SISTEMI DI PROPULSIONE IBRIDA DIESEL-ELETTRICA

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1 SISTEMI DI PROPULSIONE IBRIDA DIESEL-ELETTRICA ASCOMAC UNIMOT Ing. Claudio Rossi Dip. Ingegneria Elettrica Alma Mater Studiorum Università di Bologna

2 Introduzione 1. Caratteristiche degli azionamenti elettrici 2. Propulsione tradizionale 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata 4. Applicazione: sistema ibrido su navi per la pesca a strascico 5. Propulsione ibrida 'minima' 2

3 1. Azionamenti elettrici 3

4 1. Azionamenti elettrici Tipi di macchine elettriche (forme costruttive) 4

5 1. Azionamenti elettrici macchina asincrona rotore a gabbia statore 5

6 1. Azionamenti elettrici macchina sincrona di tipo brushless rotore con magneti permanenti (statore analogo alla macchina asincrona) 6

7 1. Azionamenti elettrici macchina asincrona azionamento con macchina asincrona 80% overload 85% 90% 95% rated 7

8 1. Azionamenti elettrici azionamento brushless overload C nom 98% 97% 96% rated torque 95% ω nom 8

9 2. Azionamenti elettrici accumulatore Energia * Costo** Numero [Wh/kg] [ /Wh] cicli Pb -acido <30 0, Ioni di litio ,80 >1000 Ni-MH 60 0,70 >1000 Ni-Na-Cl 80 0, benzina , * Energia meccanica generabile per unità di peso del sistema di accumulo ** Costo di acquisto delle batterie e dell'energia elettrica, comparata al costo della benzina 9

10 2. Propulsione tradizionale caratteristiche meccaniche torque [pu] NEF MR706 CAT 3406C load speed [pu]

11 2. Propulsione tradizionale motori termici - efficienza torque [pu] speed [pu]

12 2. Propulsione tradizionale caratteristiche punto di lavoro: determinato dalla caratteristica del carico... taglia: motori termici dimensionati per la potenza (o la coppia) massima richiesta dall'asse elica... meccanica: riduttore, invertitore, continuità meccanica...

13 2. Propulsione tradizionale ibrido serie di grande potenza

14 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata Layout fuel ICE cooling exhaust inverter cooling fuel ICE cooling exhaust inverter cooling ICE PMSG INVG ICE ECU PMSG INVG GENSET 1 GSCU GENSET n GSCU P M S M n P M S M n AC power supply AC power supply propeller drive propeller drive

15 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata Layout fuel ICE cooling exhaust inverter cooling fuel ICE cooling exhaust inverter cooling ICE PMSG INVG ICE ECU PMSG INVG GENSET 1 GSCU GENSET n GSCU INVM INVM INVM MDCU P M S M 1 P M S M 2 P P M M S S M M n n P M S M n AC power supply AC power supply propeller drive propeller drive

16 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Ottimizzazione del punto di funzionamento del motore termico consumo specifico [g/kwh]

17 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Ottimizzazione del punto di funzionamento del motore termico - generatori a velocità variabile

18 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Ottimizzazione del punto di funzionamento del motore termico - generatori a velocità variabile 1 speed [pu] torque [p u] torque speed power [pu]

19 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Ottimizzazione del punto di funzionamento del motore termico - generatori a velocità variabile specifi c fuel consumption [g/kw Wh] consumo specifico power [pu]

20 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile motori 'automotive veloci' esempio peso: 1.55 kg/cv volume 1.54 l/cv costo /CV durata 2500 h a metà potenza range potenza CV FPT - SDE1258 JTD GV4VE4

21 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Frazionamento ottimale su 4 unità di generazione 1 Potenz ze ottimali di ciascun mo otore (pu) Potenza erogata (pu)

22 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Caratteristiche 1/2 elevato numero di gruppi gen-set (es. 10) utilizzo di motori termici per applicazioni 'automotive' tecnologia allo stato dell'arte (es. common rail) motori più veloci dei motori tradizionalmente utilizzati per applicazioni marine emissioni ridotte (possibilità FAP, SCR,...) utilizzo di combustibili alternativi (LNG, LPG, bio...) punto di funzionamento a consumo minimo complessivo, gestione ON-OFF delle unità

23 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata GEN-SET a velocità variabile Caratteristiche 2/2 costo ridotto della motorizzazione possibilità di sostituzione dei motori con macchine più moderne di diversi costruttori manutenzione semplificata, ricambi sempre disponibili ridotte vibrazioni e rumorosità (semplice insonorizzazione) integrazione del sistema di generazione con l'impianto elettrico di bordo possibilità di sostituire utenze meccaniche e idrauliche con azionamenti elettrici

24 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata Azionamenti direct drive sull'elica Es. di motore brushless ad alta coppia accoppiamento diretto con l'elica densità di coppia: 20 Nm/kg montaggio a stack Lucchi R. Elettromeccanica

25 3. Propulsione ibrida pluri-frazionata Azionamenti direct drive sull'elica Caratteristiche eliminazione del gruppo riduttore-invertitore montaggio a stack: frazionamento del motore in diverse unità frazionamento del sistema di conversione elettronico costi ridotti elevata affidabilità ridondanza del sistema di propulsione

26 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Soluzione tradizionale Specific cons (g/kwh) P=0.5p.u. P=0.4 p.u. P=0.7p.u. P=0.6p.u. P=0.9 p.u. P=0.8p.u. 4,5 nodi strascico P=1p.u. 11,5 nodi P=0.3p.u. 11 nodi 250 torque (Nm) 0.6 P=0.2p.u. 10,5 nodi nodi 230 P=0.1p.u speed (rpm)

27 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Limiti della soluzione tradizionale Durante il traino, il motore termico eroga la coppia massima ad una velocità di rotazione inferiore alla massima. Generalmente il motore ha una potenza massima superiore alla potenza necessaria al traino... Anche se questa potenza non è necessariamente utilizzata a nave libera. La scelta di un motore termico dimensionato in coppia per il traino può quindi portare a un sovradimensionamento in potenza del motore stesso Efficienza variabile del motore termico

28 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Dimensionamento dell'elica Elemento del sistema di conversione con l efficienza inferiore (... e fortemente variabile) Il progetto deve massimizzare l efficienza nella fase di lavoro con il maggiore consumo energetico. Ad esempio il traino (spinta elevata a bassa velocità di avanzo). L'azionamento elettrico dell'elica sarà in grado di trascinare a l'elica anche in punti diversi (a nave libera ea ad elevata velocità di avanzo)

29 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Caratteristiche funzionali L'azionamento elettrico dell elica soddisfa i diversi punti di lavoro (coppia-velocità) all elica senza apprezzabili scostamenti di efficienza. Il sistema di generazione primaria produce, istante per istante, la necessaria potenza elettrica richiesta dall azionamento elettrico dell elica e da eventuali carichi elettrici a bordo. Ogni valore di potenza elettrica ett è ottenuto caricando il motore termico (o l insieme dei motori termici) nel punto di lavoro a consumo minimo complessivo.

30 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Vantaggi tecnici 1/3 Modularità: motori termici di piccola dimensione e di costo complessivamente inferiore a quello di un grande motore navale dimensionato per l intera potenza necessaria. motori termici: motori di tipo automotive e quindi facilmente reperibili sul mercato, a bassa emissione, facilmente intercambiabili e manutenibili. 'Marinizzazione' dei motori termici eseguita a livello centralizzato. Gen-set: costituiti da generatori elettrici ad accoppiamento diretto con il relativo motore termico ingombro minimo

31 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Vantaggi tecnici 2/3 Compatibilità ambientale: emissioni in atmosfera, rumore, consumo. Modularità dei gruppi di motogenerazione: intercambiabilità, aggiornamento della motorizzazione primaria allo stato della tecnica. Eliminazione del gruppo riduttore-invertitore. Introduzione di motori elettrici per l elica del tipo direct-drive, multi stack.

32 4. Propulsione ibrida pluri-frazionata su navi da pesca a strascico Vantaggi tecnici 3/3 ottimizzazione del progetto dell'elica, senza vincoli provenienti dalla caratteristica meccanica del motore. Riduzione dei costi: di investimento di esercizio di manutenzione e

33 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" power split e-cvt (Electric Continuously Variable Transmission) "trasmissione elettromeccanica per l'accoppiamento a rapporto variabile del motore termico con l'asse elica e per la produzione combinata di potenza elettrica"

34 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" Layout e-cvt

35 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" All interno della trasmissione si trova una macchina elettrica di potenzapariacircail10 15% della potenza massima del motore termico. La macchina elettrica è controllata da un azionamento alimentato da un pacco batterie. il pacco batterie è collegato anche all'impianto elettrico di bordo All interno della trasmissione non si trovano elementi di accoppiamento quali frizioni, giunti viscosi, ecc...

36 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" Modalità di funzionamento: a) puro elettrico a bassa potenza b) puro termico c) ibrido

37 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" a) puro elettrico L asse elica è messo in rotazione dalla sola macchina elettrica. (Il motore temico è spento e bloccato) Il dimensionamento in potenza della macchina elettrica limita la velocità dell elica, ad esempio fino a 50% della velocità massima. a Si può realizzare l inversione del senso di rotazione nello stesso range di velocità.

38 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" c) puro termico Funzionamento con il motore termico collegato all asse elica mediante rapporto di riduzione fisso. La macchina elettrica è esclusa dal funzionamento della trasmissione

39 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" b) ibrido Sia il motore termico che la macchina elettrica sono in funzione Per una data velocità del motore termico: Controllo diretto sulla velocità dell elica mediante controllo della macchina elettrica. Velocità dell elica in un range di velocità che dipende dalla velocità del motore termico. Ad esempio con motore al regime di minimo: regolazione velocità dell'elica: -40% +50%

40 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" b) ibrido Il sistema riceve due riferimenti: la velocità dell'elica la potenza elettrica da generare La velocità del termico è quindi scelta sia in base alle esigenze di propulsione che sulla base della richiesta di energia di bordo

41 5. Sistema ibrido "power split e-cvt" 1500 propeller speed vs. EM speed, for different ICE speed carrier speed vs. sun speed for different value of ring speed relazioni cinematiche propeller speed wc [rpm] [rpm m] ICE speed ωice [rpm] ws [rpm] Electric Motor speed [rpm]

42 Sistemi ibridi termico - elettrico Conclusioni propulsore ibrido serie propulsore ibrido 'minimo'

43 Grazie per l attenzione Ing Claudio Rossi Ing. Claudio Rossi Dipartimento Ingegneria Elettrica via Risorgimento, Bologna ITALY Ph mobile claudio.rossi@unibo.it web: