TRANSNOVA P1: Erstatte fossilt drivstoff med alternative drivstoff i transportsektoren Prosjekttittel:

Transkript

1 Side: 1 av 8 Prosjektnummer: Arkivnummer: 2010/ Program: TRANSNOVA P1: Erstatte fossilt drivstoff med alternative drivstoff i transportsektoren Prosjekttittel: Videreutvikling av fremdriftssystemer for skip basert på hydrogen og brenselceller Prosjektansvarlig: Prototech AS Administrativt ansvarlig: Marian Melle marian.melle@prototech.no Prosjektleder: Tomas Ryberg tomas.ryberg@prototech.no Kontaktperson Transnova: Tom E. Nørbech Rapporteringsperiode: Samarbeidspartnere: Vågen Færgeselskap 1 ARBEID UTFØRT I PROSJEKTET 1.1 Komplette systemtester av brenselcellesystem Avsluttende systemtester av det komplette fremdriftsystemet ble gjennomført på laboratoriet i Prototechs lokaler. Full integrasjonstest av hydrogentanker, brenselceller, batterier og fremdriftssystem ble utført under realistiske forhold. Kontrollsystemet, som er en vesentlig del av teknologien, ble uttestet med automatiske sekvenser og regulering. Det er lagt vekt på et brukervennlig grensesnitt for operatørene under drift. 1.2 Installasjon på MF Vågen Systemet ble så flyttet for installasjon i fartøy ved Djupevåg båtbyggeri i Norheimsund. Mye av tilpasningene for installasjonen måtte gjøres på stedet. Det elektriske systemet ble installert av sertifisert elektroinstallatør, og hydrogensystemet ble installert av mekanisk personell fra Prototech. Båten ble fraktet tilbake til Florvåg i Bergen for siste del av installasjon, uttesting og godkjenningsarbeid. 1.3 Uttesting i fartøy Uttestingen av fremdriftsystemet i båten avdekket at bruk av kun en motorkontroller, som anbefalt av leverandør, ikke fungerte tilfredsstillende med hensyn til manøvrerbarhet og virkningsgrad. Systemet ble endret til dagens løsning med to motorkontrollere og det har fungert meget godt. Sjøfartsdirektoratet ville ikke tillate bruk av hydrogen på MF Vågen under driftsperioden sesongen 2010, bla. på grunn av usikkerhet i forhold til ytre faktorer i høyt trafikkerte Vågen. Det medførte av båten måtte klasses som en elektrisk passasjerferge for denne driftssesongen. Det var i designet av systemet tatt høyde for å kunne drive båten med det elektriske systemet en dag uten opplading av batteri. Fartøyet måtte også gjennom ny krengeprøve og sertifikatene ble utstedt til planlagt driftsstart i slutten av mai. Det ble implementert et forenklet brukergrensesnitt for kun elektrisk fremdrift og det ble gjennomført opplæring av skippere i det nye fremdriftsystemet. Nye prosedyrer for oppstart og nedstengning ble utarbeidet, også for tilkobling til landstrøm og opplading av batterier. Det ble fokusert på å holde systemet operasjonelt likt dieselsystemet. 1.4 Fulldrift av elektrisk ferge sommer 2010

2 Side: 2 av 8 Fulldrift av fergen ble startet torsdag , og fergen har siden gått i trafikk mellom kl. 10:00 og 18:00 sju dager i uken. Systemet har vært meget stabilt og det har ikke vært driftstans. En av de første kveldene ble ikke prosedyren for tilkobling av oppladning utført korrekt, og batteriet var ikke fulladet dagen etter. Dette medførte 2 timers utsatt start. Prosedyren ble oppdatert og skippere ble instruert om å verifisere at opplading av batteriene er i gang før de forlater båten for kvelden. Det har blitt utført mindre modifikasjoner og tilpasninger under driftsperioden for å sikre optimal drift av systemet. Vesentlige systemparametre logges kontinuerlig under drift og dette gir viktig kunnskap om funksjonen til systemet. 1.5 Komplett testing med brenselcellesystemet Etter driftsesongen fikk vi testet det komplette systemet med hydrogen og brenselcelledrift. Testingen foregikk i Florvåg på Askøy, og en driftsdag ble simulert ved å kjøre frem og tilbake med pauser. Systemet fungerte meget bra og energi integrasjonen av brenselceller med metallhydrid hydrogenlagringstanker, batterier og elektrisk fremdrift fungerte som tiltenkt. Testingen var således meget vellykket. 2 FREMDRIFT Hovedmålsetningen om å gjennomføre en full driftssesong i 2010 for MF Vågen med et utslippsfritt fremdriftssystem ble fullført Videre ble komplett testing av hydrogenbasert brenselcelle fremdrift fullført i løpet av september Prosjektet er dermed vellykket gjennomført og formelt avsluttet. 3 RESULTATER 3.1 Full systemtest laboratoriet Full systemtest på laboratoriet bekreftet at systemet fungerte som tiltenkt. Effektflyten mellom brenselceller, batteripakke og motorsystem fungerte sømløst. Varmeoverføringen mellom brenselcellene og hydrogenlagertankene var også god nok til å sikre en tilstrekkelig hydrogenforsyning. Det ble videre konkludert med at operasjonspunktet til brenselcellene måtte justeres slik at de leverte noe mindre effekt, det ble dermed supplert med en ekstra batteripakke for å øke driftsspenningen. Dette har også en gunstig effekt på motorkontroller og elektromotorer da høyere turtall kan oppnås. Figur 1 viser lastflyt mellom brenselceller, batteripakke og elektromotor under testing på laboratoriet. Systemet taklet endringer i lastbildet meget godt og effekten tilført fra brenselcellene fordelte seg mellom batteripakken og elektromotorene. Brenselcellene ble også koblet fra mens elektromotorene var under belastning for å simulere en uønsket nedstengning under drift. Som forventet fortsatte elektromotorene å gå selv etter nedstengning av brenselcellene med strøm fra batteriene. Systemtestene på laboratoriet viste at systemfunksjonaliteten var som forventet og kvalifisert til å kunne benyttes som fremdriftssystem på en passasjerferge.

3 Side: 3 av 8 Samspill mellom brenselceller, batteri og motor Labtest HTPEM total current Battery current Motor Current Strøm [A] :00 13:28 13:57 14:26 14:55 TIDSPUNKT Figur 1: Resultater fra labtest 3.2 Testfase - elektrisk fremdriftsystem Testfasen avdekket at løsningen med kun en motorkontroller og to motorer i drift var ugunstig både med hensyn til manøvrerbarhet og virkningsgrad. Det ble i stedet installert en motorkontroller for hver motor. Dette systemet fungerte mye bedre. Videre ble utvekslingen fra elektromotorer til aksling optimalisert for driftspunkt ved ønsket hastighet. Det var meget interessant å teste ut fergen og se virkelig effektforbruk ved elektriske driften sammenlignet med de teoretiske beregninger av slepemotstand som ble gjort i startfasen av prosjektet. De installerte elektromotorene kan hver for seg levere omtrent halvparten av effekten til den dieselmotoren de erstatter, men testene viste at de kunne vært enda mindre. Ved akselerasjon trengs ca 7.5 kw, mens det under overfart ved konstant fart er tilstrekkelig med ca 4.5 kw. Fartstestene viste at et strømtrekk på ca. 100 A gir 5 knop, mens 150 A gir 5,5 knop. En økning av effektforbruket på 50 % gir dermed bare 0.5 knop ekstra. Dette skyldes at man nærmer seg kritisk hastighet på skroget og ekstra tilført effekt bidrar så å si bare til bølgegenerering. Det ble konkludert med at båten bør kjøres med strømtrekk på under 100 A. Det er montert et display ved hvert gasshåndtak og det gir skipper mulighet for kontinuerlig å overvåke effektforbruk. Systemet kunne kjøres som rent elektrisk fremdriftsystem med batterier og batterikapasiteten var tilstrekkelig for en hel dags drift uten opplading. 3.3 Driftsfase elektrisk fremdrift

4 Side: 4 av 8 Parametere ble kontinuerlig logget mens fergen var i drift. Det er normalt mellom 25 og 35 prosent igjen av batterikapasiteten ved slutten av dagen. Dette avhenger av vind- og værforhold i Vågen. Det at skipperne nå har mulighet til å se direkte hvor mye effekt de bruker under overfarten, virker begrensende på energiforbruket. Det går sport i å kjøre mest mulig energieffektivt og dermed kunne klare seg med minst mulig energiforbruk på en dag. De bruker nå jevnt over ca. 80 A under overfarten, noe som er lavere enn det systemet er dimensjonert for. Figur 2 viser loggede data for en typisk driftsdag. Den viser driftstart med 100% batterikapasitet (grønn kurve) og hvordan batteriet blir tappet i løpet av dagen og ender på ca 26%. Den røde kurven viser strømtrekket under overfarten, og det trekkes også noe strøm i pausene pga kraftforbruk til kontrollsystem om bord. Driftsprofil MF Vågen Bat Current [A] Bat SOC [%] :57 11:57 13:57 15:57 17:57 Klokkeslett Figur 2: Driftsprofil MF Vågen elektrisk Figur 3 viser data for et helt døgn med elektrisk drift samt variasjonen av batterispening i løpet av dagen. Batteriet fullades på mellom 6-8 timer og etter det starter utbalansering av battericellene.

5 Side: 5 av Driftssyklus MF Vågen BAT vltg [V] BAT cur [A] BAT SOC [%] :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 Klokkeslett Figur 3: Døgnsyklus elektrisk fremdrift Tilbakemeldingene fra skipperne har vært meget gode. Den største forbedringen med det nye fremdriftssystemet er lydnivået. Det er nå tilnærmet lydløs overfart. Dette har skipperne merket ved at de er mer opplagt etter endt arbeidsdag. Det er nå også mulig å gi instruksjoner til passasjerer under overfart og eventuelt fortelle litt om det man ser fra sjøen. Interessen fra passasjerene har vært stor med hensyn til teknologien, og det er stadig spørsmål relatert til det nye fremdriftsystemet. Det er trykket opp brosjyrer om systemet på engelsk, tysk, norsk og fransk som er tilgjengelig for passasjerene. 3.4 Testfase hydrogenfremdrift Etter endt passasjerdrift startet klargjøringen for testing av komplett brenselcellesystem med hydrogendrift. Full driftsdag med hydrogensystemet ble testet i Florvåg. Fylling av metallhydridtanker på båten ble utført med indirekte avkjøling med sjøvann og påfylling fra standard 200bar hydrogenflasker. Oppvarming og oppstart av brenselceller fungerte som forventet. MF Vågen ble så kjørt frem og tilbake i Florvågen med driftsyklus som for en intens driftsdag for fergen. Hydrogenet ble utelukkende levert fra metallhydridtankene, som ble varmet opp via varmeoverføringskretsen fra eksosen på brenselcellene. Den elektriske energien ble så overført til batteripakken og eller elektromotorene. Det ble testet med forskjellige naturlige lastvariasjoner ved manøvrering og oppbremsing. Testen ble startet med ca 60% batterikapasitet og batteriene ble i løpet av testdagen ladet opp til en høyere kapasitet. Dette beviser at hybridsystemet fungerte som tiltenkt da all energi tilført for en dags drift kom fra hydrogenet og batteriene fungerte kun som en buffer for å balansere ut lastvariasjonene. All energi som gikk med til kraft og fremdrift på fergen kom dermed fra hydrogenet.

6 Side: 6 av 8 Ren Marin Kraft og Fremdrift! Bat vltg Bat SOC Bat cur PEM Current Fuel cell test MF Vågen Current :13:00 09:20:12 09:27:24 09:34:36 09:41:48 09:49:00 09:56:12 Time Figur 4: Testdata fra FC testing MF vågen Figur 4 viser testdata fra 5 turer med pauser under testingen med hydrogen. Det viser at strømmen fra brenselcellene varierer betydelig fra 100A til 120A ved de små spenningsvariasjonene som kommer av at det veksles mellom tapping av batteriene i driftsfasen til ladning av batteriene i pausene. Lastvariasjonen for brenselcellene er likevel betydelig lavere enn for batteriet, som balanserer ut det varierende pådraget og effektbehovet til motorene. Den samme effektflyten som ble observert på laboratoriet ble demonstrert. På MF Vågen var det installert en ekstra batteripakke og spenningen var dermed bedre tilpasset brenselcellen samt at det var mulig å trekke mer effekt ut av motoren, dette var begrenset av lasten vi hadde tilgjengelig for testing på lab.

7 Side: 7 av 8 H2 flow and FC Current Bat voltage [V] PEM current [A] Mass flow rate [kg/h] H2 flow [kg/h] :07:12 09:14:24 09:21:36 09:28:48 09:36:00 Time Figur 5: H2 forbruk og FC strøm Figuren over viser variasjonen i hydrogenforbruk under testingen. Grunnen til at denne fluktuerer så mye er at det må åpnes for gjennomspyling av hydrogen under drift. Dette skylleintervallet var justert konservativt under testingen og ville blitt nedjustert etter en innkjøringsfase. Varmeoverføringssystemet fra brenselcelleeksosen til metallhydrid tankene ga tilstrekkelig oppvarming av tankene for å kunne dekke hydrogenforbruket. 3.5 Publikasjoner / media Det har vært flere oppslag i massemedia under hele prosjektet. Et søk på google etter MF Vågen brenselcelle gir 731 treff. Tabellen under oppsummerer hovedoppslagene etter den testingen av brenselcellesystemet. Prosjektet ble også presentert på HyNor konferansen i høst. Dato Tittel Kilde URL Bergensferge først med brenselcelle 0/oktober/ Ferge går på brenselcelle Teknisk ukeblad 13.ece Vil prøve brenselcelle på større ferge Testet framtidens drivstoff i Florvåg Teknisk Ukeblad Askøyværingen ece t-framtidens-drivstoff-i-florvag/

8