La propulsione marina ibrida – nuova frontiera per sistemi di accumulo

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Negli ultimi anni sono state sviluppate applicazioni navali per l’impiego di energia elettrica nella propulsione, in affiancamento ai motori a combustione, principalmente nel settore delle navi di assistenza (rimorchiatori, posa-cavi, Oil&Gas) e nello yachting.

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Schema motore ibrido (fonte Caterpillar)

La tecnologia più affermata prevede l’inserimento di un motore-generatore, innestato sull’asse motore in parallelo al motore principale, avviato dal sistema di accumulo (batterie). Il sistema di accumulo è caricato dai generatori ausiliari. A seconda delle potenze e della capacità delle batterie, la propulsione elettrica può variare da una funzione ausiliaria durante le manovre fino a diventare una fonte primaria per la propulsione.

Il vantaggio principale del sistema di propulsione ibrido è la riduzione di carburante durante l’operatività della nave a basse velocità.

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Efficenza propulsione / giri motore

A bassi regimi, la potenza che il motore può trasmettere all’elica è superiore alla potenza richiesta dall’elica per l’avanzamento. Essendo l’asse di propulsione innestato direttamente sull’asse dell’elica, una parte dell’energia derivata dal processo di combustione è sprecata in misura proporzionalmente superiore rispetto a regimi superiori.

Il ragionamento è estendibile in modo analogo alla gestione degli organi ausiliari (sistema raffreddamento, lubrificazione) ed alle emissioni nocive (NOx, CO2).

In queste situazioni è efficente l’impiego della propulsione elettrica. Le batterie possono essere caricate da un generatore di minore potenza, ma operante a regimi di rotazione che raggiungono il massimo dell’efficenza operativa.

Alcune esperienze con rimorchiatori (Foss Maritime) dimostrano risparmi di carburante fino al 25% e di emissioni fino al 50% (certificati dall’agenzia per l’ambiente EPA) Tanto più è la percentuale di impiego del motore a regimi ridotti, tanto maggiore è il risparmio.

E’ possibile evidenziare delle regole generali per comprendere le potenzialità dei motori ibridi:

  • i motori diesel operano alla massima efficenza quando generano il massimo carico
  • a velocità di crociera – ed in misura maggiore in manovre in porto o a basse velocità – i motori diesel hanno un’efficenza ridotta
  • un motore ibrido può migliorare l’efficenza generale di propulsione solo se le perdite nella trasformazione meccanica-elettrica (e viceversa) sono inferiori al miglioramento di efficenza complessiva della propulsione (e quindi al risparmio totale di carburante per generatori/motore)
  • un motore ibrido deve essere valutato nel bilancio energetico complessivo della nave, essendo il complesso generatori/batterie disponibile anche per l’alimentazione dei carichi elettrici ausiliari
  • il motore ibrido aumenta la resilienza della nave offrendo un sistema di back-up utile in condizioni di emergenza o manutenzione
  • il motore ibrido può aumentare la potenza complessiva trasmessa all’asse di propulsione

Si trovano pubblicati numerosi esempi applicativi di motorizzazione ibrida; la maggior parte è recente ed è a cura di produttori di chiara fama, a dimostrazione del crescente interesse del mercato.

Numerosi produttori e società di armamento in tutto il mondo sono interessati agli sviluppi: al congresso di Amsterdam (25-26 giugno 2015) presentano papers: Fincantieri, Rolls-Royce Marine, Doosan Heavy Industries tra i produttori; DNV, Fraunhofer, American Bureau of Shipping ed alcune univeristà tra i gli enti di ricerca.

I driver di crescita del mercato sono essenzialmente:

  • la riduzione dei costi operativi (fuel, costi manutenzione, costi gestione rifornimenti)
  • la possibilità di accedere a coste ed aree portuali sensibili in termini di emissioni
  • la forte riduzione del costo dei sistemi di storage elettrochimico (sopratutto Li-Ion)
  • la creazione di una leva di marketing legata all’innovazione tecnologia eco-friendly
  • la creazione di un vantaggio competitivo (soprattutto nel settore yacht e super yacht) con la creazione di un green-label riconosciuto da enti portuali e marina

Al momento non sono reperibili dati certificati sulle prestazioni dei motori ibridi in termini di:

  • confronto tra rapporti energetici (energia generata dal motore/ energia impiegata per la propulsione) tra i sistemi diesel e ibridi in diverse condizioni di navigazione a parità di scafo;
  • idem c.s. per il confronto tra emissioni acustiche
  • idem c.s. per il confronto tra emissioni gassose nocive climalteranti (CO2)
  • idem c.s. per il confronto tra emissioni nocive per la salute (PM, NOx)

La disponibilità di dati e standard di riferimento per la progettazione è senz’altro una frontiera da raggiungere per lo sviluppo del mercato.

Informazioni su Marco Bonvini

Renewable energy entrepreneur. Marco Bonvini
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