Το Κέντρο Αριστείας του ΕΜΠ και οι σύγχρονες προκλήσεις του project MARINELIVE
Των κ.κ.
Ιωάννη Προυσαλίδη, Αναπληρωτή Καθηγητή ΕΜΠ –Λάμπρου Καϊκτσή, Επίκουρου Καθηγητή ΕΜΠ
« Οι πρώτες εφαρμογές εξηλεκτρισμού των συστημάτων πλοίου εμφανίστηκαν στις αρχές του εικοστού αιώνα, με αφετηρία τα βοηθητικά συστήματα, επεκτεινόμενες σε συστήματα κύριας πρόωσης.
Η ηλεκτροπρόωση (δηλ. η χρησιμοποίηση ηλεκτρικού κινητήρα ως κύρια προωστήρια μηχανή του πλοίου) αποτέλεσε μια εναλλακτική λύση στον σχεδιασμό των προωστήριων συστημάτων έως τη δεκαετία του 1950, επανεμφανίστηκε δε δυναμικά λίγο πριν το 2000, κυρίως εξαιτίας σημαντικών τεχνολογικών εξελίξεων στην επιστημονική περιοχή των ηλεκτρονικών ισχύος και των τεχνικών ελέγχου ροπής-στροφών των ηλεκτρικών κινητήρων.
Οι πρώτες εφαρμογές ηλεκτροπρόωσης νέας γενιάς ξεκίνησαν από τα πολεμικά πλοία, για να ακολουθήσουν εμπορικά πλοία, με αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αρχικά επιβατηγά-κρουαζιερόπλοια και πιο πρόσφατα υγραεριοφόρα LNG.
Επιπλέον, τα τελευταία 15 χρόνια, οπότε και το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας καλύπτει το σύνολο των ενεργειακών αναγκών του πλοίου (δηλ. βοηθητικά και ηλεκτροπρόωση σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας Integrated Full Electric Propulsion – IFEP), υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για Πλήρως Εξηλεκτρισμένα Πλοία (All Electric Ships), στα οποία όλα τα επιμέρους συστήματα να είναι εξηλεκτρισμένα.
Τα πλοία αυτά, εφόσον σχεδιαστούν κατάλληλα, χαρακτηρίζονται από πλεονεκτήματα όπως η αυξημένη δυνατότητα ελιγμών, ο ακριβής έλεγχος της ταχύτητας και της θέσης του πλοίου, η εξοικονόμηση χώρου (λόγω μειωμένων διαστάσεων του πρωστηρίου και του αξονικού συστήματος, ειδικά εάν χρησιμοποιούνται αζιμουθιακοί προωστήρες), καθώς και τα χαμηλότερα επίπεδα εκπομπών θορύβου και αέριων ρύπων.
Τα παραπάνω συνοδεύονται από χαμηλότερα επίπεδα κόστους λειτουργίας και συντήρησης.
Στα πλήρως εξηλεκτρισμένα πλοία, οι κινητήρες Diesel, οι αεριοστρόβιλοι και οι ατμοστρόβιλοι εξακολουθούν να υπάρχουν ως κινητήριες μηχανές, αλλά, αντί να κινούν μέσω του αξονικού συστήματος την έλικα, κινούν ηλεκτρικές γεννήτριες, που με τη σειρά τους τροφοδοτούν τους ηλεκτρικούς κινητήρες πρόωσης.
Οι υπογράφοντες το παρόν άρθρο δραστηριοποιούνται ως μέλη της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΣΝΜΜ/ΕΜΠ), τόσο εκπαιδευτικά όσο και ερευνητικά, στην ευρύτερη επιστημονική περιοχή της Ναυτικής Ηλεκτρολογίας, στην οποία περιλαμβάνονται, μεταξύ άλλων, οι μελέτες σχεδίασης και λειτουργίας συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας πλοίων καθώς και συστημάτων ηλεκτροπρόωσης πλοίων:
•Ισολογισμός αναγκών σε ηλεκτρική ενέργεια πλοίων (ενεργός και άεργος ισχύς)
•Ηλεκτρολογική εγκατάσταση δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας (λειτουργία με χαμηλή ή υψηλή τάση, με εναλλασσόμενο ή συνεχές ρεύμα)
•Μελέτη βραχυκυκλωμάτων
•Δίκτυο γείωσης λειτουργίας
•Προβλήματα Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος (αρμονική παραμόρφωση, βυθίσεις και ανυψώσεις τάσης, αιχμές υπέρτασης, ασυμμετρίες κ.λ.π.)
•Συνεργασία μηχανικού φορτίου (π.χ. έλικας) και ηλεκτρικού κινητήρα με ηλεκτρονικές διατάξεις ρύθμισης στροφών.
Τα Εξηλεκτρισμένα Πλοία και οι νέοι κανονισμοί του ΙΜΟ
Ο Διεθνής Οργανισμός Ναυτιλίας (International Maritime Organization – IMO), στην προσπάθεια περιορισμού της ατμοσφαιρικής ρύπανσης που προκαλούν τα μέσα θαλασσίων μεταφορών, και λαμβάνοντας υπόψη τις επιταγές του Πρωτοκόλλου του Kyoto, έχει προχωρήσει στη δημιουργία ενός κανονιστικού πλαισίου για την ποσοτική αποτίμηση της ενεργειακής απόδοσης κάθε νεο-ναυπηγούμενου πλοίου.
Η αξιολόγηση αυτή γίνεται μέσω του Σχεδιαστικού Δείκτη Ενεργειακής Απόδοσης πλοίου (Energy Efficiency Design Index – EEDI), ο οποίος αντανακλά το ποσό του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα (CO2) αναγόμενου στην ονομαστική ωφέλιμη μεταφορική ικανότητα του πλοίου.
Ειδικότερα, όσον αφορά στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας των πλοίων:
•Σε πλοία με συμβατική (μη ηλεκτρική) πρόωση, ο δείκτης EEDI λαμβάνει υπόψη τη συνεισφορά του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με την απλοποιητική παραδοχή ότι οι ηλεκτρογεννήτριες εργάζονται σταθερά στο 75% της ονομαστικής τους ισχύος.
•Σε πλοία με ηλεκτρική πρόωση, ο δείκτης EEDI δεν εφαρμόζεται, προς το παρόν, και έτσι τα πλοία αυτά δεν υπόκεινται σε συναφείς περιορισμούς.
Ο ρόλος του ΕΜΠ στις σύγχρονες προκλήσεις για το Πλήρως Εξηλεκτρισμένο Πλοίο
Η ΣΝΜΜ/ΕΜΠ επέτυχε τη χρηματοδότηση από την Ευρωπαϊκή Ένωση του έργου MARINe ELectrical InitiatiVE – MARINELIVE, στο αναπτυξιακό πλαίσιο του οποίου θα δημιουργηθεί στο ΕΜΠ ένα Κέντρο Αριστείας στην περιοχή του Πλήρως Εξηλεκτρισμένου Πλοίου.
Το έργο έχει εκκινήσει από τον Δεκέμβριο του 2010, με συμμετοχή και υποστήριξη από ευρωπαϊκούς φορείς (Ερευνητικά Ινστιτούτα, Πανεπιστήμια και εταιρικά σχήματα) με σχετική τεχνογνωσία και δραστηριότητα:
•Από τη Γαλλία: DCNS, IFPEN, L-3
•Από το Ηνωμένο Βασίλειο: UCL, Converteam
•Από την Ελβετία: Wärtsilä Switzerland, ETH-Zurich
•Από τη Γερμανία: EXA Corporation.
Μέσα από τις δράσεις του έργου, θα δοθεί η δυνατότητα στη ΣΝΜΜ/ΕΜΠ να αναπτύξει περαιτέρω τεχνογνωσία, τόσο στην περιοχή των ηλεκτρικών μηχανών (γεννητριών και προωστήριων ηλεκτρικών κινητήρων) και δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, όσο και στην περιοχή των θερμικών κινητήριων μηχανών (που κινούν τις γεννήτριες), ώστε να δημιουργηθεί ένα Διεθνές Κέντρο Αριστείας στην περιοχή του Πλήρως Εξηλεκτρισμένου Πλοίου.
Στο πλαίσιο αυτό, η ΣΝΜΜ/ΕΜΠ θα μπορέσει να συνδράμει την επιστημονική κοινότητα σε θέματα σχετιζόμενα με τον σχεδιασμό ηλεκτροκίνητων πλοίων και την αξιολόγηση μεθόδων αποτίμησης της ενεργειακής απόδοσης αυτών.
Επί παραδείγματι, οι υπό εξέλιξη ερευνητικές δραστηριότητες περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός Κεντρικού Συστήματος Παρακολούθησης των ροών ενεργού και αέργου ισχύος στο ηλεκτρικό δίκτυο, καθώς και συμβάντων κακής ποιότητας ηλεκτρικής ισχύος, με στόχο ένα Σχέδιο Διαχείρισης της Ενεργειακής Απόδοσης Πλοίου (Ship Energy Efficiency Management Plan – SEEMP), σε συμφωνία με τις επιταγές του IMO.
Για την επίτευξη των στόχων του προγράμματος MARINELIVE, έχει συγκροτηθεί μια επιστημονική ομάδα αποτελούμενη από μέλη ΔΕΠ της ΣΝΜΜ/ΕΜΠ και μεταδιδακτορικούς ερευνητές, με σημαντική ενίσχυση νέου εξοπλισμού με δαπάνες του έργου (με το κυριότερο στοιχείο εξοπλισμού έναν εξομοιωτή Δικτύου Πλήρως Εξηλεκτρισμένου Πλοίου), για την υποστήριξη της σχετικής έρευνας.
Τα αποτελέσματα των δραστηριοτήτων του προγράμματος MARINELIVE είναι προγραμματισμένο να δημοσιοποιούνται στο πλαίσιο μιας σειράς εκδηλώσεων∙ η επόμενη εκδήλωση αφορά στη διοργάνωση δύο διαδοχικών Διεθνών Συναντήσεων Εργασίας (Workshops) με αντικείμενα Κινητήριες Μηχανές Ηλεκτρογεννητριών και Συστήματα Αυτοματισμών και Ελέγχου Πλοίου (21-23 Νοεμβρίου 2012).
Συναφείς δράσεις προγραμματίζονται και για το υπόλοιπο (εντός του 2013) χρονικό διάστημα εκτέλεσης του έργου MARINELIVE (σχετικές ανακοινώσεις στην ιστοσελίδα του έργου, www.marinelive.org).
Συναφείς Ερευνητικές Δραστηριότητες
Η ενίσχυση της ερευνητικής ομάδας του ΕΜΠ σε ανθρώπινο ερευνητικό δυναμικό, αλλά και σε εξοπλισμό, συνέβαλε στην επιτυχία αιτήσεων χρηματοδότησης συναφών ερευνητικών έργων, σύνοψη των οποίων παρουσιάζεται στη συνέχεια:
1)Ερευνητικό Έργο «ΔΕΥΚΑΛΙΩΝ» (ΕΣΠΑ-ΘΑΛΗΣ)
Το έργο «ΔιερΕΥνηση Και Αντιμετώπιση προβλημάτων ποιότητας ηΛεκτρικής Ισχύος σε συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας πλοίΩΝ» (ΔΕΥΚΑΛΙΩΝ) χρηματοδοτείται από το πλαίσιο «ΕΣΠΑ-ΘΑΛΗΣ», αποσκοπεί δε στη μελέτη και επίλυση προβλημάτων Ποιότητας Ηλεκτρικής Ισχύος (ΠΗΙ) κατά τη λειτουργία του Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) ενός σύγχρονου πλοίου με έντονο εξηλεκτρισμό, ενώ παράλληλα στοχεύει στην αξιόπιστη λειτουργία του, συνδυάζοντας την ασφάλεια προσωπικού και επιβατών με τη φιλικότητα προς το περιβάλλον.
Έτσι, μελετώνται και προτείνονται βελτιστοποιημένες διαμορφώσεις για κρίσιμα υποσυστήματα του ΣΗΕ: γεννήτριες άξονα, πλευρικοί και αζιμουθιακοί ηλεκτροκίνητοι προωστήριοι μηχανισμοί, μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος, καθώς και σύστημα ηλεκτρικής γείωσης και αντικεραυνικής προστασίας.
Τέλος, πρόκειται να σχεδιαστεί ένα κεντρικό σύστημα διαχείρισης της Ηλεκτρικής Ενέργειας επί του πλοίου, με ειδική πρόνοια στη λήψη μετρήσεων ΠΗΙ και στη διαχείριση ανεπιθύμητων καταστάσεων. Το έργο συνιστά μια διεπιστημονική προσέγγιση στο πρόβλημα της ΠΗΙ σε ΣΗΕ πλοίων, με συνέργεια πολλών καταξιωμένων επιστημόνων.
2)Ερευνητικό Έργο «DC-Ship» (Πρόγραμμα ΑΡΙΣΤΕΙΑ)
To έργο «Direct Current in Ship Initiative» (DC-Ship) αποσκοπεί στη διερεύνηση των επιδράσεων της ένταξης συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας Συνεχούς Ρεύματος (ΣΡ) σε πλοία, τόσο στον βαθμό απόδοσης (εξοικονόμηση καυσίμου και μείωση εκπομπών ρύπων) όσο και στο κόστος κατά τον κύκλο ζωής αυτών.
Σε αυτό το πλαίσιο, προβλέπεται μια σειρά από ερευνητικές δράσεις που σχετίζονται με την ενδελεχή διερεύνηση των προβλημάτων εγκατάστασης, λειτουργίας αλλά και συντήρησης του εξοπλισμού των δικτύων ΣΡ σε πλοία.
Στο έργο προβλέπονται δράσεις αξιοποίησης των αποτελεσμάτων, σε συνεργασία με φορείς της ελληνικής εμπορικής ναυτιλίας.
Η επιτυχής ολοκλήρωση του έργου αναμένεται να συμβάλει στη σύγκλιση της σχετικής, σε ευρωπαϊκό επίπεδο, έρευνας προς την αντίστοιχη στις ΗΠΑ.
3)Ερευνητικό Έργο «ΤΡΙΒΟ-ΜΑΡΙΝΕ» (Πρόγραμμα ΑΡΙΣΤΕΙΑ)
Ο κύριος στόχος του έργου TRIBO-MARINE («Tribological Optimization of Marine Propulsion Systems») είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή υπολογιστικών και πειραματικών μεθοδολογιών με στόχο τη βελτιστοποίηση σημαντικών τριβολογικών στοιχείων (εξαρτημάτων) σε εγκαταστάσεις πρόωσης πλοίων.
Το πρόγραμμα συνίσταται σε μια εκτενή σειρά μελετών βελτιστοποίησης βασισμένων σε υπολογιστικές μεθόδους, με υποστήριξη από πειράματα.
Η προτεινόμενη έρευνα λαμβάνει υπόψη πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις που καθιστούν εφικτές μικρο-κατεργασίες υψηλής ακρίβειας σε μεταλλικές επιφάνειες. Σύμφωνα με πρόσφατες έρευνες, η χρήση επιφανειών με σχεδιασμένη μικρο-τραχύτητα ή/και κατάλληλες ιδιότητες διαβροχής (υδροφοβικές και υπερ-υδροφοβικές επιφάνειες) μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση στοιχείων μηχανών όπως τα ελατήρια εμβόλου και τα ακτινικά/ωστικά έδρανα.
Έτσι, στο πλαίσιο του έργου TRIBO-MARINE, θα υλοποιηθούν μελέτες βελτιστοποίησης της γεωμετρίας (σχεδιασμένης μικρο-τραχύτητας) και των ιδιοτήτων διαβροχής ελατηρίων και εδράνων με χαρακτηριστικά και διαστάσεις αντιπροσωπευτικά εγκαταστάσεων πρόωσης πλοίων με κύρια μηχανή κινητήρα Diesel.
Οι βέλτιστες λύσεις (γεωμετρία μικρο-τραχύτητας, ιδιότητες διαβροχής) θα προσδιοριστούν κυρίως με χρήση υπολογιστικών μεθόδων, συγκεκριμένα μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής, σε συνδυασμό με μεθόδους βελτιστοποίησης, και θα ελεγχθούν πειραματικά.
Το αναμενόμενο αποτέλεσμα του έργου είναι βέλτιστοι σχεδιασμοί σημαντικών στοιχείων τριβολογικού ενδιαφέροντος, με εφαρμογή στον σχεδιασμό ή στον επανα-σχεδιασμό εγκαταστάσεων πρόωσης πλοίων»
Σημείωση:
Συντονιστής των έργων υπ’ αριθμόν 1)«ΔΕΥΚΑΛΙΩΝ» και 2 )«DC-Ship» είναι ο Αναπληρωτής Καθηγητής του ΕΜΠ κ. Ιωάννης Προυσαλίδης.
Συντονιστής του έργου υπ’ αριθμόν 3)«ΤΡΙΒΟ-ΜΑΡΙΝΕ» είναι ο Επίκουρος Καθηγητής του ΕΜΠ κ. Λάμπρος Καϊκτσής.
Info Photo: Ο κος Προυσαλίδης(αριστερά) με τον κο Καϊκτσή
