Elektrifiering av Älvskytteln Improving landfill monitoring programs Examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet för maskin with the aid of geoelectrical - imaging techniques and SIMON geographical CARLSENinformation systems ANTON GUSTAVSSON Master s Thesis in the Master Degree Programme, Civil Engineering KEVIN HINE Institutionen för signaler och system Chalmers Tekniska Högskola Department of Civil and Environmental Engineering Division Göteborg, of GeoEngineering Sverige 2012 Engineering Geology Research Group CHALMERS Examensarbete UNIVERSITY 2012 OF TECHNOLOGY Göteborg, Sweden 2005 Master s Thesis 2005:22
Elektrifiering av Älvskytteln Examensarbete inom högskoleingenjörsprogrammet för maskin SIMON CARLSEN ANTON GUSTAVSSON csimon CARLSEN, ANTON GUSTAVSSON, 2012 Examensarbete 2012 Institutionen för signaler och system Chalmers Tekniska Högskola SE-412 96 Göteborg Sverige Telefon: +46 (0)31-772 1000
Sammanfattning Denna rapport presenterar den marknadsundersökning som gjorts för vilka tekniker som kan användas för att elektrifiera Älvskytteln 1 och 2, två fartyg som skall köra i skytteltrafik i Göteborg från 2013-2014. Syftet med detta arbete är att utreda möjligheten att driva fartygen med el från elnätet istället för diesel. Det finns flera hinder vid elektrifiering av Älvskytteln, bland annat vilken typ av energilagring som är ekonomisk att använda då livslängden hos ackumulatorer fortfarande är kort förhållande till dess pris. Rapporten beskriver även hur kondensatorer kan användas för energilagring. Rapporten beskriver vilken teknik som finns att överföra ström från land till fartyg samt för och nackdelar med dessa. Vad gäller energiöverföring till Älvskytteln presenteras ett par koncept som skulle kunna användas för överföring. I rapporten analyseras även hur körschema påverkar nödvändig laddningseffekt samt hur laddning vid varje stopp kan utformas för att ladda fartyget. Utifrån fartygens körschema har beräkningar gjorts för att dimensionera energilager för Älvskytteln. Resultatet av denna rapport visar att elektrifiering av Älvskytteln är fullt möjlig men att det finns hinder vid elektrifiering samt att viss teknik inte är mogen.
Abstract This report presents the market research undertaken for what techniques can be used to electrify Älvskytteln 1 och 2, two ships to be running a shuttle service in Gothenburg from 2013-2014. The purpose of this work is to investigate the possibility of operating the ships with electricity from the grid instead of diesel. There are several obstacles to electrification of Älvskytteln, including the type of energy storage that is economical to use when the life of the batteries are still short compared to its price. The report also describes how capacitors can be used for energy storage. The report describes techniques to transfer power from shore to ship and the pros and cons of these. As regards the energy transfer to Älvskytteln presents a pair of concepts which could be used for transmission. The report also analyzes how the route affects the necessary charging effect and how chargingstations can be designed to transfer electricity to the vessel. Based on the ships route, calculations have been made for design of energy storage for Älvskytteln. The result of this report show that the electrification of Älvskytteln is quite feasible but that there are barriers to electrification, and that particular technology is not mature.
Förord Examensarbete är utfört vid och i samarbete med Viktoriainstitutet samt Institutionen för Signaler och System, Chalmers tekniska högskola, Göteborg. Examensarbete initierades av Henrik Engdal och Tommy Fransson på Viktoriainstitutet. Omfattningen av examensarbetet motsvarar 15 högskolepoäng som ingår i utbildningen för maskiningenjörer (180 högskolepoäng). Arbetet har gett god insikt i den problematik som uppstår vid en övergång från fossila bränslen till eldrift och de begränsningar samt hinder som uppkommer men också de fördelar och möjligheter som ges med elektrifiering av älvskytteln. Vi vill tacka alla på Viktoriainstitutet och framförallt våra handledare Tommy Fransson och Henrik Engdahl för stöd, idéer och tankar kring arbetet. Vi vill också tacka vår handledare på Chalmers, Lennart Widén för en god vägledning genom examensarbetet. Vi vill även tacka Helena Callstam på miljöbron som länkat samman oss med Viktoriainstitutet samt alla som under resans gång kommit med nya idéer och infallsvinklar. Memento vivere. Simon Carlsen och Anton Gustavsson, Göteborg 31/5/12
Nomenklatur Terminologi Ackumulator Anod Depth of discharge Effekt Ekologiskt fotavtryck Elektrolyt kapacitans Katod Kollektor Kondensator Pantograf State of charge Komponent som lagrar energi En positiv elektrod i ackumulator Urladdningsdjup i procent Mängd arbete uträttat eller energi omvandlat per tidsenhet Mått på mängden resurser som en människa förbrukar Substans innehållande fritt rörliga joner Mått på förmågan att lagra elektrisk laddning En negativ elektrod i ackumulator Motagande enhet vid överföring via induktion Komponent som lagrar energi (capacitator i anglosaxisk litteratur) Kontaktdon som används vid järnväg Ackumulatorns procentuella energimängd
Förkortningar A AC Ah BMS DC DOD F kw kwh LCO LFP LIB LIC LMO LTO NMC SOC V Wh Ampere Växelström Amperetimmar Battery management system Likström Depth of discharge Farad Enhet för effekt Enhet för energi, motsvarar 1 kw under 1 timma Litium-koboltoxid Litium-järnfosfat Litium-jonackumulator Litium-jonkondensator Litium-manganoxid Litium-titanat Litium-nickel-mangan-koboltoxid State of charge Volt Wattimmar Värden vid beräkning e1 = 9 SEK $1 = 7 SEK 1 liter diesel (skattefri) = 7,5 SEK 1 kwh från elnätet = 1 SEK
Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Bakgrund.................................... 1 1.2 Syfte... 2 1.3 Forskningsfrågor... 2 1.4 Avgränsningar... 3 2 Förutsättningar 5 2.1 Utvecklingspotential... 7 2.2 Framdrift... 8 3 Teori 11 3.1 Ackumulator... 11 3.1.1 Litiumjon-ackumulatorer... 11 3.2 Livslängd Ackumulatorer... 12 3.2.1 Litium-kobolt-ackumulatorer (LiCoO 2 )... 13 3.2.2 Litium-manganoxid-ackumulator (LiMn 2 O 4 )... 13 3.2.3 Litium-nickel-mangan-koboltoxid-ackumulator (LiNiMnCoO 2 ).. 14 3.2.4 Litium-titanat-ackumulator (Li 4 Ti 5 O 12 )............... 15 3.2.5 Litium-järnfosfat-ackumulator (LiF ep O 4 ).............. 15 3.3 Superkondensatorer... 16 3.4 Litiumjonkondensatorer... 17 3.5 Konduktiv överföring... 19 3.6 Induktiv överföring... 19 3.6.1 Primove................................. 20 i
INNEHÅLL 3.7 Eldrivna fartyg... 21 3.8 Kapslingsklassning... 21 4 Metod 23 4.1 Litteraturstudier... 23 4.2 Intervjuer... 23 4.3 Utvärdering av ackumulatortyper....................... 24 4.4 Konceptgenerering... 24 4.5 Utvärdering av koncept............................ 24 4.6 Källgranskning... 24 5 Resultat 25 5.1 Utvärdering av ackumulatortyper....................... 25 5.2 Jämförelse mellan kondesatorer och ackumulatorer... 27 5.3 Tekniska koncept för energilagring... 28 5.3.1 Litiumjon-ackumulator-koncept... 28 5.3.2 Koncept superkondensator....................... 31 5.3.3 Koncept litiumjonkondensatorer... 33 5.4 Tekniska koncept för energiöverföring... 34 5.4.1 Koncept Konduktiv överföring... 34 5.4.2 Koncept Induktiv överföring..................... 35 5.5 Kombinerade slutkoncept... 36 5.6 Kostnadsanalys av koncept... 37 5.6.1 Koncept 1................................ 37 5.6.2 Koncept 2................................ 38 5.6.3 Koncept 3................................ 38 5.6.4 Dagens Framdrivning... 39 5.7 SWOT... 39 5.8 Ruttplanering... 39 6 Slutsats 43 7 Diskussion 45 Litteraturförteckning 50 ii
INNEHÅLL A Appendix I Ritning Älskyttel... II A.1 Beräkningar koncept.............................. III A.1.1 Koncept 1................................ III A.1.2 Koncept 2................................ III A.1.3 Koncept 3................................ V A.2 Beräkningar kostnadsanalys... V A.2.1 Litiumjonackumulater Koncept 1... V A.2.2 Superkondensatorer Koncept 2... VI A.2.3 Litiumjonkondensator koncept 3................... VI A.2.4 Dagens koncept... VI Dimensionering av ackumulator...viii iii
1 Inledning Elektrifiering av vägtransporter studeras med stort intresse av både statliga och industriella aktörer. Hybridisering, och i ett senare skede, total elektrifiering tros kunna göra ett viktigt bidrag för att minska användandet av fossila energikällor. För marina applikationer har intresset än så länge varit litet. Anledningen till det kan härledas till skillnader i ekonomiska incitament och tekniska förutsättningar. Precis som för vägtransporter finns det dock vissa marina applikationer som lämpar sig bättre för elektrisk framdrift än andra. Älvskytteln som är ett passagerarfartyg som skall sättas i skytteltrafik i Göteborg 2013-2014 skulle kunna vara en av dessa. Baserat på fartygens körcykel med många starter och stopp liknar den på många sätt hybridbussens körcykler. 1.1 Bakgrund För att knyta ihop kollektivtrafiken mellan Hisingen och fastlandet används idag fem dieseldrivna passagerarfartyg. Mellan de två hållplatserna Rosenlund och Lindholmspiren har turtätheten ökat i och med att antalet resenärer ökat till följd av utbyggnaden av Lindholmen. Hög turtäthet ger hög belastning under rusningstid, med många starter och stopp för de trafikerande fartygen. De dieseldrivna fartygen släpper ut emissioner i stadsmiljö vilket bidrar till en mer luftförorenad stad. Emissionerna bidrar dels till en försämrad folkhälsa genom att partikelutsläppen inandas och orsakar ökad dödlighet och dels till att förstärka växthuseffekten och ökad försurning. Att använda sig av förnybara energikällor i större utsträckning istället för fossila bränslen som olja eller diesel ger en 1
1.2. SYFTE KAPITEL 1. INLEDNING mer hållbar lösning för passagerartrafiken över älven. Mycket tyder även på att oljepriset kommer fortsätta att öka (Mundi, 2012), därför kan det vara viktigt att alternativ till olja för framdrivning av fartygen analyseras. Västtrafik har beslutat att köpa in två nya dubbeländade fartyg vid namn Älvskytteln som beräknas trafikera sträckan Lindholmen-Rosenlund från år 2013-2014. Fartygen har en kapacitet på 298 passagerare. De nya fartygen ska drivas med hjälp av elmotorer som får sin ström från dieselgeneratorer. Fartygen är tänkta att utrustas med två maskinrum som skall innehålla varsin dieselgenerator varav det ena rummet är avsett för att möjliggöra test av nya och miljövänligare framdrivningstekniker (Västtrafik, 2012). I examensarbetet utreds hur det extra maskinrummet kan användas för att minimera dieselåtgången genom ökad användning av el från elnätet samt vilken teknik det finns för överföring av el. 1.2 Syfte Syftet är att undersöka om det finns ett funktionellt och ekonomiskt rimligt koncept som möjliggör att den dieselgenererade elen till Älvskytteln kan ersättas med el från marknätet. 1.3 Forskningsfrågor Vilken typ av laddning kan användas? Vilken effekt kräver fartyget för framdrivning? Vilken energimängd krävs för överfart över älven? Hur kan teknik för laddning implementeras? Vilken typ av energilagring kan användas? 2
1.4. AVGRÄNSNINGAR KAPITEL 1. INLEDNING 1.4 Avgränsningar De fartyg som har studerats är endast Älvskyttel 1 och Älvskyttel 2. Den rutt som har studerats är endast den mellan Rosenlund och Lindholmspiren. Examensarbetet har inte behandlat alternativa bränslen mer än el från. Examensarbetet har inte tagit upp energibehov och hantering vid framställning av ackumulatorer Rapporten behandlar inte andra förnybara energikällor. så som solenergi och vindkraft. Eventuella ekonomiska förutsättningar med avseende på oljeprisets utveckling gavs ytterst lite utrymme i denna rapport. 3
2 Förutsättningar Idet förfrågningsunderlag Västtrafik tagit fram tillsammans med SSPA och Light Craft Design Group på de två nya fartyg som skall vara i drift från år 2013-2014 beskrivs det att fartygen skall vara i trafik 20 timmar per dag året om. Sträckan som skall trafikeras mellan Lindholmen och Rosenlund är 900 meter och fartygen skall avgå var sjätte minut. I underlaget beskrivs även att en framtida rutt mellan Lindholmen och Stenpiren är högst sannolik. En framtida rutt mellan Lindholmen och Stenpiren är 1250 meter med en beräknad överfartstid på 7,5 minuter. Generella dimensioner, se tabell 2.1 (Västtrafik, 2012). För att skrovet ska klara motstånd mot de krafter fartygen utsätts för vid isbildning under vintertid skall fartygens skrov byggas i stål samtidigt som övre delen av fartygen byggs i aluminium eller annat lättviktsmaterial för att hålla nere vikten. Enligt underlaget beskrivs att is kan förekomma i områden på älven där vattnet kan stå stilla, exempelvis den bassäng som finns vid hållplatsen på Lindholmen. Göta Älv är dock inte Tabell 2.1: Fartygsdata(Västtrafik, 2012) Total längd Längd utmed Total bredd Bredd utmed vattenlinjen Djup 32 meter vattenlinjen 27,6 meter 8,5 meter 8meter 3.3 meter 5
KAPITEL 2. FÖRUTSÄTTNINGAR helt täckt av is under vintertid (Västtrafik, 2012). Målet är att transporterna ska ske med lågt ekologiskt fotavtryck. Fartygen utrustas med ett diesel-elektriskt maskineri som driver två roderpropellrar, en i fören och en i aktern, se figur 2.2 (Västtrafik, 2012). Följande citat finns i förfrågningsunderlaget angående framtida planer för drivlinan: The ferries shall be provided with diesel electric machinery. This machinery shall be able to be replaced or supplemented with an alternative power generation system in the future. The goal with future alternative power generation system is to further lower the environmental impacts of the ferries. Additional space and weight margins for further power generation installations shall be provided for. (Västtrafik, 2012). I underlaget beskrivs senare även följande: One intention is to use the vessel as a platform for testing successively available new equipment in the propulsion system in order to reduce operational cost and environmental impact. Consequently all installed equipment in the propulsion system need to have very high accessibility. It is also necessary to cater a lot of reserve space dedicated for possible new equipment. (Västtrafik, 2012). Styrsöbolaget som trafikerar sträckan Lindholmen-Rosenlund driver samtliga fartyg på dieselbränsle av miljö-klass 1 med inblandning av 5 procent RME (rapsmetylester) (Styrsöbolaget, 2012). Figur 2.1: Rutt mellan Rosenlund och Lindholmen 6
2.1. UTVECKLINGSPOTENTIAL KAPITEL 2. FÖRUTSÄTTNINGAR Figur 2.2: Ritning Älvskyttel (Västtrafik, 2012). 2.1 Utvecklingspotential Utifrån rapporten Utvecklingspotential Älvskytteln finns flera beräkningar som ligger till grund för denna rapport, bland annat vilken energikonsumtion som behövs för en 1100 meter lång rutt baserad på tidigare lagt förslag Älvpendel. Beräkningarna är baserade utifrån att varje överfart tar 360 sekunder inklusive 60 sekunder stopp vid varje hållplats. I rapporten konstateras att effekten för manövrering kräver 300 kw men framdrivningseffekten fartyget kräver vid överfart är 57 kw vilket innebär att dieselgeneratorerna inte kör på full effekt under stora delar av överfarten (Karlsson, 2011). Figur 2.3: Graf över rutt utan vind (Karlsson, 2011). 7
2.2. FRAMDRIFT KAPITEL 2. FÖRUTSÄTTNINGAR Graf 2.3 beskriver färd i 7.5 knop, ingen vind, propellereffekt begränsad till 300 kw, framdrivningseffekt vid konstant hastighet 57 kw, färdsträcka på 1100 meter där varje enskild resa tar 300 sekunder. Effektbehovet för fartyget ökar vid 15m/s motvind se figur 2.4 (Karlsson, 2011). Figur 2.4: Graf över rutt med vind (Karlsson, 2011). 2.2 Framdrift Enligt specifikationerna kommer Älvskytteln att utrustas med en drivlina som består av diesel-elektriska motorer, vilka består av dieselmotorer som genererar ström till fartygets elmotorer som i sin tur driver fartyget. Dieselmotorn genererar även ström till andra applikationer på fartyget, exempelvis belysning och ventilation. Användning av diesel-elektriska motorer ger goda förutsättningar att implementera en extern strömkälla som komplement till dieselmotorn(västtrafik, 2012). Drivlinan består av dieselmotorer, vilka klarar höga varvtal jämfört med de motorer som används vid traditionell mekanisk framdrivning av fartyg. Fördelen med att använda sig av högvarvsmotorer är att de väger och kostar mindre jämfört med de lågvarvsmotorer som används för direkt mekanisk framdrivning av fartyg (Kåre, 2003). För att omvandla dieselmotorns mekaniska energi till el används en generator vilket skapar en växelspänning. Frekvensen som genereras betecknas f[hz] som är proportionell till rotationshastigheten n[rpm] och antalet poler p hos rotorn (se ekvation 2.2) (Kåre, 2003). 8
2.2. FRAMDRIFT KAPITEL 2. FÖRUTSÄTTNINGAR Tabell 2.2: Verkningsgrad (Kåre, 2003). Generator η = 0.95 0.97 switchboard η =0.999 Transformator η = 0.99 0,995 Frekvensomvandlare η = 0.98 0.99 Elmotor η = 0.95 0.97 f = p 2 n 60 (2.1) En transformator ger sedan rätt spänning varpå en frekvensomformare omformar strömmen för att styra varvtalet på elmotorn. I alla komponenter sker energiförluster, därför måste dieselmotorns uteffekt vara större än elmotorns effektbehov. Enligt tabell 2.2 fås att en normal total verkningsgrad på ett diesel-elektriskt system ligger mellan 0,88 och 0,92. Verkningsgraden i systemet skiljer sig beroende på vilken last motorerna utsätts för (Kåre, 2003). Utifrån komponenter i tabell 2.2 fås förluster på ungefär 10 procent. Förlusterna kan dock vägas upp i den mån att fartyget kan använda mer optimala motorer och att elmotorer ger möjlighet att använda roderpropellrar som ger en högre manövrerbarhet hos fartyget som i sin tur minskar bränsleåtgången(kåre, 2003). η = P in P ut = P ut P ut + P forluster (2.2) 9
3 Teori Inedanstående kapitel beskrivs den teori som ligger till grund för rapporten. Vid framdrivning av älvskytteln med el från marknätet krävs ett energilager samt teknik för att överföra energi till fartygen. Här presenteras även befintliga lösningar vad gäller drivlinor för elektriska fordon. 3.1 Ackumulator Ackumulatorer används för att lagra energi och kan återuppladdas genom att anslutas till en extern strömkälla. Ackumulatorer finns i flera olika utföranden, bland annat som bly-ackumulatorer, nickel-kadmium-ackumulatorer och litium-ackumulatorer. Ackumulatorer finns i flera olika former och storlekar. Prismatiska ackumulatorer förekommer i elfordon då de är lätta att stapla på varandra för serie eller parallellkoppling till skillnad från cylindriska ackumulatorer (Lerner, 1999). 3.1.1 Litiumjon-ackumulatorer Litiumjon-ackumulatorer är ett samlingsnamn för de ackumulatorer som använder litiumjoner som elektrolyt. Litiumjon-ackumulatorer används förutom i mobiltelefoner även i elfordon. Litium är den lättaste metallen med nummer tre i periodiska systemet och har också störst elektrokemisk potential. Idag är samtliga kommersiella litiumjon-ackumulatorer i princip uppbyggda enligt figur 3.1 nedan. Litiumjonackumulatorer består av tre huvudkomponenter, anod, katod 11
3.2. LIVSLÄNGD ACKUMULATORER KAPITEL 3. TEORI och elektrolyt. Elektrolyten är vanligtvis en blandning av organiska kolkedjor exempelvis etylkarbonat innehållande koordinationsföreningar av litiumjoner. Vid urladdning flyttas litiumjoner från anod till katod och ström alstras medan vid laddning flyttas litiumjonerna i motsatt riktning. Katoden är skild från anoden med en separator som är byggd så att litiumjonerna kan passera genom separatorn vid ur- och uppladdning (Panasonic, 2012). 3.2 Livslängd Ackumulatorer Förslitning av litium-ackumulatorer är ett komplext och svårhanterligt problem där det idag sker mycket forskning. Åldrandet av ackumulatorerna beror i huvudsak av två faktorer: minskad mängd användbara litiumjoner samt minskning av elektrodyta och material. Åldrandet accelereras kraftigt för de flesta litiumjon-ackumulatorer av stora temperaturskillnader, djup urladdning (SOC-området) och höga laddningseffekter. Minskning av mängden användbara litiumjoner beror främst på korrosion och filmbildning på anoden när litiumjonerna bildar föreningar med grafiten. Livslängd anges i tid från produktion och antal cykler. Antalet cykler innebär antalet gånger en ackumulator kan fulladdas för att sedan helt urladdas. Om bara delar av SOC-området används kan den cykliska livslängden öka. Ackumulatorn slits minst vid användning kring 40-50 procent av SOC-området (Groot, 2012a). Olika ackumulatortypers cykliska livslängd skiljer sig i känslighet för hur stor del av SOC-området som används samt laddningseffektens storlek. 3.2.1 Litium-kobolt-ackumulatorer (LiCoO 2 ) Litium-kobolt-ackumulatorer (LCO) används i mobiltelefoner, bärbara datorer och kameror. Ackumulatorn består av en katod av kobolt, en anod av kol och elektrolyt av litiumjoner. Litium-koboltkatoden består av lager av koboltoxid som litiumjonerna kan röra sig genom, se figur 3.3 (Battery-University, 2011c). Figur 3.2 visar den generella prestandan för en litium-kobolt-ackumulator. Ackumulatorns styrkor är dess prestanda och höga energidensitet samtidigt som ackumulatorn har dålig livslängd i förhållande till andra litiumjon-ackumulatorer (Dinger et al., 2010). 12
3.2. LIVSLÄNGD ACKUMULATORER KAPITEL 3. TEORI Figur 3.1: Litiumackumulator (Groot, 2012b). Figur 3.2: Egenskaper för litium-kobolt-ackumulator (Dinger et al., 2010). 3.2.2 Litium-manganoxid-ackumulator (LiMn 2 O 4 ) Litium-manganoxid-ackumulatorer (LMO) använder sig av en anod av grafit och en katod av litium-manganoxid i form av en spinell (se figur 3.5). Strukturen hos spinellen sänker den inre resistansen i cellen då litiumjoner lättare kan röra sig på katoden och bidrar till en högre ström (Battery-University, 2011c). LMO har en energidensitet på cirka 100-135 Wh/kg och en livslängd på 500-1000 cykler (Battery-University, 2011a). 3.2.3 Litium-nickel-mangan-koboltoxid-ackumulator (LiNiMnCoO 2 ) Litium-nickel-mangan-koboltoxid (NMC) är vidareutveckling av LMO där katoden består av en kombination av nickel och mangan. Mangan har en låg energidensistet och tack vare sin spinellstruktur dessutom en låg inre resistans. Nickel har hög specifik ener- 13
3.2. LIVSLÄNGD ACKUMULATORER KAPITEL 3. TEORI Figur 3.3: Katodens uppbyggnad i en litium-kobolt-ackumulator (Battery-University, 2011c). Figur 3.4: Egenskaper för litium-manganoxid (Dinger et al., 2010). gi och i kombination med mangan fås en cell med låg inre resistans och hög specifik energi(se figur 3.6). NMC används idag i elverktyg(battery-university, 2011c). 3.2.4 Litium-titanat-ackumulator (Li 4 Ti 5 O 12 ) Litium-titanat-ackumulator (LTO) är en modifierad litiumjon-ackumulator, skillnaden är att ackumulatorns anod är täckt av ett skikt av litium-titanat istället för kol. Anoden av Figur 3.5: Uppbyggnad av Litium-Manganoxid (Battery-University, 2011c). 14
3.2. LIVSLÄNGD ACKUMULATORER KAPITEL 3. TEORI Figur 3.6: Egenskaper för litium-nickel-mangan-kobaltoxidt (Dinger et al., 2010). Litium-titanat ger fördelen att ackumulatorn kan laddas snabbare än en vanlig litiumjonackumulator. Titanatet medför att ackumulatorn har lägre energidensitet (Wh/kg) och ett högre pris jämfört med traditionella litiumjon-ackumulatorer (Battery-University, 2011c). Energidensiteten hos Litium-titanat-ackumulator är mellan 60-70 Wh/kg och 140 Wh/l med en livslängd på 6000 cykler se tabell 3.1 (Burke and Marshall, 2009). Titanatbehandlingen medför fördelen att 85 procent av SOC-området kan användas utan att accelerera åldrandet hos cellen nämnvärt men gör även att priset blir 1500 $/kwh. Litium-titanat-ackumulatorer används idag i fordon, bland annat bilen Mitsubishi i- MiEV (Green-Car-Congress, 2011). Figur 3.7: Egenskaper för litium-titanat (Dinger et al., 2010) 3.2.5 Litium-järnfosfat-ackumulator (LiF ep O 4 ) Litium-järnfosfat-ackumulatorer (LFP) har en katod av litium-järnfosfat och en anod av grafit. LFP har, tack vare sin nanostruktur på katoden, en god prestanda och har låg resistans. Fördelarna med LFP är att det är miljövänligare än andra litiumjonackumulatorer. LFP har bättre säkerhet och längre livslängd, se figur 3.8 (Battery- 15
3.3. SUPERKONDENSATORER KAPITEL 3. TEORI Tabell 3.1: Jämförelse ackumulatorer LCO LMO NMC LTO LFP Tid att ladda (min) 15 15 15 10 15 Livslängd (cykler) 500-1000 1000-2000 1000-2000 6000 2000 Spänning (volt) 3,6 3,8 3,6-3,7 2,4 3,3 Energidensitet (Wh/kg) 150-190 100-135 140-180 60-70 90-120 Kostnad per Wh 1000 1000 1000 1500 1000 University, 2011c). LFP är enligt Dinger en av de mest lovande teknikerna för ackumulatorer, det syns bland annat i antalet patent som finns för LFP. Det finns dubbelt så många patent rörande LFP jämfört med LTO och fyra gånger så många jämfört med NMC (Dinger et al., 2010). Flera biltillverkare använder LFP, bland annat, Volvo Cars som använder LFP i sina modeller C30 electric samt kommande Volvo V60 hybrid. LFP har en livslängd på 2000 cykler med en energidensitet på 90-120 Wh/kg (Battery-University, 2011a). Figur 3.8: Egenskaper för litium-järnfosfat (Dinger et al., 2010). 3.3 Superkondensatorer En superkondensator är en elektronisk komponent för att lagra energi som består av två plattor med aktiva elektroder som är skilda med en isolator. Superkondensatorn lagrar energi genom statisk laddning till skillnad från den elektrokemiska reaktion som sker i en ackumulator. Genom att spänningsskillnader skapas på superkondensatorns positiva och negativa platta lagrar de energi (se figur 3.9). 16
3.4. LITIUMJONKONDENSATORER KAPITEL 3. TEORI E = C V 2 2 (3.1) Energimängden i en kondensator ges av ekvation 3.1 där C är kapacitansen som mäts i farad och V är spänningen i volt mellan plattorna (vanligtvis runt 2,5 Volt). Isolatorns materialegenskaper bestämmer kondensatorns maximala spänning. C V ger kondensatorns laddning Q (Coulumb). Kapacitansen hos isolatorn beror på isolatorns area(a), avståndet (d) och kapacitiviteten ()(Tallner and Lannetoft, 2005). C = A d (3.2) Figur 3.9: Schematisk konstruktion av superkondensatorer (Maxwell-Technologies, 2009b). Vid användning i applikationer som kräver högt energiinnehåll och hög spänning krävs det att cellerna serie- och parallell-kopplas, var på cellerna kan monteras i moduler, se figur 3.10. I applikationer med flera celler är det viktigt att cellerna tillverkas med hög precision för att minska variansen dem emellan så att deras kapacitans och elektriska motstånd inte skiljer sig från varandra (Battery-University, 2011b). Vid laddning och urladdning av superkondensatorer ändras spänningen linjärt i förhållande till energiinnehållet (Battery-University, 2011b). 3.4 Litiumjonkondensatorer Litiumjonkondensatorer är en kombination av teknik för litiumjon-ackumulator och superkondensator där en grafitkatod likt den i en superkondensatorer och en anod av kol 17
3.4. LITIUMJONKONDENSATORER KAPITEL 3. TEORI Figur 3.10: Superkondensatorer monterade i modul med kylsystem (Maxwell-Technologies, 2009a). likt den i en litiumjon-ackumulator används (se figur 3.12). Det unika med litiumjonkondensatorer är att man dopar anoden med litiumjoner vilket ger anoden en mer negativ potential medan katoden behåller samma spänning. Litiumjonkondensatorns konstruktion ger en större potentiell skillnad mellan anod och katod jämfört med traditionella superkondensatorer. Detta medför att litiumjonkondensatorer har en spänning på 3,8 volt jämfört med superkondensatorer som vars spänning är cirka 2,6 volt, se figur 3.11 (JSR-Micro, 2011). Det uppskattade priset för litiumjonkondensatorer vid inköp av stora volymer uppskattas till e.015/f (Louis, 2012). Fördelarna med litiumjonkondensatorn är dess höga effekttäthet på upp till 7 kw/kg samt en hög energidenistet på 14 Wh/kg om man jämför med vanliga superkondensatorer (Se figur: 3.13). Effekttäthet är ett mått på den maximala effekt ackumulatorn kan leverera per kilogram. Figur 3.11: Grafen visar potentiell spänning hos katod, anod och totala hur totala spänningen förändras vid laddning och urladdning av superkondensator respektive hybridkondensator. 18
3.5. KONDUKTIV ÖVERFÖRING KAPITEL 3. TEORI 3.5 Konduktiv överföring Konduktiv överföring kräver att två metalliska ledare är i kontakt med varandra, där överföringen kan ske med flera olika typer av anslutningsanordningar. Den vanligaste konduktiva överföringen sker med hjälp av kontaktdon bestående av en han- och en honkontakt, exempelvis en stickkontakt. Ett vanligt sätt att överföra ström vid järnväg och spårväg är via pantografer även kallat strömavtagare som är en släpkontakt som används till fordonets drivström samt övrig utrustning. Spårvagnars pantograf med likström är av enklare karaktär än järnvägens högspänningspantografer då de inte utsätts för lika hårda påfrestningar som järnvägspantografer (Galeotti et al., 1993). För laddning av ackumulatorer är konduktiv laddning ett vanligt förekommande sätt för att överföra energi. Figur 3.12: Jämförelse mellan superkondensator och hybridkondensator. Figur 3.13: Graf över energidensitet kontra effektdensitet (JM-Energy, 1999). 19
3.6. INDUKTIV ÖVERFÖRING KAPITEL 3. TEORI Figur 3.14: Förslitning vid efter 100 000 laddcykler. 3.6 Induktiv överföring Induktion är en effekt som upptäcktes av Michael Faraday redan under 1830-talet. Det har gjorts försök med induktionsladdning av elfordon, bland annat Magne Charger (se figur 3.15) av General Motors där laddning skedde genom manuell inkoppling (Boston- University, 1999). Idag utvecklas tekniker för induktionsplattor i vägbanan, vid stoppljus eller parkering för elbilar med ett överföringsavstånd på runt 10 centimeter. Induktion sker genom att spänning överförs från en ledare till en annan genom att magnetfält bildas. Vid induktiv laddning behövs ingen metallisk ledare som binder ihop punkterna, utan istället varierar spänningen runt ledaren och ett magnetfält bildas. Magnetfältet kan i sin tur påverka elektronerna i en annan ledare varpå spänning induceras. Induktionsladdning ger möjlighet att man kan kapsla ledarna med ett skyddshölje vilket gör dem väl skyddade mot väta, en egenskap som är viktig för elektroniska system i en marin miljö. Induktion kan även ske med längre avstånd men förlusterna ökar ju längre avståndet är, därför är det att föredra att de båda ledarna har ett litet avstånd emellan varandra när ström ska överföras (Lundgren et al., 1982) Vid laddning är det lämpligt att tre-fas används tillsammans med en frekvenshöjare, Figur 3.15: Magne Charger användes av GM för induktionsladdning. 20
3.6. INDUKTIV ÖVERFÖRING KAPITEL 3. TEORI vilket minskar de förluster som sker vid induktionsladdning. Därefter kan transformatorn som är tvådelad överföra strömmen från land till fartyget med hjälp av tre spolpar, en för varje fas. Vid laddning ansluts järnkärnorna intill varandra och ström överförs. För att kunna ladda ackumulatorn krävs en likriktare som gör om växelströmmen till likström då ackumulatorn måste laddas med likström. 3.6.1 Primove Vid framdrivning av spårvagnar brukar överhängande kontaktledningar användas för att driva motorerna och annan elektrisk utrustning ombord på spårvagnarna. Bombardier har tagit fram systemet Primove där energi överförs genom induktion från ledningar nedgrävda under spåren (Primove, 2008). Ledningarna under spåren genererar nämligen ett magnetfält som kan användas för att induktivt överföra ström till spårvagnen. När spårvagnen passerar igenom magnetfältet omvandlar mottagare på spårvagnens undersida fältet till elektrisk ström som kan driva spårvagnen (Primove, 2008)(se figur 3.16). Med hjälp av en kontrollenhet generas magnetfältet bara när ledningen är helt täckt av spårvagnen, detta för att minska den tid magnetfältet är aktivt(primove, 2012). Tekniken bakom Primove är baserad på induktionsprincipen för en transformator där spolen har placerats på tågets undersida och spänningskällan placerats (ledningarna) under rälsen (se figur 3.17). Möjlig laddeffekt för primove ligger på 100-500 kw (Primove, 2008). Genom att använda induktiv överföring istället för en konduktiv överföring kan slitage minskas då ledarna inte behöver vara i kontakt med varandra. Primove hävdar att deras framdrivning är mer tillförlitlig och klarar vädervariation bättre än spårvagnar vars ström förses med konduktiv kontaktledning från ovan (Primove, 2008). Figur 3.16: Primove (Primove, 2008, 2012). 21
3.7. ELDRIVNA FARTYG KAPITEL 3. TEORI Figur 3.17: Induktionslösning Primove, (1) Transformator, (2) Luftspalt i järnkärna, (3) Nedre järnkärna ersatt med ledare (Bilodeau and Eng, 2011). 3.7 Eldrivna fartyg Det finns fartyg som redan idag drivs med el, exempelvis pluginbåten Raicho I som är en passagerarbåt som går att ladda med den japanska standardkontakten för elbilar ChAdeMO (Tokyo-Unviversity, 2009), detta fartyg har en kapacitet på 10 passagerare och trafikerar mellan två delar av ett universitetscampus. I skottland byggs just nu ett hybridfartyg för statliga företaget Caledonian Maritime Assets Ltd. Hybridfartyget ska använda litiumjonbatterier för att minska dieselförbrukningen. Fartyget har möjlighet att transportera både bilar och passagerare. Hybridfartygets emissioner beräknas minska med 20 procent jämfört med om det enbart haft en diesel-elektrisk drivlina (CMAL, 2012). 3.8 Kapslingsklassning Vid användning av elektroniska komponeter i maritim miljö är det viktigt att komponenterna har motstånd mot fukt och väta. För att säkerställa detta finns en klassificering IEC 60529 för vilka komponenter klassificeras efter dess förmåga att skydda vid beröring och mot inträngande föremål respektive mot inträngande vatten (SP, 2009a,b). För applikationer på däck är det lämpligt att använda sig av minst IP67 vilket innebär att komponenterna ska klara att utsättas för damm under längre perioder samt sänkas ner i en vattenbehållare till en meters vattendjup och förbli där under 30 minuter (SP, 2009a). 22
4 Metod Inedanstående kapitel presenteras de metoder som använts för att ta fram förslag för hur en elektrifiering av Älvsnabben skulle kunna ske. Här beskrivs vilket tillvägagångssätt som använts för att utvärdera energilagringstyper och vilken typ av överföring som är lämplig att använda. 4.1 Litteraturstudier Vid projektets start påbörjades en insamling av sekundärdata för att få en tydligare och bättre bild av områdena snabbladdning och Älvskytteln. Förfrågningsunderlag, teknisk specifikation samt material om förbättringsförslag på Älvskytteln samlades in för att se hur passagerarfartyget kommer att utformas och se vilka möjligheter det fanns för utveckling av alternativ drift. Sekundärdata kring ackumulatorer, kondensatorer och tekniker för laddning samlades in genom litteratursökning från ett flertal forskningsrapporter samt tillverkare. Sekundärdata resulterade i avsnittet teoretisk referensram för att stödja rapportens resultat och slutsatser. 4.2 Intervjuer För vidare arbete var det viktigt att diskutera med experter inom de olika områdena. Ett intervjuunderlag togs fram för att få svar på de frågor som var viktiga för det framtida arbetet. Inom flera områden vad det gäller teknik för energilagring fanns svårigheter att 23
4.3. UTVÄRDERING AV ACKUMULATORTYPER KAPITEL 4. METOD få fram relevant data då data tenderar att bli inaktuell fort. För att få tillgång till aktuell data var det speciellt viktigt att diskutera med experter. Genom intervjuer gavs en bra bild av hur dagens teknik ser ut samt kommande teknik. 4.3 Utvärdering av ackumulatortyper En utvärdering av de olika litiumjonackumulatorerna genomfördes för att undersöka vilken teknik som är optimal för Älvskyttel 1 och 2. Utvärdering baserades på generella data för energidensitet, livslängd och pris men också angivelser från specifika produkter. 4.4 Konceptgenerering Koncept för hur energilagring samt hur energi från marknätet kan överföras togs fram utifrån givna data från förfrågningsunderlag samt rapporten Utvecklingspotential för Älvsnabben. Dimensionering av energilager samt erfordrad laddeffekt gjordes med hjälp av simuleringar i programvaran Excel 2010. Vid framtagning av koncept för energiöverföring användes tidigare litteraturstudier för att bedöma möjliga lösningar där säkerhet, ekonomi och automatisk anslutning var av högsta vikt. 4.5 Utvärdering av koncept En jämförelse mellan konduktiv och induktiv överföring av ström gjordes med dess fördelar och nackdelar utifrån hur teknik används idag. Jämförelsen baserades på både höga och låga strömmar. Utvärdering har gjorts utifrån vilka förluster som sker med olika tekniker samt kostnader för dessa. 4.6 Källgranskning Områden som ackumulatortyper och teknik för laddning är under ständig forskning och utveckling, det har därför varit viktigt med källgranskning. Vid insamling av sekundärdata och material har därför enbart tagits från forskningsrapporter, erkända organisationer, tillverkare samt från forskare inom områdena. 24
5 Resultat Vid elektrifiering av Älvskytteln krävs att flertalet parametrar och hinder tas i beaktande. Det finns både tekniska-, ekonomiska- och miljö-aspekter som bör analyseras vid elektrifiering eller hybridisering. I detta kapitel presenteras framförallt tekniska lösningar för vilka denna rapport ligger till grund för vad gäller energilagring samt vilken typ av överföring för energi som kan användas till fartygen. Följande kapitel presenterar även hur fartygens körschema påverkar laddningstid och erfoderlig laddningseffekt. 5.1 Utvärdering av ackumulatortyper Ackumulatorers egenskaper skiljer sig från varandra och därför gjordes en analys för att ta fram vilken typ som är lämplig för Älvskytteln. Vid en analys av vilken typ av litiumjonackumulator som är mest optimal för Älvskytteln togs fem ackumulatorer i beaktande, dessa var: LCO, NMC, LMO, LFP och LTO. Maskinrummet begränsar vilken vikt och volym som kan användas i Älvskytteln. Används snabbladdning så ter sig inte ackumulatorns vikt och volym kritisk, detta så länge ackumulatorpaketets energimängd hålls under 500 kwh. För att använda ackumulatorer till Älvskytteln är det viktigt att de har tillräcklig prestanda för att klara snabbladdning. För att ackumulatorpaketet skall bli ekonomisk att använda är det viktigt att livslängden hos ackumulatorn är tillräckligt lång. Älvskytteln kommer kräva relativt stora ackumulatorpaket vilket innebär att säkerheten för paketen är viktig. 25
5.1. UTVÄRDERING AV ACKUMULATORTYPER KAPITEL 5. RESULTAT Figur 5.1: Jämförelse emellan ackumulatorer. Tabell 5.1: Data över ackumulatorer LMO NMC LFP LTO Energidensitet[ Wh/kg ] 100-135 140-180 90-120 60-70 Cyklisk livslängd [ cykler ] 500-1000 1000-2000 2000 6000 Pris [ $/kwh ] 1000 1000 1000 1500 I bilindustrin används alla nämnda ackumulatorer utom LCO. LCO är den vanligaste kommersiella typen av litiumjonackumulator men på grund av dess instabila konstruktion med risk för värmeutveckling är tekniken inte lämplig för framdrivning av fordon. För att ladda fartyget krävs ackumulatorer som klarar snabb ladd- och urladdning. NMC och LMO har problem med värmeutveckling vid snabb laddning och urladdning. Att använda NMC eller LMO ger ett ackumulatorpaket med låg säkerhet vilket medför att ett avancerat kontroll- och kylsystem (BMS) måste användas. Kontrollenheten vid användning av NMC och LMO kräver en noggrann state of charge-givare för att ackumulatorn inte ska urladdas för djupt, då detta kan accelerera åldrandet av ackumulatorn. Livslängden hos ackumulatorerna är en högt prioriterad egenskap för att motstå det hårda cyklande som ackumulatorer utsätts för då de laddas under en minut, upp till 200 gånger per dag, med en energiförbrukning på upp till 2000 kwh per dag. Den ackumulator med högst energidensitet är NMC men NMC lider av flera brister och en kort livslängd precis som LMO (se tabell 5.1). 26
5.2. JÄMFÖRELSE MELLAN KONDESATORER OCH ACKUMULATORER KAPITEL 5. RESULTAT Ackumulatortypen LTO är ungefär 50 procent dyrare än övriga litiumjonackumulatorer men har längre livslängd vilket gör att en högre investeringskostnad kan motiveras vid val av LTO. En fördel med LTO är att hela 85 procent av SOC-området kan användas utan att livslängden försämras drastiskt samt att LTO klarar av högre laddeffekter än andra typer av litiumjon-ackumulatorer utan att åldrandet påskyndas. Den ackumulator som författarna anser vara mest lämplig för Älvskytteln baserat på dess körschema är litium-titanat-ackumulatorn (LTO) trots ett högre pris då den klarar av höga laddeffekter och hårt cyklande bättre än andra ackumulatorer på marknaden. 5.2 Jämförelse mellan kondesatorer och ackumulatorer Det finns flera fördelar med kondensatorer jämfört med ackumulatorer. Kondensatorer kan avge hög effekt samt laddas upp fort, vilket gör att de är lämpliga i applikationer som kräver att energiinnehållet fylls samt avges på kort tid. Livslängden hos kondensatorer är längre än ackumulatorer och klarar upp till en miljon laddcykler utan att dess prestanda försämras nämnvärt. I graf 5.2 visas hur livslängden hos en kondensator ändras beroende på vilken spänning den laddas med. En nackdel med superkondensatorer är att de har väldigt lågt energiinnehåll per massa och volym jämfört med ackumulatorer. Enskilda celler har både lågt energiinnehåll och låg spänning. Kondensatorer och Ackumulatorer skiljer sig på ett par sätt. Spänningen hos en kondensator ändras linjärt vid både laddning och urladdning medan ackumulatorer tenderar att ha en mer konstant spänning under sin urladdningscykel. Figur 5.2: Graf som visar superkondensatorer förslitning med avseende på spänning (Maxwell-Technologies, 2009b). 27
5.3. TEKNISKA KONCEPT FÖR ENERGILAGRING KAPITEL 5. RESULTAT 5.3 Tekniska koncept för energilagring För att presentera eventuella lösningar för energilagring togs tre koncept fram, ett med litiumjon-ackumulatorer i form av LTO och ett med superkondensatorer samt ett med litiumjonkondensatorer. Koncepten dimensionerades efter att energiåtgången för en resa är 10 kwh och att denna energi skall återuppladdas vid hållplats. Koncepten utformades på ett sådant sätt att de dimensionerades inom ramarna för den volym och vikt som maskinrum och fartyget begränsas av. 5.3.1 Litiumjon-ackumulator-koncept Vid dimensionering av ackumulatorpaket finns flera faktorer som påverkar valet av paketets storlek. Den viktigaste faktorn för ackumulatorn är dess livslängd, vilket beror på att ackumulatorerna kommer cyklas hårt då den används i Älvskytteln. En ackumulators livslängd begränsas av två faktorer, dess ålder samt antal laddcykler den utsätts för. Dimensionering bör därför ske på ett sådant sätt att ackumulatorns antal cykler begränsar livslängden och inte på grund av ackumulatorns ålder. Om ackumulatorn begränsas av dess ålder tyder det på att ackumulatorpaketet varit överdimensionerat och att ett enklare ackumulatorpaket varit mer idealt. Den cykliska livslängd styrs i första hand av två faktorer, laddeffektens storlek och hur stor del av SOC-området som används. Ackumulatorns cykliska livslängd ökar om ett mindre SOC intervall används. Hur mycket ackumulatorns cykliska livslängd ökar vid minskat SOC-intervall vid normal användning är svårt att beräkna. Vid samtal med Jens Groot framkom att ett ackumulatorpaket som dimensionerats så att en överfart står för 10 procent av paketets totala energiinnehåll bör klara 10 000 cykler jämfört med de 6000 ackumulatorpaketet klarar vid full urladdning. För att öka den cykliska livslängden ytterligare bör ackumulatorn cyklas mellan 40-60 procent av SOC-området. Vid mindre SOC-intervaller antas ackumulatorns cykliska livslängd öka ytterligare med några tusen cykler men livslängden förlängs regressivt. En ökad cyklisk livslängd vid användning av mindre intervaller innebär att stora ackumulatorpaket är att föredra. Vid användning av stora ackumulatorer ökar fordonets vikt vilket leder till ökad energiåtgång och därför bör en balans mellan cyklisk livslängd, livslängd i år, vikt och kostnad finnas. En användning där ackumulatorpaketet startar dagen på 60 procent av energiinnehållet medför längre cyklisk livslängd men innebär också att fartygen blir mindre flexibla vid till exempel strömavbrott i laddenheten eller för användning på längre sträckor än 28
5.3. TEKNISKA KONCEPT FÖR ENERGILAGRING KAPITEL 5. RESULTAT om fartygen varit fulladdade. Vid stormiga dagar bör ackumulatorn fulladdas eftersom energiåtgången vid sådana förhållanden ökar kraftigt och laddeffekten kan ha svårt att räcka till. Vid dimensionering av ackumulatorpaketet för Älvskyttel 1 & 2 har tre fall analyserats där det ena är baserat på dagens körschema för de befintliga fartyg som trafikerar sträckan Rosenlund - Lindholmspiren och det andra baserat på den förfrågan Västtrafik lagt för Älvskytteln. Ett tredje fall har även analyserats som baseras på att det inte sker nån laddning vid hållplatserna utan att laddning istället sker i hamn över natten. Vid dimensionering antogs att maximalt 65 procent av ackumulatorpaketets totala energimängd fick används vid normal drift för att inte äventyra ackumulatorpaketets livslängd i allt för stor utsträckning. Älvskyttel 1 & 2 antas maximalt få starta dagen med 80 procent SOC viket innebär att ackumulatorn inte får passera under 15 procent SOC vid normal drift. Livslängden, sett till ålder, för litiumtitanatackumulator antas precis som andra litiumjonackumulatorer vara 10 år. Detta innebär att det anses meningslöst att dimensionera ackumulatorn så att den cykliska livslängden blir längre än livslängden i år. Fall 1 I fall 1 beräknas den dagliga energikonsumtionen utifrån fartygens nuvarande tidtabell (se tabell A.1 Appendix S.IV) och utifrån en uppskattad energiförbrukning på 10 kwh per resa. Detta ger en daglig energiförbrukning på 1020 kwh vid 102 turer per dag (se beräkning appendix S.V). Laddtiden för Älvskyttel 1 & 2 varierar under dygnet enligt graf 5.3. Av grafen framgår att för Älvskyttelns driftsituation innebär att ackumulatorpaket större än 300 kwh kommer att slitas ut på grund av sin ålder och inte på grund av cyklandet. Ett ackumulatorpaket som slits ut av ålder skulle innebära att man inte får ut maximalt med energi ur ackumulatorn och ger upphov till högre kostnader än nödvändigt. Älvskyttel 1 & 2 kommer dimensioneras för att klara 10 ton extra vikt för test av ny teknik för framdrivning. Då uppskattning av kontrollenhet och laddutrustnings vikt saknas antas en maximal vikt på ackumulatorpaketet på 5 ton. Livslängden i år är 10 år men kan variera och därför väljs ett ackumulatorpaket på 200 kwh för att på så sätt få en cyklisk livslängd på 6,45 år som bör garantera att ackumulatorpaketet slits ut på grund av cyklandet. Ett ackumulatorpacket på 200 kwh innebär att en laddeffekt på 300 kw krävs för att hålla SOC-nivån över 15 pro- 29
5.3. TEKNISKA KONCEPT FÖR ENERGILAGRING KAPITEL 5. RESULTAT cent om ackumulatorpaketet antas starta dagen med 80 procent SOC(se graf 5.3). Ett ackumulatorpaket på 200 kwh kommer väga att 3077 kg och ha en volym på 1,43m 3. Fall 2 Enligt underlaget ska Älvskyttel 1 & 2 vara i drift i fem minuter följt av en minut i hamn, 20 timmar om dagen. Detta innebär att ackumulatorpaketet kommer att laddas i en minut 200 gånger per dag. Vid laddtid på en minut kommer laddeffekten behöva vara 600 kw för att ersätta de 10 kwh som en överfart kräver. Med en laddeffekt på 600 kw kan ackumulatorns SOC-nivå hållas på ett bestämt intervall under hela dagen då all energi för en överfart överförs vid laddning. Av grafen Figur 5.3: Skärningspunkten mellan den cykliska och årliga livslängden. Figur 5.4: SOC vid fall 1 under två timmar av dagen vilket representativt för hela dagen. 30
5.3. TEKNISKA KONCEPT FÖR ENERGILAGRING KAPITEL 5. RESULTAT framgår att Älvskyttelns driftsituation innebär att ackumulatorpaket större än 550 kwh kommer att slitas ut på grund av sin ålder och inte på grund av cyklandet. Då en direkt övergång till underlagets driftschema anses osannolikt bör ackumulatorn inte dimensioneras över 300 kwh för att klara att användas enligt dagens körschema och ändå vara ekonomiskt lönsamt. Fartygen kommer att vara dimensionerade att klara 10 ton extra vikt för test av ny teknik för framdrivning och därför anses att vikten för ackumulatorpaketet inte bör överskrida 5 ton då uppskattning av vikt för laddutrustning och kontrollenhet saknas. Ett ackumulatorpaket på 300 kwh valdes på grund av dess vikt och cykliska livslängd. För att maximera ackumulatorns cykliska livslängd bör ackumulatorn cyklas mellan 40-60 procent av SOC-området. Ackumulatorpaketet antas starta dagen på 50 procent med hjälp av kontrollenheten och cyklas mellan 47-50 procent vid normal drift (se graf 5.6). Beräkningar utifrån energidensitet för litium-titanat kommer ackumulatorpaketet på 300 kwh väga 4,5 ton och ha en volym på 2,16m 3. Fall 3 Vid avsaknad av laddstationer vid hållplatserna Rosenlund och Lindholmspiren där ackumulatorpaketet laddas över natten i hamn innebär att ackumulatorpaketet måste dimensioneras för att klara hela dagens energibehov. Energibehovet för Älvskytteln är enligt dagens driftschema 1020 kwh och 2000 kwh enligt underlaget vilket skulle innebära en erfordrad laddeffekt på 85 kw vid 12 timmars drifttid som dagens körschema och 500 kw vid användning enligt underlaget. Vikten för ett sådant ackumulatorpaket skulle bli mellan 16-31 ton och kosta 7-14 miljoner SEK. Då fartygen är dimensionerade att klara 10 ton extra last skulle ett koncept utan laddstationer medföra allt för stora vikter för att anses som en lösning. Vid användning av ett sådant koncept skulle en ackumulatortyp med högre energidensitet så som NMC kunna användas. Problemet med användning av NMC är dess låga cykliska livslängd vilket skulle innebära att ackumulatorpaketet skulle behöva ersättas vart fjärde år, vilket medför stora kostnader som inte anses hållbara. 5.3.2 Koncept superkondensator Ett koncept med superkondensatorer som energilager togs fram. I detta koncept räcker enbart energin till en överfart för att sedan fulladdas då laddningstiden för superkondensatorer är några sekunder. Superkondensatorpaketet kan dimensioneras till 10 kwh 31