LANDSTRØMSFORSYNING TIL SKIP - FORDELER, MULIGHETER OG UTFORDRINGER Av Espen Ingebrigtsen og Rune Glomstein, Siemens AS Sammendrag Landstrøm er et energieffektivt alternativ for å forsyne fartøyer som ligger i havn med elektrisitet, og som merkbart vil redusere utslipp av klimagasser, partikler, samt støy og vibrasjoner i havnas lokalmiljø. Dessuten reduserer dette belastningen på skipsmotorene, og reduserer dermed vedlikeholdsbehovet om bord. Landstrøm muliggjør også bruk av batteridrift som energi-alternativ på fartøy. Det er dog en utfordring at enkelte havner ikke har tilstrekkelig utbygd nettkapasitet, og at behov for frekvensomforming fordyrer landstrømsanleggene. Norske myndigheter er positive til Landstrøm, og det er etablert betydelige støtteordninger for utbygging av landstrøm via Enova. 1. BAKGRUNN Skip har behov for elektrisitet om bord, også mens de ligger til kai. I dag produseres denne i all hovedsak av generatorer koplet til skipets hjelpemotorer som er fyrt på diesel eller tungolje. Forbrenningsmotorenes virkningsgrad er forholdsvis lav (maksimalt ca. 45%), og medfører dessuten unødvendig støy og utslipp av forurensende stoffer som bl.a. SOx, NOx og svevestøv i havnenes nærmiljø. Ved å tilrettelegge for landstrømtilkopling kan man få en betydelig energieffektivisering, samt eliminere lokale støy og utslippsproblemer [1]. 2. SYSTEMPRINSIPP OG EKSEMPLER Spenningsnivå på nettforsyningen på land vil variere, både ut fra effektbehov (høye effektuttak krever høyspentforsyning) og vil være geografisk betinget. F.eks. vil en havn som ligger inne i en by kunne forsynes med 11kV, mens havner som ligger utenfor tettbygde strøk vil kunne få forsyning på 22kV. Mindre fartøy vil ofte mates direkte fra lavspentnettet (typisk 660/690V).
Det stilles krav i Landstrømnormene (se kap. 4) om at hvert skip skal være galvanisk skilt fra nettet og andre skip når de er tilkoblet landstrøm. Så uavhengig av valgte spenningsnivå, vil landstrømanlegg kreve transformatorer. En annen utfordring i forhold til landstrøm er at frekvensen ombord i de fleste fartøy er 60Hz, mens frekvensen på nettet i Norge og de fleste europeiske landene er 50Hz. Det trengs derfor som oftest en frekvensomformer mellom landforsyning og skip. 1 2 3 4 3 2 5 1. Lokal el-forsyning 2. Bryterfelt 3. Transformator 4. Frekvensomformer 5. Kabelhåndteringssystem Figur 1: Typisk systemprinsipp for et landsstrømsanlegg 2.1 Aktuelle havner/kaier i Norge Norge er en stor skipsfartsnasjon med mange typer havner og skip. Landstrøm kan være aktuelt for følgende anlegg: - Cruiseterminaler - Fergekaier/Hurtigruteterminaler - Offshoreterminaler / Industriparker - Godsterminaler - Ladestasjoner for batterifartøy
2.2 Cruiseskip I Nord-Amerika er det bygget flere landstrømforsyninger for Cruiseskip. Dette er anlegg som kan levere store effekter (6-15MW), men disse anleggene er bygget uten frekvensomformere da nettfrekvensen i USA og Canada er 60Hz, det samme som ombord i cruiseskipene. Verdens første landstrømanlegg for cruiseskip som inkluderer frekvensomforming, er levert av Siemens i Altona Cruiseterminal i Hamburg. Dette anlegget kan levere opptil 12MW og brukeren kan velge spenning mellom 6 og 11kV med frekvens på 50 eller 60Hz. Anlegget har også THD-filter for å redusere harmonisk tilbakemating til nettet. Figur 2: Forenklet enlinjeskjema for landstrømsanlegget i Hamburg Norge har en relativt stor Cruisetrafikk, spesielt langs fjordene på Vestlandet. Det er en sammenheng mellom størrelsen på skip, effektbehov og utslipp. I en slik kontekst vil landstrømsanlegg for Cruiseskip ha stor effekt i forhold til reduserte utslipp og støy, samtidig som kostnadene er proporsjonale med effektuttak og brukstiden noe lavere (da Cruisetrafikken er sesongavhengig).
2.3 Offshoreterminal løsning På offshoreterminaler kan det ligge mange båter samtidig. I dagens situasjon kan det fort bli mange offshorefartøy som ligger i opplag. Disse båtene er fulle av elektronikk og hjelpesystemer, og en ønsker derfor ikke at de ligger i opplag uten strøm. Landstrøm vil da være høyaktuelt, og det kreves ofte landstrøm til flere fartøy samtidig. 22kV Forsyning Treviklingstransformator 5MVA Lavspent likeretter 5MVA Lavspent vekselrettere 5x800kVA Skilletransformatorer 5x800kVA Fordeling ved kabeltårn En bryter per kabel Figur 3: Topologi skjema for landstrømanlegg på offshore terminal.
2.4 Hurtiglading av batteriferge Norge har fått verdens første batteriferger for biltransport. Og det bygges nå flere batteriferger som skal settes inn i kommersiell drift. Det er også utredet et stort potensial med over 50 fergesamband i Norge som er aktuelle for batteridrift. Det vil på disse sambandene bli nødvendig med hurtiglading av fergen, mens den laster og losser biler. Hurtiglading vil kreve landstrøm med betydelig effekt, gjerne oppimot 10MW. På mange norske fergekaier i distriktet er dagens strømforsyningsnett ikke bygget for så høy tilgjengelig effekt. Som et alternativ til opprustning av strømforsyningsnettet kan løsningen være å montere batteripakker på land som kan booste ladingen den korte tiden fergen ligger til kai, for deretter å lade opp batteriene på land, mens fergen krysser fjorden. Eksempel: På en kai er maksimal tilgjengelig effekt 5MW, mens fergen trenger å lade med 7MW i 10 minutter hver time. Dette kan løses ved at en setter et batteri-ladesystem på land (ESS). Når fergen er under overfart lades landbatteriet fra nettet. Når ferger legger til kai og kobler seg til lever landbatteriet 2MW, mens nettet leverer 5MW. På denne måten kan fergen lades med 7MW. Figur 4: Prinsippskjema for for hurtiglading med batteri-boost.
3. UTFORDRINGER 3.1 Finansiering Investeringskostnadene med landstrømsanlegg kan være betydelige. For enkle fartøy med lavt effektbehov kan man klare seg med under kr. 100.000,-. For store komplekse anlegg med flere høyspent- og lavspent uttak kan investeringskostnadene bli i størrelsesorden 100 millioner. Sparte energikostnader alene vil sjelden være argument nok til å finansiere landstrøm. Det er imidlertid stor politisk vilje til å få etablert landstrøm. I Norge er det allerede bygget flere anlegg, og det statlige foretak Enova har gjennom to tildelingsrunder i 2016 bevilget hhv 82 mill kroner til 13 prosjekter [2], og 140 mill kroner til 22 prosjekter [3]. En søknadsrunde 3 er nå åpnet, med søknadsfrist 31.03.2017 [4]. 3.2 Effektbehov For å kunne forsyne skipene med landstrøm, må det være tilstrekkelig effekt tilgjengelig på det lokale strømnettet. Små ferger og offshore forsyningsskip kan ha effektbehov under 1 MVA, og mates som oftest direkte fra lavspentnettet. Men for kaianlegg med flere skip kan det totale effektbehovet fort bli flere titalls MVA. Det vil også kunne være en utfordring på avsidesliggende kai-anlegg, hvor det lokale nettet i utgangspunktet kun er dimensjonert for lys/varme og mindre bygg på kaien. Større ferger og Cruiseskip kan ha effektbehov på nivå med en hel småby, og vil kunne kreve en større nettutbygging. Dette er spesielt en uttalt utfordring langs vestkysten av Norge, hvor det er stor Cruisetrafikk, men ofte dårlig utbygd lokalnett. Se for øvrig Kap 2.4 om mulige utfordringer ved effektbehov for hurtiglading av batteriferger.
3.3 Plassbehov Landstrømsanlegg har plassbehov, både for kabeltilkoplingssystem på kaikanten, men også for alt som kreves av elektroteknisk utstyr som transformatorer, bryteranlegg og evt frekvensomformere. En ny Transformatorstasjon/fordelingsstasjon kan kreve arealer fra 20 m 2 til over 100m 2. Figur 5: Liten Transformatorstasjon for ladestrøm til Ampere I Hamburg har Siemens levert et landstrømsanlegg på 12MW for cruiseskip. Her var det mange hensyn man måtte ta i designfasen. Havnemyndigheter krevde at stasjonen skulle ha samme design som terminalbygget ved siden av. Det var i tillegg risiko for at kaien kunne bli oversvømt ved springflo, så bygget måtte plasseres på søyler. Figur 6: Transformatorstasjon i Hamburg for Cruise-skip (12MW)
Kaien i Hamburg er 300m lang, og det er ikke alltid at tilkoblingspunktet for skipet er på samme sted. Dette er løst ved at det går en kabelkanal med fleksible kabelkjeder langs hele kailengden, og at det er en kabelvogn som kan kjøre frem og tilbake langs kaien. Figur 7: Kabelvogn i Hamburg for Cruise-skip (12MW) Dersom skipene alltid ligger med tilkoplingspunktet på samme sted, vil det kunne være mer hensiktsmessig med et kabeltårn/kran. 3.4 Øvrige tekniske utfordringer 3.4.1 El-Sikkerhet Med store effekter og høyspenning på kaien er det flere sikkerhetsaspekter som det må tas høyde for. I normer er det blant annet listet opp krav til følgende - Overstrøm/kortslutning - Overspenning - Retureffekt - Underspenning - Jordfeil - Utjevningsjord
3.4.2 Hurtig kabeltilkobling til skipet Standard pluggen som er definert i normen (IEC 80005-3) må betjenes manuelt, og det tar en del minutter å monterer dette. For skip som har korte anløp (for eksempel pendelferger) vil oppkoblingstiden være viktig. For batteriferger som skal ha hurtig-lading vil det derfor være helt nødvendig med hurtig automatisk/robotisert tilkobling. 3.4.3 Avregning E-verket vil/kan fakturere eier av landsstrømsanlegget i henhold til forbruk fra mellomspenningsfeltet som forsyner landsstrømsanlegget. Eier av landstrømsanlegget må også legge opp til et avregningssystem mot det enkelte fartøy/reder. Her vil det kunne være mange fartøy som forsynes fra det samme landstrømmsanlegget. Brukerinterface kan være PC grensesnitt (web basert), eller mobile plattformer som ios og Android. Vesentlige data vil være tilkoplingstidspunkt, løpende og akkumulert forbruk, spenning, frekvens. 3.4.4 Tidevann Tidevannsbevegelser av skipet vil medføre utfordringer for landstrømskablene. I Norge er vertikal bevegelse typisk fra 1-2 meter. For anlegget i Hamburg (fig. 3.3) snakker vi om 4 meter. Dette medfører at kablene må ha sensor for å måle at strekkbelastningen ikke blir for stor. 4. NORMER Det er laget internasjonale normer for landstrømsanlegg. Tabell 1: Internasjonale normer for landstrøm Standard Tidsfrist IEC 80005-1 High Voltage Shore Connection (HVSC) Systems General requirements IEC 80005-2 High and low voltage shore connection systems - Data communication for monitoring and control IEC 80005-3 Low Voltage Shore Connection (LVSC) Systems - (draft) General requirements. I tillegg jobber NEK med å utarbeide guidance for tolkninger og mulige tilpassninger i Norge. I Norge ser vi at det er et behov for systemer med hurtige tilkoblinger (automatiserte/robotiserte).
5. OPPSUMMERING Utbygging av landstrømsanlegg vil kunne gi bedre energieffektivisering, og redusere klimautslipp, lokale utslipp og støy noe som ikke minst vil kunne gi helsegevinster for folk som bor og jobber ved de større havnene, som ofte ligger i bysentra. Landstrømsutbyggingen er kommet relativt godt i gang i Norge, selv om det så langt stort sett er mindre anlegg som er realisert. En enda større satsning må være nasjonalt koordinert gjennom en nasjonal plan. Alle stamnetthavner og de store cruisehavner må inkluderes. [5] 6. REFERANSER OG HENVISNINGER [1] Rapport: Undersøkelse om Markedsgrunnlaget for Landstrøm Landstrøm i norske havner DNV-GL, ENOVA SF [2] ENOVA TILSAGNSLISTE 1 http://www.mynewsdesk.com/no/enova-sf/pressreleases/enovakobler-til-13-landstroem-prosjekter-1392206 [3] ENOVA TILSAGNSLISTE 2 http://maritimt.com/nb/maritimt-magasin/enova-bevilger-140- millioner-til-landstrom [4] ENOVA LANDSTRØM https://www.enova.no/bedrift/transport/stotte-til-infrastruktur/landstrom/ [5] Rapport: Bedre klima og smartere økonomi - Landstrøm i norske havner en mulighetsstudie Bellona, Siemens, Nelfo, EFO