Διερεύνηση Σχεδίου Βελτιστοποιημένης Λειτουργίας Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας Πλοίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος 2012-2013 στον τομέα Ναυτικής Μηχανολογίας της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π.. Αντικείμενό της είναι η πλήρης διερεύνηση ενός σχεδίου βελτιστοποιημένης λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήματος του πλοίου, το οποίο θα λαμβάνει πληροφορίες ανατροφοδότησης από το αποτέλεσμα του Λειτουργικού Δείκτη Βελτιστοποιημένης Λειτουργίας του Πλοίου-Energy Efficiency Operational Indicator- (EEOI). Αρχικά γίνεται εκτενής αναφορά στην σημασία της ναυτιλίας στην παγκόσμια οικονομία και στις διεθνής μεταφορές, καθώς και στο συνεχή αυξανόμενο αριθμό του παγκόσμιου στόλου. Στη συνέχεια ακολουθεί η παρουσίαση των παραγώμενων αέριων ρύπων των πλοίων και οι βλαβερές συνέπειές τους στο περιβάλλον και στην υγεία των ανθρώπων. Ως θεσμοθετημένες δράσεις περιορισμού των συνεπειών αναφέρονται, το σύμφωνο του Κιότο και η διεθνής σύμβαση για τη πρόληψη της ρύπανσης στη θάλασσα, γνωστή και ως MARPOL, που έχει προκύψει από τις συνεδριάσεις του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού-International Maritime Organization (IMO). Εκεί προσδιορίζονται με κάθε λεπτομέρεια οι δεσμεύσεις για πλεύση σε περιοχές ελεγχόμενων ρύπων-Emission Control Areas (ECA) καθώς επίσης τα επιτρεπτά όρια αέριων ρύπων SOx και NOx σε αυτές τις περιοχές μαζί με τις περιεκτικότητες των ναυτιλιακών καυσίμων σε θείο. Ακολουθεί η παρουσίαση και άλλων νεότερων κανονισμών για τη μείωση των αερίων του θερμοκηπίου και κυρίως του CO2, που αναφέρονται στην υποχρεωτική εφαρμογή δεικτών και σχεδίων ενεργειακής αποδοτικότητας όπως οι EEDI, EEOI(δεν είναι υποχρεωτικός) και SEEMP. Επιπρόσθετα κατατίθονται και οι αναλυτικοί τρόποι υπολογισμού των δεικτών καθώς και προτάσεις εφαρμογής του πλάνου SEEMP, όπως αυτό προτείνεται από τον IMO, LR και DNV. Στο δεύτερο κεφάλαιο καταδεικνύεται η σημαντικότητα των ηλεκτρικών συστημάτων του πλοίου και η ραγδαία αύξηση της ανάγκης για ρεύμα (λόγω ηλεκτροπρόωσης και γενικότερου εξηλεκτρισμού των πλοίων). Εκτενής ανάλυση γίνεται και στα αποτελούμενα μέρη ενός ηλεκτρολογικού συστήματος πλοίου καθώς και στους κανονισμούς (standards κατά GL) που διέπουν τη λειτουργία τους. Σημαντικό κομμάτι της εργασίας είναι και αυτό που αναφέρεται στη βελτιστοποίηση των ηλεκτρολογικών υποσυστημάτων του πλοίου, δηλαδή στα υποσυστήματα Παραγωγής Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPG), Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPD), Καταναλωτών Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPC) και Διαχείρησης και Ελέγχου Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPMACS) και πως αυτά είναι εφαρμόσιμα κατά τα στάδια της σχεδίασης και λειτουργίας του ηλεκτρολογικού συστήματος του πλοίου. Μείζονος σημασίας στη βελτιστοποίηση του Σ.Η.Ε. είναι η γνώση του λειτουργικού δείκτη ενεργειακής αποδοτικότητας όχι μόνο κατά τη διάρκεια ταξιδιού, όπως μέχρι τώρα υπολογίζεται, αλλά και κατά τη διάρκεια άλλων καταστάσεων, όπως αγκυροβόλιου και φόρτωσης/εκφόρτωσης. Αυτό, για να δημιουργείται μια σφαιρικότερη εκτίμηση του δείκτη και της αποδοτικότητας του καταναλισκόμενου καυσίμου. Έτσι κατασκευάστηκε αλγόριθμος υπολογισμού του EEOI(trip) και για τη μεικτή κατάσταση του EEOI(trip/anchorage/loading). Το πρόγραμμα υπολογισμού που προέκυψε δοκιμάστηκε για τρία φορτηγά πλοία (PANAMAX, SUPRAMAX, HANDYSIZE) για έξι συνολικά ταξίδια που έχουν εκτελέσει και με δεδομένα που εξασφαλίστηκαν από τις ημερήσιες αναφορές (daily reports) των πληρωμάτων των πλοίων προς την ιδιοκτήτρια εταιρία. Τα αποτελέσματα αυτά σε συνδυασμό με τα συμπεράσματα του αναλυτικού παραδείγματος βελτιστοποιημένης λειτουργίας των υποσυστημάτων παραγωγής και ελέγχου ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου Ro-Ro, είναι σημαντικά στην κατάστρωση ενός ολοκληρωμένου σχεδίου ενεργειακής αποδοτικότητας (SEEMP). Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια ανασκόπηση της έρευνας που έγινε και εκτίθενται τα σημαντικότερα συμπεράσματα που εξήχθησαν. Επιπλέον, παρατίθενται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα χρησιμοποιώντας πιθανόν κάποια από τα αποτελέσματα της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Για διευκρινιστικές πληροφορίες γύρω από τις χρησιμοποιούμενες συντομογραφίες, παρατίθεται πίνακας συντομογραφιών του παραρτήματος στη σελίδα: 80 της παρούσας διπλωματικής εργασίας.

This thesis was carried during the academic year 2012-2013 in School of Naval Architecture and Marine Engineering in division of Marine Engineering in National Technical University of Athens. The aim of this thesis is the apposition of a fully explored plan in optimized operation of the electrical system of the ship. This plan will be developed in relation to the results of the Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI). Initially a comprehensive reference is made to the importance of shipping in the global economy and international transport, and the continuous growing number of the world fleet. This was followed by the presentation of the derived air pollutants of the ships and their harmful effects on the environment and human health. As measures to reduce the consiquenses, were reported, the Kyoto Agreement and the International Convention for the Prevention of the Pollution at Sea, known as MARPOL, which has emerged from the meeting of the IMO. There are identified the commitements for navigation in ECA areas, as well as the permissible limits of the air pollutants SOx and NOx in these areas along with the levels of fuel sulfur. The following presentation also includes more newer regulations for the air pollutants, which are responsible for the Green House Effect (GHE) and mainly the CO2 pollutant. Also the mandatory application of indicators and energy efficiency projects such as EEDI, EEOI (not mandatory) and SEEMP. Moreover, filed analytical methods for the calculation of the indicators and contains suggestions for implementation SEEMP as proposed by IMO, LR and DNV. The second chapter shows the importance of electrical systems of the ship and the rapid increase of electric power (due to electric propulsion system and general electrification of vessels). Furthermore, extensive analysis is composed in the ship’s electrical system and the regulations (standards by GL) governing their operation. An important part of this thesis analyses the methods of ship electrical subsystems optimization, such as EPG, EPD, EPC, EPMACS and how they are applicable during the process of design and operation of the electrical system of a ship. Major meaning in the optimization process of the SES, has the knowledge of Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI), not even during the trip of the ship but also in anchorage and loading/discharging condition. That was happened due to have a precise estimation of EEOI. So constructed a subroutine for calculating the EEOI(trip) and another one for the calculation of the EEOI(trip/anchorage/loading). The algorithm was excecuted for three bulk carriers (PANAMAX, SUPRAMAX, HANDYSIZE) and for six different voyages, which has been acquired trip information from the shipping company daily reports. These results combined with the analytic example, which mention the optimisation conclusions of electric power generation and control subsystems of a Ro-Ro ship, are crucial for the SEEMP design. Finally, in chapter number four there is an overview of the research have been done and some important conclusions are exposed. Also there are proposals for further research based on this thesis. For clarifying information about the used syntomographies, table of abbreviations is stated on page: 80 of this thesis.