Σύγκριση Υβριδικής Ντηζελοηλεκτρικής Πρόωσης και Συμβατικής Πρόωσης σε επιβατηγό πλοίο μέσω παραμετροποιημένων μοντέλων

Abstract

Στη παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρήθηκε να συγκριθούν η συμβατική με την υβριδική ντηζελοηλεκτρική πρόωση των πλοίων. Στη σύγχρονη εποχή παρατηρείται μία συνεχώς αυξανόμενη τάση για τον εξηλεκτρισμό των πλοίων. Στην υβριδική ντηζελοηλεκτρική πρόωση εν προκειμένω, οι συμβατικοί κινητήρες Ντήζελ (Diesel) δεν κινούν απ' ευθείας τους έλικες του πλοίου όπως στη συμβατική πρόωση. Αντί αυτού παρέχουν μηχανική ισχύ στις ηλεκτρικές γεννήτριες του πλοίου, οι οποίες τροφοδοτούν με ηλεκτρική ενέργεια το ηλεκτρικό δίκτυο. Η δε πρόωση του πλοίου επιτυγχάνεται μέσω ελεγχόμενων κινητήρων, οι οποίοι τροφοδοτούνται από το ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου, και κινούν τους έλικες, οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι στους άξονες των κινητήρων αυτών. Κατά συνέπεια, τόσο η συμβατική όσο και η υβριδική ντηζελοηλεκτρική πρόωση απαιτούν διαφορετικές διαμορφώσεις του ηλεκτρικού δικτύου του πλοίου. Αυτές οι διαφορετικές εναλλακτικές διαμορφώσεις εξετάστηκαν μέσω προσομοιώσεων στην παρούσα διπλωματική εργασία για το επιβατηγό πλοίο “Cumana”. Στόχος ήταν να μελετηθεί η μόνιμη και η μεταβατική κατάσταση του ηλεκτρικού δικτύου του πλοίου καθώς επίσης και η ποιότητα ισχύος των δύο αυτών εναλλακτικών διαμορφώσεων. Συνολικά πραγματοποιήθηκαν τρεις ενότητες προσομοιώσεων σε περιβάλλον MATLAB / Simulink. Στην πρώτη προσομοιώθηκε το ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου με τη λύση της συμβατικής πρόωσης τόσο κατά την πλεύση του πλοίου με σταθερούς κόμβους στη θάλασσα όσο και κατά τη διάρκεια ελιγμών. Στη δεύτερη ενότητα προσομοιώσεων εξετάστηκε το ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου με τη λύση της ντηζελοηλεκτρικής πρόωσης κατά την πλεύση με σταθερή ταχύτητα κόμβων ενώ στην τρίτη ενότητα εξετάστηκε ξανά το δίκτυο της ντηζελοηλεκτρικής πρόωσης, αυτή τη φορά όμως, κατά τη διάρκεια ελιγμών του πλοίου, οπότε τροφοδοτούνται διαφορετικοί κινητήρες. Μπορεί όλες οι προσομοιώσεις που πραγματοποιήθηκαν να αφορούν το πλοίο “Cumana”, παρόλα αυτά έγιναν με παραμετροποιημένα μοντέλα των στοιχείων του δικτύου, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα να μπορούν να επεκταθούν με απλο τρόπο στο ηλεκτρικό δίκτυο ενός οποιουδήποτε άλλου πλοίου. Παράλληλα με τη σύγκριση των δύο αυτών εναλλακτικών μορφών πρόωσης σε τεχνικό επίπεδο, επιχειρήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας μία σύγκριση της συμβατικής και της υβριδικής ντηζελοηλεκτρικής πρόωσης και σε οικονομικό επίπεδο, εξετάζοντας τις δύο αυτές λύσεις για την πρόωση του πλοίου τεχνικοοικονομικά με βάση την καθαρή παρούσα αξία, τον εσωτερικό βαθμό απόδοσης και την περίοδο αποπληρωμής. Επίσης μελετήθηκαν και οι επιπτώσεις στο περιβάλλον των δύο αυτών μορφών πρόωσης. Σαν κεντρικό συμπέρασμα αυτής της εργασίας αναδείχθηκε ότι η υβριδική ντηζελοηλεκτρική πρόωση του πλοίου “Cumana” αποτελεί μεν ενεργοβόρο και λύση με υψηλό κόστος κατασκευής, εξασφαλίζει όμως αυξημένη σταθερότητα του δικτύου κατά τις μεταβατικές του καταστάσεις και μειωμένες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, παράλληλα με μειωμένη καθαρή παρούσα αξία σε σχέση με τη συμβατική πρόωση.

The objective of the present dissertation is to compare the conventional with the hybrid diesel electric ship propulsion. The trend for ship electrification is growing nowadays. More specifically, in the hybrid propulsion case, the diesel engines provide mechanical power input to the generators, which in turn provide the electricity required by the ship’s grid. In this case, the ship’s propulsion is achieved through convenient motors fed by the ship’s electric grid and attached to the ship’s propellers. Consequently, the conventional and the hybrid propulsion involve different grid topologies. These alternative topologies have been examined through software simulations in the case study of ship “Cumana”. The objective was to study the steady state and transient phenomena of the ship’s electric grid, as well as the power quality in the cases of conventional and hybrid propulsion. In total, three series of simulations have been performed by using MATLAB/Simulink software. In the first one, the ship’s electric grid was simulated in the case of conventional propulsion for both constant speed cruise and during manoeuvres. In the second one, the ship’s electric grid was studied in the case of hybrid propulsion for constant speed cruise, while in the third series of simulations the ship’s grid was studied in the case of hybrid propulsion during manoeuvres, when different motors are implemented. All simulations performed concern the ship “Cumana”, however, the grid models developed are totally customizable, providing the opportunity to study and simulate the electric grid of any ship in MATLAB/Simulink environment. In addition to the technical comparison of the two propulsion modes, in the present dissertation a financial comparison has been equally undertaken. The method adopted included extrapolation of these two propulsion options to potential investments, and considered the net present value, internal rate of efficiency and payback period techniques. Moreover, the environmental impact of these two propulsion options has been assessed. In conclusion, it was found that the hybrid diesel electric propulsion of ship “Cumana” is an energy intensive and costly outset solution, but it guarantees better electric grid stability during its transient conditions, involves reduced carbon dioxide emissions, and presents a better net present value compared with the conventional propulsion.