Προοπτικές βελτιστοποίησης ενεργειακής απόδοσης πλοίων με εκτεταμένο εξηλεκτρισμό, σε εφαρμογή των οδηγιών προσαρμογής 55%, (Fit for 55).

Μακρής, Κωνσταντίνος; Makris, Konstantinos

dc.contributor.author	Μακρής, Κωνσταντίνος	el
dc.contributor.author	Makris, Konstantinos	en
dc.date.accessioned	2023-01-05T11:33:09Z
dc.date.available	2023-01-05T11:33:09Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56531
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24229
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Προσαρμογή στο στόχο του 55 %	el
dc.subject	Εναλλακτικά καύσιμα στη ναυτιλία	el
dc.subject	Κατανάλωση ενέργειας στην ΕΕ	el
dc.subject	Ενέργεια	el
dc.subject	Marine alternative fuels	en
dc.subject	Electric ship	en
dc.subject	Fit for 55 %	en
dc.subject	Energy	en
dc.subject	Energy consumption in the EU	en
dc.subject	Ηλεκτροκίνητο πλοίο	el
dc.title	Προοπτικές βελτιστοποίησης ενεργειακής απόδοσης πλοίων με εκτεταμένο εξηλεκτρισμό, σε εφαρμογή των οδηγιών προσαρμογής 55%, (Fit for 55).	el
dc.title	Prospects for optimizing the energy efficiency of vessels with extended electrification, in implementation of the 55% adaptation guidelines, (Fit for 55%)	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-10-24
heal.abstract	Η κλιματική αλλαγή αποτελεί σημαντικό αντικείμενο έρευνας και μελέτης σε όλον τον κόσμο και ιδιαίτερα στην Ευρώπη. Το 2016 με την υπογραφή της συμφωνίας του Παρισιού από τα περισσότερα κράτη (ρυπαντές), τέθηκαν τα θεμέλια για τη μείωση των εκπομπών αερίων με στόχο τη σταθεροποίηση της ανόδου της θερμοκρασίας σε παγκόσμιο επίπεδο κάτω των 2 βαθμών κελσίου με βάση την προβιομηχανική περίοδο. Βάσει της συμφωνίας του Παρισιού η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) έθεσε ως στόχο το 2050 τη μείωση σε μεγάλο βαθμό των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου με σκοπό την επίτευξη κλιματικής ουδετερότητας. Για την επίτευξη αυτού του στόχου η ΕΕ έθεσε ως ενδιάμεσο στόχο τη μείωση των εκπομπών έως το 2030 κατά 55% αντί για 40% που είχε συμφωνηθεί αρχικά, (Fit for 55). Μεταξύ των τομέων που εφαρμόζεται η μείωση των εκπομπών είναι και στις χερσαίες, εναέριες και θαλάσσιες μεταφορές. Ένας από τους στόχους που έχουν τεθεί στην βιομηχανία της ναυτιλίας είναι η κίνηση των πλοίων στους λιμένες και στις παράκτιες κατοικήσιμες περιοχές να γίνεται αποκλειστικά με ηλεκτρική κίνηση, ώστε να μην μεταφέρονται στις ήδη ρυπασμένες παράκτιες πόλις καυσαέρια που θα εντείνουν το πρόβλημα της περιβαλλοντικής ρύπανσης στις κατοικημένες περιοχές. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετάται η προσπάθεια εφαρμογής ηλεκτρικής κίνησης σε πλωτά μέσα. Μια από τις σημαντικές προκλήσεις από την εφαρμογή μιας τέτοιας οδηγίας είναι η κίνηση μεγάλων μαζών όπως είναι τα πλοία από ηλεκτρικούς κινητήρες, εξαιτίας της μεγάλης ροπής αντίστασης που δημιουργούνται από τέτοιες βαριές κατασκευές (μεγάλα σε τάξη μεγέθους). Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται η παρουσίαση στατιστικών δεδομένων που αφορά την ΕΕ όπως είναι ο πληθυσμός και η έκταση της ΕΕ, η κίνηση των επιβατών και των εμπορευμάτων καθώς και η σύγκρισή της με άλλες χώρες, επικέντρωση στις θαλάσσιες μεταφορές επιβατών και εμπορευμάτων στους λιμένες της ΕΕ, ενώ στη συνέχεια γίνεται αναφορά στις ενεργειακές ανάγκες της ΕΕ με την παρουσίαση των χρονικών εξελίξεων των ενεργειακών αναγκών της ΕΕ ανά οικονομικό τομέα καθώς και οι διαχρονικές εξελίξεις που χρησιμοποιεί η ΕΕ για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της, ενώ στο τέλος του κεφαλαίου παρατίθενται η χρονική εξέλιξη των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα στην ΕΕ ώστε να ελεγχθεί η επίδραση και η αποτελεσματικότητα των ενεργειών που έχει κάνει η ΕΕ για την επίτευξη μείωσης των εκπομπών άνθρακα. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρατίθενται οι οδηγίες της (ΕΕ) για τη μείωση των εκπομπών με τη δημιουργία της δέσμης Fit for 55 για τη πράσινη μετάβαση από σήμερα έως το 2030 και από το 2030 έως το 2050 μέσω νομοθετικών πράξεων και πρωτοβουλιών σε διάφορους πολιτικούς και οικονομικούς τομείς, όπως είναι το κλίμα η ενέργεια τα καύσιμα οι μεταφορές τα κτίρια η χρήση γης και η δασοκομία. Επίσης αναφέρονται οι πηγές χρηματοδότησης της δέσμης Fit for 55, ενώ παρουσιάζονται και οι στόχοι μείωσης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου ανά κράτος μέλος της ΕΕ. Στη συνέχεια παρατίθενται οι οδηγίες της ΕΕ για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ). Στο επόμενο μέρος του κεφαλαίου αναφέρονται αναλυτικά η προώθηση των ΑΠΕ στους σημαντικότερους τομείς της Ευρωπαϊκής οικονομίας όπως είναι η βιομηχανία η οικοδομή αλλά και οι χερσαίες και οι θαλάσσιες μεταφορές. Πιο συγκεκριμένα για τις μεταφορές παρουσιάζονται τα εναλλακτικά καύσιμα στον τομέα των μεταφορών σε αντικατάσταση των συμβατικών ενώ για τις θαλάσσιες μεταφορές αναλύεται η εφαρμογή του Fit for 55 % και η μελλοντική χρήση των ναυτιλιακών καυσίμων χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Τέλος παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού της ετήσιας μέσης έντασης εκπομπών αερίων θερμοκηπίου με τη χρήση εξισώσεων, ενώ γίνεται αναφορά και στις οικονομικές επιπτώσεις οι οποίες θα προκύψουν από τη χρήση των ΑΠΕ στο ενεργειακό μείγμα της ΕΕ. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα καθώς και η κατηγοριοποίηση των ηλεκτροκινητήρων. Πιο συγκεκριμένα για τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος αναφέρονται τα βασικότερα μέρη από τα οποία αποτελούνται, τα πλεονεκτήματά τους οι εφαρμογές τους αλλά και η κατηγοριοποίηση με βάση την ύπαρξη ψηκτρών ή όχι καθώς και αν χρησιμοποιείται πεδίο από μόνιμους μαγνήτες ή από ηλεκτρομαγνήτες. Για τους ηλεκτροκινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος γίνεται αναφορά στον διαχωρισμό τους σε τριφασικούς, μονοφασικούς, σύγχρονους, ασύγχρονους, με ρύθμιση η μη των ψηκτρών κ.α. Για την κατανόηση των ηλεκτροκινητήρων κρίθηκε σκόπιμο να παρουσιαστούν έννοιες σχετικές με τα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης, όπως είναι η πηγή ισχύος, ο μετατροπές ηλεκτρονικών ισχύος, οι ηλεκτρικές μηχανές, αλλά και προκαταρτικές έννοιες όπως είναι το φορτίο, το δυναμικό, η ένταση ρεύματος η ενέργεια, η ισχύς και το συνεχές και το εναλλασσόμενο ρεύμα, τα σημαντικότερα συστήματα ηλεκτρικών κυκλωμάτων όπως η αντίσταση, το πηνίο και ο πυκνωτής αλλά και νόμοι όπως είναι ο 1ος και ο 2ος νόμος του Kirchhoff. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάται η χρήση ηλεκτροκίνησης σε μικρών διαστάσεων σκάφη με στόχο τη μείωση των εκπομπών άνθρακα και της ηχορύπανσης, τα οποία κινούνται συνήθως σε περιβαλλοντικά ευαίσθητες περιοχές όπως είναι οι παραποτάμιες περιοχές. Για το σκοπό αυτό παρουσιάζονται μερικές από τις πιο σημαντικές δημοσιεύσεις σχετικές με την ηλεκτροκίνηση σε μικρά σκάφη όπου μελετώνται θέματα σχετικά με την εύρεση του βέλτιστου συστήματος ηλεκτρικής πρόωσης, βελτιστοποίηση της σχεδίασης σκαφών για χρήση φωτοβολταϊκών (Φ/Β) πάνελ με στόχο την εύρεση βέλτιστου μεγέθους για συγκεκριμένο τύπο σκάφους με την ελάχιστη απαιτούμενη ισχύ πρόωσης. Επίσης επειδή η τροφοδοσία της ηλεκτροκίνησης στα σκάφη γίνεται από συστοιχίες μπαταριών για σταθερότερη ισχύς ελέγχεται (μέσω εργασίας) δυο τρόποι φόρτισης των μπαταριών με χρήση Φ/Β πάνελ εγκατεστημένα επάνω στο σκάφος ή με τροφοδότηση από το δίκτυο που είναι εγκατεστημένο στα σημεία ελλιμενισμού των σκαφών. Ακόμη μελετάται η εγκατάσταση Φ/Β πάνελ σε δυο τύπους σκαφών όπως είναι το μονόγαστρο και το τύπου καταμαράν. Τέλος παρουσιάζεται μια εργασία η οποία μελετά ένα συνδυασμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Φ/Β συστήματα εγκατεστημένα σε θαλάσσιο χώρο και από σύστημα παραγωγής ενέργειας από τα κύματα, και κατανάλωση της παραγόμενης ενέργειας από μεγάλο ξενοδοχειακό κτίριο και από ηλεκτροκινούμενα σκάφη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται εργασίες σχετικές με εφαρμογή της ηλεκτροκίνησης σε πλήρης εξ’ ηλεκτρικά ή υβριδικά συστήματα. Αρχικά παρατίθενται κάποια στατιστικά δεδομένα σχετικά με την εξέλιξη του αριθμού των πλοίων που εγκαθιστούν συσσωρευτές συνολικά και ανά τύπο πλοίου. Η πρώτη περίπτωση που εξετάζεται είναι του πλοίου Ampere το οποίο πραγματοποιεί δρομολόγια μεταξύ των πόλεων Lavik και Oppedal στο φιόρδ Sognefjord της Νορβηγίας, παραθέτοντας τα γενικά χαρακτηριστικά του πλοίου, το σύστημα φόρτισης καθώς και το σύστημα συσσωρευτών και κίνησης. Η δεύτερη περίπτωση αναφέρεται στο πλοίο Fjord τύπου καταμαράν το οποίο κινείται σε προστατευμένη περιβαλλοντική περιοχή αλλά και σε μη προστατευόμενη περιοχή στη Νορβηγία, οπότε εξετάζεται ένα υβριδικό σύστημα πρόωσης με το οποίο όταν κινείται στην προστατευόμενη περιοχή χρησιμοποιεί ηλεκτροκίνηση, ενώ στη μη προστατευόμενη περιοχή κινείται με κινητήρα Diesel, επίσης παρουσιάζονται τα γενικά χαρακτηριστικά του πλοίου, και τα συστήματα φόρτισης, συσσωρευτών και κίνησης. Το επόμενο έργο το οποίο παρουσιάζεται είναι η περίπτωση μετατροπής δύο πλοίων (Tycho Brahe και Aurora) τα οποία εκτελούν δρομολόγια μεταξύ της Δανίας και της Σουηδίας και τα οποία χρησιμοποιούν μηχανές Diesel σε πλήρη ηλεκτροκινούμενα για πρόωση αλλά και για άλλες ηλεκτρικές ανάγκες, για τα οποία πλοία δίνονται και τα γενικά χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια παρατίθενται η περίπτωση των οχηματαγωγών πλοίων MV Berlin και MV Copenhagen με τα γενικά χαρακτηριστικά τους, τα οποία κινούνται στην θαλάσσια περιοχή μεταξύ της Γερμανίας και της Δανίας και στα οποία εφαρμόζεται μια υβριδική τεχνολογία πρόωσης με ντιζελοκινητήρα και ηλεκτροκινητήρα. Το E-Ferry είναι το επόμενο έργο χρηματοδοτούμενο από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Horizon 2020 και περιλαμβάνει την μετατροπή ενός οχηματαγωγού σε ηλεκτρικό το οποίο δραστηριοποιείται στην θαλάσσια περιοχή της Δανίας. Τα επόμενα δυο προγράμματα ELEMED και SuperGreen έχουν ως περιοχές εφαρμογής την ανατολική μεσόγειο περιλαμβάνοντας την Ελλάδα και μελετούν θέματα που αφορούν στη διαμόρφωση του ρυθμιστικό πλαισίου και των τεχνικών προδιαγραφών για τη χρήση της ηλεκτροκίνησης στον τομέα της ναυτιλίας, καθώς και στις απαιτούμενες εγκαταστάσεις που θα πρέπει να διαμορφωθούν στους λιμένες υποδοχής. Τέλος παρουσιάζεται το πλοίο Port Liner το οποίο είναι ένα έργο της Ευρωπαϊκής επιτροπής και έχει ως στόχο την προώθηση της ηλεκτροκίνσης για την μεταφορά εμπορευματοκιβωτίων μεταξύ ευρωπαϊκών λιμένων μέσω πλοίων τύπου φορτηγίδα.	el
heal.abstract	Climate change is an important subject of research and study all over the world and especially in Europe. In 2016, with the signing of the Paris Agreement by most nations (polluters), the foundations were laid for the reduction of gas emissions with the aim of stabilizing the global temperature rise below 2 degrees Celsius based on the pre-industrial period. Based on the Paris Agreement, the European Union (EU) set a goal in 2050 to reduce greenhouse gas emissions to a large extent in order to achieve climate neutrality. To achieve this goal, the EU set as an intermediate goal the reduction of emissions by 2030 by 55% instead of the 40% that was initially agreed (Fit for 55). Among the sectors in which emissions are being reduced are land, air and sea transport. One of the goals that have been set in the shipping industry is for the movement of ships in ports and coastal residential areas to be exclusively electric, so that exhaust gases are not transported to the already polluted coastal cities, which will intensify the problem of environmental pollution in residential areas. In this master’s thesis an attempt has been made to study the application of electric propulsion in floating vehicles. One of the important challenges from the implementation of such a directive is the movement of large masses such as ships by electric motors, due to the large resistance moment created by such heavy constructions (large in size). The first chapter presents statistical data concerning the EU, such as the population and area of the EU, the transport of passengers and goods as well as its comparison with other countries, focusing on maritime transport of passengers and goods in EU ports , then refer to the energy needs of the EU with the presentation of the time evolution of the energy needs of the EU by economic sector as well as the time-series used by the EU to meet its energy needs, while at the end of the chapter the time evolution of the of CO2 emissions in the EU to test the impact and effectiveness of the actions the EU has taken to enforce carbon reductions. The second chapter sets out the (EU) guidelines for reducing emissions by creating the Fit for 55 packages for the green transition from today to 2030 and from 2030 to 2050 through legislation and initiatives in various political and economic sectors, such as climate, energy, fuels, transport, buildings, land use and forestry. The financing sources of the Fit for 55 packages are also listed, while the greenhouse gas emission reduction targets per EU member state are also presented. The EU directives on renewable energy sources (RE) are also listed. In the next part of the chapter, the promotion of RE in the most important sectors of the European economy, such as industry and construction, as well as land and sea transport, are detailed. More specifically, for transport, alternative fuels in the transport sector are presented in place of conventional ones, while for maritime transport, the application of Fit for 55% and the future use of low-carbon marine fuels are analyzed. Finally, the methodology for calculating the annual average intensity of greenhouse gas emissions using equations is presented, while reference is also made to the economic effects that will result from the use of RE in the EU's energy mix. The third chapter presents the most important advantages as well as the categorization of electric motors. More specifically for DC motors, the main parts of which they are composed, their advantages and their applications are mentioned, as well as the categorization based on the existence of brushes or not, as well as whether the magnetic field is from permanent magnets or from electromagnets. For alternating current electric motors, refer to their division into three-phase, single-phase, synchronous, asynchronous, with or without adjustment of the brushes, etc. For the understanding of electric motors, it was considered appropriate to present concepts related to electric drive systems, such as the power source, electronic power conversions, electric machines, but also preliminary concepts such as load, potential, current intensity, energy, power and direct and alternating current, the most important electrical circuit systems such as resistance, coil and capacitor but also rules such as Kirchhoff's 1st and 2nd rules. The fourth chapter studies the use of electric propulsion in small vessels with the aim of reducing carbon emissions and noise pollution, which usually move in environmentally sensitive areas such as riverside areas. For this purpose, some of the most important publications related to electric propulsion in small boats are presented where issues related to finding the optimal electric propulsion system, optimizing the design of boats for the use of photovoltaic (PV) panels with the aim of finding an optimal size are studied for a specific vessel type with the minimum required propulsive power. Also, since the power supply of the electric drive on the boats is made by battery arrays for more stable power, two ways of charging the batteries are controlled (through work) using PV panels installed on the boat or with power supply from the network installed in the ports. The installation of PV panels on two types of boats such as the monogastric and the catamaran is still being studied. Finally, a paper is presented which studies a combination of electricity production from PV systems installed in a marine area and from a wave energy production system, and consumption of the produced energy from a large hotel building and from electrically powered boats. The last chapter presents works related to the application of electric propulsion in fully electric or hybrid systems. First, some statistical data are listed regarding the evolution of the number of ships that install batteries in total and by ship type. The first case considered is the ship Ampere which operates between the towns of Lavik and Oppedal in the Sognefjord of Norway, listing the general characteristics of the ship, the charging system as well as the battery and drive system. The second case refers to the catamaran-type Fjord ship which moves in a protected environmental area but also in a non-protected area in Norway, so a hybrid propulsion system is considered where when moving in the protected area it uses electric propulsion, while in the non-protected area it moves with an engine Diesel, the general characteristics of the ship, and the charging, battery and propulsion systems are also presented. The next project that is presented is the case of the conversion of two ships (Tycho Brahe and Aurora) which operate routes between Denmark and Sweden, and which use Diesel engines into fully electric motors for propulsion but also for other electrical needs, for which ships their general characteristics are also given. Then the case of the ferries MV Berlin and MV Copenhagen with their general characteristics, which operate in the maritime area between Germany and Denmark, and which apply a hybrid propulsion technology with a diesel engine and an electric motor, are listed. E-Ferry is the next project funded by the European Commission Horizon 2020 and involves the conversion of a ferry to electric operating in the Danish maritime area. The next two programs ELEMED and SuperGreen have as application areas the eastern Mediterranean including Greece and study issues related to the formation of the regulatory framework and technical specifications for the use of electrification in the shipping sector, as well as the required facilities that should configured at the receiving ports. Finally, the Port Liner ship is presented, which is a project of the European Commission and aims to promote electric propulsion for the transport of containers between European ports via barge-type ships.	en
heal.advisorName	Προυσαλίδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρώνης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	112 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false