numbers at different load conditions are based on data received from component manufacturers.
The thesis shows that the DC grid is the preferred alternative for a modular energy source concept. The DC grid benefits from higher efficiency, redundancy and adoption of most energy sources.
However, the investigated variable frequency AC grid is a worthy competitor for a Genset solution. As the frequency for sensitive consumers is stabilized, it is allowed to vary for the main grid. This enables the use of variable speed Gensets with reduced Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) also for the AC grid. Denna studie har gjorts som slutavhandling vid Yrkeshögskolan Novia, utbildningsprogrammet Master in Autonomous Maritime Operations. Studiens beställare är Wärtsilä Oyj Abp.
Målet med slutarbetet är att föreslå en lämplig elnätslösning för ett koncept med marina modulära kraftkällor. I avhandlingen jämförs likströms nät (DC) och växelströms nät (AC) med variabel frekvens. Elnäten har jämförts utgående från ett exempel fartyget, en 150 m långt RoLo fraktfartyg med elektrisk framdrift.
Energimodulerna i denna studie har är monterade i standard 40 fots High Cube fartygscontainrar, eftersom fartygscontainern har en befintlig världsomfattande logistik-kedja. För att jämföra elnätstypernas egenskaper med betoning på modularitet, har dieselgenerator-, bränslecell- och batteri-moduler undersökts. Det modulära konceptet kan dock anpassas till alla energikällor som kan konverteras till elektricitet.
Utgångspunkter för designen har varit energieffektivitet, redundans, utbytbarhet och möjligheten att ansluta olika energikällor. Dessa kriterier har valts med tanke på fördelarna både för nutida nybyggen som för framtida obemannade och begränsat bemannade fartyg. Elnätsdesignen har byggts upp kring befintliga komponenter och befintliga energikällor. Verkningsgraderna som använts i denna studie är baserade på förlust-data uppgivna av komponenttillverkarna vid olika driftlägen.
Resultatet av studien är att likströmsnätet är det föreslagna alternativet för ett koncept med modulära energikällor. Likströmsnätet visar fördelar inom energi effektivitet, redundans och anpassning till olika energikällor.
AC nätet med variabel frekvens visar sig dock vara ett konkurrenskraftigt alternativ för ett dieselgenerator upplägg. Eftersom känslig utrustning matas via stabiliserande omvandlare kan huvudnätets frekvens och spänning tillåtas variera, varvid även AC nätet kan dra nytta av dieselgeneratorer med variabelt varvtal och därmed reducerad bränsleförbrukning.
Lopputyön tavoite on ehdottaa soveltuvaa verkkoratkaisua alusten modulaariselle energialähderatkaisulle. Tutkielmassa verrataan tasajänniteverkkoa (DC) ja taajuudeltaan vaihtelevaa vaihtosähköverkkoa (AC). Vertailu on tehty sähköisen propulsion omaavan 150 m pitkän RoLo aluksen pohjalta.
Energiamoduulien kehikkona on käytetty 40 jalan High Cube standardi merikonttia, jonka etuna on maailmankattava logistiikkaketju. Sähköverkon soveltuvuutta modulaarisuuteen on tutkittu dieselgeneraattori-, polttokenno- ja akustomoduulien kautta, joskin modulaariseen energiaratkaisuun soveltuu kaikki sähköiseen muotoon muutettavat energianlähteet.
Tutkittujen sähköverkkoratkaisujen päävertailukohtina on käytetty energiatehokkuutta, redundanssia, vaihdettavuutta sekä eri energialähteiden kytkettävyyttä. Valittujen vertailukohtien perusteena on soveltuvuus sekä nykypäivän uudisrakennuksille, että tulevaisuuden rajoitetusti miehitetyille sekä miehittämättömille aluksille. Sähköverkkorakenteet pohjautuvat todellisiin laitteisiin ja energialähteisiin. Tehokkuusvertailussa rakenneosien hyötysuhteet perustuvat toimittajilta saatuihin häviötietoihin eri kuormitustilanteissa.
Tutkielman lopputuloksena soveltuvana verkkoratkaisuna modulaariselle energiaratkaisulle ehdotetaan DC verkkoa joka jättää taakseen muuttuvan taajuuden AC verkon energiatehokkuudessa, redundanssissa sekä useimpien energialähteiden liitettävyydessä.
Muuttuvan taajuuden AC verkko osoittautuu kuitenkin varteenotettavaksi vaihtoehdoksi dieselgeneraattori käytöllä. Pääverkon taajuuden sallitaan muuttuvan, sillä herkät laitteet syötetään stabilisoitujen muuttajien kautta. Tämä mahdollistaa vaihtokierrosluvullisten dieselgeneraattoreiden käyttöä joka puolestaan tuo huomattavia polttoainesäästöjä.
The aim of this thesis is to propose a suitable electrical grid for a marine modular energy source concept. The studied grid types are Direct Current (DC) and variable frequency Alternating Current (AC). The example vessel in this study is a 150 m combined Roll-on/roll-off and Lift-on/lift-off cargo vessel (RoLo) with electric propulsion.
The energy module size investigated is a standard 40 ft high cube shipping container due to the existing worldwide logistic chain. To evaluate the electrical grid, Genset, fuel cell and battery modules have been investigated as energy sources. Though, the modular energy concept adopts all energy sources that can be converted to electricity.
The key point of comparison for the grid types are energy efficiency, redundancy, replaceability and adoption of various energy sources. These criteria have been chosen due to their value for both today’s vessels as well as future unmanned and reduced manned vessels.
The grid designs are based on existing components and existing energy sources. The efficiency numbers at different load conditions are based on data received from component manufacturers.
The thesis shows that the DC grid is the preferred alternative for a modular energy source concept. The DC grid benefits from higher efficiency, redundancy and adoption of most energy sources.
However, the investigated variable frequency AC grid is a worthy competitor for a Genset solution. As the frequency for sensitive consumers is stabilized, it is allowed to vary for the main grid. This enables the use of variable speed Gensets with reduced Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) also for the AC grid.
Målet med slutarbetet är att föreslå en lämplig elnätslösning för ett koncept med marina modulära kraftkällor. I avhandlingen jämförs likströms nät (DC) och växelströms nät (AC) med variabel frekvens. Elnäten har jämförts utgående från ett exempel fartyget, en 150 m långt RoLo fraktfartyg med elektrisk framdrift.
Energimodulerna i denna studie har är monterade i standard 40 fots High Cube fartygscontainrar, eftersom fartygscontainern har en befintlig världsomfattande logistik-kedja. För att jämföra elnätstypernas egenskaper med betoning på modularitet, har dieselgenerator-, bränslecell- och batteri-moduler undersökts. Det modulära konceptet kan dock anpassas till alla energikällor som kan konverteras till elektricitet.
Utgångspunkter för designen har varit energieffektivitet, redundans, utbytbarhet och möjligheten att ansluta olika energikällor. Dessa kriterier har valts med tanke på fördelarna både för nutida nybyggen som för framtida obemannade och begränsat bemannade fartyg. Elnätsdesignen har byggts upp kring befintliga komponenter och befintliga energikällor. Verkningsgraderna som använts i denna studie är baserade på förlust-data uppgivna av komponenttillverkarna vid olika driftlägen.
Resultatet av studien är att likströmsnätet är det föreslagna alternativet för ett koncept med modulära energikällor. Likströmsnätet visar fördelar inom energi effektivitet, redundans och anpassning till olika energikällor.
AC nätet med variabel frekvens visar sig dock vara ett konkurrenskraftigt alternativ för ett dieselgenerator upplägg. Eftersom känslig utrustning matas via stabiliserande omvandlare kan huvudnätets frekvens och spänning tillåtas variera, varvid även AC nätet kan dra nytta av dieselgeneratorer med variabelt varvtal och därmed reducerad bränsleförbrukning.