LANDANSLUTNING AV FARTYG I HAMN ETT EFFEKTIVT SÄTT ATT ELIMINERA LOKALA UTSLÄPP

Transkript

1 LANDANSLUTNING AV FARTYG I HAMN ETT EFFEKTIVT SÄTT ATT ELIMINERA LOKALA UTSLÄPP Av Ola Norén, ABB Sammanfattning Passagerarfärjor och kryssningsfartyg önskar ofta lägga till i centrala lägen för att erbjuda för turister och andra passagerare exklusivt tillträde direkt in i stadens kärna. Även frakthamnar som förr låg utanför staden har ofta blivit en integrerad del av den när städer växer och nya bostadsområden byggs i kustnära områden. Färjor, fraktfartyg och kryssningsfartyg är stora källor till utsläpp av CO 2, NO X, SO X och sot i många hamnstäder, inte bara i Norge utan runt om i världen. Genom att koppla in fartygen till det lokala elnätet kan utsläpp motsvarande hundratals bilar helt elimineras. Därigenom kan fartygen behålla sina centrala lägen, förgylla stadsbilden samt transportera passagerare utan att bidra till utsläppsproblemen i staden. En försvårande faktor för att ansluta fartyg är att majoriteten av alla fartyg har 60 Hz som systemfrekvens. Det har fram tills nyligen inte funnits några större kommersiella installationer för inkoppling av fartyg med 60 Hz systemfrekvens till det europeiska 50 Hz-nätet. ABB har tagit fram och levererat en teknisk lösning för att effektivt koppla in fartyg oavsett systemfrekvens. Installationen som invigdes i början av 2011 hjälper Stena Line och Göteborgs hamn att eliminera tusentals ton koldioxidutsläpp varje år. ABB:s tekniska lösning uppfyller den kommande standarden och kan hjälpa norska hamnar och rederier att eliminera utsläpp och förbättra luftkvaliteten i norska kuststäder. 1. INNLEDNING I flera städer i Norge finns problem med luftkvaliteten och utsläpp av luftföroreningar. I Bergen och Oslo har hamnens verksamhet dokumenterats vara en bidragande orsak till rådande [1] [2]. Gemensamt för dessa städer är att de har frekventa anlöp av såväl färjor som kryssningsfartyg samt att hamnen ligger nära tätbebyggt område. Fartygen är inte enda källan till utsläpp men kan ha en betydande inverkan på den lokala luftkvaliteten [3]. Under en hamnvistelse bidrar större fartyg med ett betydande utsläpp och miljöförbättringspotentialen är betydande; ett stort kryssningsfartyg som

2 ligger i hamn under 10 timmar förbrukar cirka 20 ton bränsle och släpper ut koldioxid motsvarande det årliga utsläppet från 25 bilar(!) [4]. Landanslutning av fartyg är i princip ingen ny uppfinning och har länge använts för isbrytare, lotsfartyg eller andra fartyg som ligger i kaj under långa perioder. Skillnaden mellan tidigare installationer och kraven som ställs enligt den kommande standarden kan sammanfattas i högre spänning, större effekter, striktare normer och regler av hantering av systemet samt frekvensomformning. Effektbehovet för en isbrytare vid kaj är ett par hundra kva som kopplas in med lågspända kablar och 50 Hz, en inkoppling som ofta involverar mycket arbete och tar lång tid. En passagerarfärja har ett typiskt effektbehov på 3-5 MVA och ett kryssningsfartyg ett effektbehov på cirka 10 MVA. Tiden i kaj är begränsad och systemfrekvensen är i många fall 60 Hz, samtidigt som systemspänningen varierar från lågspänning till högspänning (0,4 11 kv). Detta ställer helt nya krav på landanslutningsutrustningen. IEC, ISO och IEEE har gemensamt givit ut en preliminär standard (Public Available Specification) [4] som definierar förutsättningar och krav på utrustning och säkerhet ombord på fartyg och i land för landanslutningsanläggningar. 2. LANDANSLUTNINGSSYSTEMET 2.1 Förutsättningar på land För att möjliggöra en inkoppling av ett fartyg till det lokala distributionsnätet krävs fyra huvudkomponenter; fördelningsstation i hamnen med tillräcklig effekt, utrustning för att anpassa spänning och frekvens till fartyget, inkopplingspunkt vid kajen samt en anpassning av fartyget för att ta emot kraft från land. (bild 1)

3 Bild 1 [6] Transformatorn har två syften; galvanisk separation mellan fartyg och hamn samt spänningsanpassning till fartyget. Den galvaniska separationen förhindrar att t.ex. ett jordfel ombordfartyget sprider sig till hamnen (eller vice versa). Varje inkopplingsplats kräver även en brytare med automatisk jordning. Syftet med denna är att försäkra sig om att kabeln inte är under spänning vid hantering och anslutning. Till skillnad från en 50 Hz-anslutning kräver en 60 Hz-anslutning en frekvensomriktare. Detta gör att investeringskostnaden för installationen blir högre än för en 50 Hz-anslutning. I utbyte får man en anslutning som kan ta emot fartyg oberoende av frekvens och spänning. För den enskilda hamnen är det viktigt att inventera vilka fartyg som anlöper hamnen för att anpassa systemet efter de specifika fartygen. I de fall där endast 50 Hz-fartyg anlöper hamnen kan frekvensomriktaren uteslutas. Effektbehovet för ett fartyg varierar mycket beroende på typ av fartyg och fartygets storlek. Ett containerfartyg behöver ungefär 1-2 MW i hamn, färjor mellan 2-3 MW och ett kryssningsfartyg, beroende på storlek, mellan 5-15 MW. Det samlade effektbehovet i en hamn med flera fartyg kan således vara flera tiotals MW. Beroende på hamnens layout och behov kan en frekvensomriktaren användas för ett eller flera fartyg. Tack vare de statiska frekvensomriktarnas kompakta storlek och moduluppbyggnad kan installationen gömmas i en mindre byggnad eller en container för att minska den visuella effekten samt minimera ytan som tas i anspråk.

4 Den tredje viktiga komponenten i en landanslutning är kommunikationssystemet vilket möjliggör inkopplingen av kablarna, synkronisering mellan båt och hamn. Kommunikationssystemet har även en viktig uppgift i att se till att säkerhetsförreglingarna fungerar. Kommunikationssystemet består av en dator ombord fartyget och en i hamnen som kommunicerar via Ethernet över fiberoptik i mellanspänningskabeln. 2.2 Ombord fartyget För att ett fartyg skall kunna använda landanslutning i hamnen krävs en anpassning ombord fartyget. Förutom att en lucka i skrovet skall installeras behövs en landanslutningspanel, en transformator i de fall båten har lågspänningsfördelning samt anpassningar i båtens styrsystem. Alla fartyg kan ta emot kraft från land då de ligger i docka för reparationer eller dylikt. Denna anslutning är som regel endast dimensionerad för den allra nödvändigaste utrustningen och är därför underdimensionerad för att förse fartyget med tillräckig effekt i hamn. För att ta emot kraft från land behövs även kablar. I vissa fall har fartyget kablarna ombord som de sänker ner till hamnen vid ett anlöp. Detta gäller främst färjor och containerfartyg. För kryssningsfartyg definierar standarden att kablarna alltid är i hamnen varifrån de lyfts ombord. De olika fartygstyperna angör väldigt sällan samma kajplatser och respektive kajtyp kommer således att ha sin lösning; kabel eller anslutningspunkt. Kablarna ansluts till landanslutningspanelen som består av brytare och skydd samt ett gränssnitt mot fartygets kontrollsystem. Landanslutningspanelen möjliggör för fartygets dieselgeneratorer att synkronisera mot hamnens distributionsnät och därefter gradvis överföra kraftförsörjningen från motorerna till elnätet. Fartyg som använder konventionell mekanisk framdrift där en huvudmotor driver propellern (till skillnad från dieselelektriska fartyg) behövs även en transformator installeras ombord för att anpassa spänningen från 6,6 kv eller 11 kv till fartygets lågspänningsfördelning som vanligtvis är mellan 400 V och 690 V. Utrustningen som krävs ombord fartyget består av befintlig teknologi och befintliga produkter. Trots den kommande världsstandarden kommer landanslutningssystemen ombord att kräva unika lösningar för anpassning till det aktuella fartyget för att lösa utmaningar med utrymmesbrist och gränssnitt till fartygets kontrollsystem.

5 3. STENA LINE OCH GÖTEBORGS HAMN I september 2008 annonserade Stena Line i Göteborg att företaget har som ambition att ansluta majoriteten av sina fartyg till kraft från land innan Sedan 2008 har fyra anslutningar levererats som möjliggör för fyra av Stena Lines fartyg att ansluta till förnybar energi från land, tre installationer finns i Göteborgs och en i Karlskrona hamn. Samtliga anslutningar görs med 10 kv och effekten är kring 2,5 MW som överförs med endast en kabel från land. De tre fartygen Stena Danica, Stena Jutlandica och Stena Scandinavica använder, likt Stora Ensos fartyg, 50 Hz-utrustning ombord. Det fjärde fartyget, Stena Germanica, har en systemfrekvens på 60 Hz ombord och landanslutningen behöver således kunna anpassa frekvensen mot fartyget. Att ansluta 60 Hz-fartyg till det europeiska elnätet har tidigare lösts genom att använda roterande omformare, en teknisk lösning som innebär betydande underhållskostnader och begränsar storleken på installationen. ABB har utvecklat en teknisk lösning baserad på statiska frekvensomriktare som möjliggör för Stena Germanica att koppla sig till förnybar kraft från land trots att hennes systemfrekvens är 60 Hz. Göteborgs hamn har, precis som Bergen och Trondheim hamn, ett 11 kv distributionsnät. I den matande landanslutningsstationen sitter en transformator för att transformera ner spänningen till 380 V som är frekvensomriktarens arbetsspänning. [5] Efter att frekvensen har omvandlats från 50 Hz till 60 Hz, transformeras sedan spänningen upp till 10 kv som sedan överförs med kabel till fartyget. I systemet är samtliga transformatorer torrisolerade, dels för de lägre förlusterna men även för att eliminera risken för oljeläckage i hamnen. Stena Germanicas systemspänning ombord är 10 kv och landanslutningskabeln kopplas direkt till fartygets mellanspänningsfördelning. Hela anslutningsproceduren inklusive att ta ombord kabeln sköts av personalen ombord fartyget med hjälp av en kran på kajplats. Överföringskapaciteten från land till fartyg är 2,5 MW. Till skillnad från anslutningar med lågspänning där flera parallella kablar behövs med ofta lång inkopplingstid använder sig Stena Line, likt tidigare installationer i Göteborgs hamn, av endast en 10 kv-kabel och anslutningstiden reduceras därmed till endast några minuter. Personsäkerhet vid anslutningarna garanteras av styrsystemet och förreglingar i kabelanslutningen. En mekanisk förregling omöjliggör att

6 kabeln kan kopplas ur under spänning samt förhindrar att en kabel kopplas till om den inte är jordad. Bild 2 Frekvensomriktaren som används är ABB:s PCS100 som konverterar den inkommande 50 Hz växelspänning via ett DC-led till en 60 Hz växelspänning. Frekvensomvandlare arbetar med 380 V och en transformator från hamnens 11 kv-nät finns därför installerad på innan frekvensomriktaren. För att kunna förse Stena Germanica med 10 kv finns även en transformator installerade efter frekvensomriktaren. Transformatorn används dels för att uppfylla kriteriet för galvanisk isolation och dels för att spänningsanpassa enligt standarden. I skissen nedan (bild 4) finns systemet uppritat tillsammans med möjlig utbyggnad. Systemet är moduluppbyggt och effekten kan enkelt ökas genom att ytterligare en frekvensomriktare installeras och ansluts till systemet. Vidare har hela installationen gömts i en byggnad ett par hundra meter från kajen för att inte påverka uppställningsplatser, transportvägar eller annat i hamnen. Genom att placera utrustningen inomhus kan installationen gömmas bland befintliga byggnader, ett naturligt skalskydd uppnås, serviceintervallen blir längre och risken för intrång minskar eller skadegörelse minskar avsevärt.

7 4. SAMMANFATTNING För att minska utsläpp av fartyg i hamnar är landanslutning ett av de mest effektiva tilltagen. Genom att stänga av fartygets egna motorer elimineras det lokala utsläppet och fartygen kan drivas på förnyelsebara bränslen. Landanslutningar har tidigare endast funnits för fartyg med samma systemfrekvens som den hamn fartyget angör i. Den standard som nu finns föreslagen av IEC, ISO och IEEE möjliggör en större utbyggnad av landanslutningar i världens hamnar. Leveransen av en 60 Hz-landanslutning till Göteborgs hamn är den första i sitt slag och kommer att vara en förebild för många hamnar i framtiden. Landanslutningarna i Göteborg hamn visar att det inte längre finns några tekniska hinder kvar att överkomma för att koppla in fartyg till det norska elnätet oberoende på spännings- och frekvensbehov. Möjligheterna för Trondheim hamn, Bergen hamn och Oslo hamn att minska utsläpp och förbättra luftkvaliteten i statskärnan är således stora. 5. REFERENSER [1] Handlingsplan for bedre luft i Bergen 2007, Bergen Kommune Byutvikling, 2007, ISBN [2] Tiltaksutredning for luftkvalitet i Oslo og Bærum kommune; Statens vegvesen Region øst, Oslo kommune, Bærum kommune; [3] Landstrøm til skip i Bergen havn; [4] IEC/ISO/IEEE PT HVSC Systems(Convenor)20A/CDV, [5] Produktbroschyr ABB PCS100 SFC [6] Bild hämtad från ABB