海事イノベーション: エネルギー貯蔵とバッテリー物流

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輸送の電動化は世界中で注目を集めています。 2030 年までに、電化フェリー、タグボート、貨物船の価値は 142 億ドルに達すると予想されます。 電気推進の人気が高まると、エネルギー生産会社にとってエネルギー貯蔵とバッテリーの物流の重要性が最優先事項になります。

エネルギー貯蔵に焦点を当てた2022年の研究によると、さまざまなリチウムイオン電池の化学的性質が利用可能であり、情報源は船舶に最も実現可能なソリューションとしてリチウムマンガンコバルト酸化物を挙げている。 電動船舶の需要が高まるにつれ、持続可能で信頼性の高いリチウム供給の必要性も高まっています。

世界初の完全電動自律型貨物船が2021年にノルウェーで進水した。全長80メートル（262.4フィート）、重量3200トンのこの船は、容量6.8MWhの8個のリチウムイオン電池を搭載しており、ほぼ水力発電のみで電力を供給している。

電気推進に関する重要な問題は、充電インフラの欠如です。 エネルギー貯蔵会社はシュテマン法がこの問題に取り組んでいますが、港では波止場にある充電施設はまだ稀です。 しかし、このハードルは、パワーブイという新しい充電方法に取って代わられます。

洋上風力発電所で充電するために計画されているパワーブイは、停泊用途にも適応できる可能性があります。 このオプションにより、船舶が利用可能なバースまたは次の航海の指示を待っている間に陸上電力を供給できます。

スーパーキャパシタと超電導体は、海洋においてさまざまな程度の開発と商業展開が行われているエネルギー貯蔵技術です。

これらの技術はまだ船舶では使用されていませんが、電池とは異なる特性に基づいて、特殊用途向けの代替エネルギー貯蔵源として研究されています。 スーパーキャパシタのエネルギー貯蔵は、船舶の一次エネルギー貯蔵には適していませんが、ピーク需要の補助、エンジン始動、または動的位置決めの補助として役立つことがわかります。

ハイブリッド

ハイブリッド システムは、シリーズ ハイブリッドとパラレル ハイブリッドの 2 つの構成に分けることができます。 直列および並列のドライブトレインにより、エンジンと電気モーターが独立して、または相互に連携して電力を供給できます。

シリーズ ハイブリッド システムはディーゼル ハイブリッド推進に似ていますが、エネルギー貯蔵と組み合わせられています。 プロペラは完全に電気モーターによって駆動され、ディーゼル発電機は推進力と補助動力の両方を提供します。 バッテリー バンクは、ディーゼル駆動の発電機、陸上電力、または風力、太陽光、水力などの他の自然エネルギー源によって充電できます。 これらのバッテリーは、電力需要が低いときに充電され、電力需要がピークになるときに放電されます。

パラレル ハイブリッド システムは、従来の推進力とディーゼル電気システムを組み合わせたものです。 パラレル ハイブリッド システムは、さまざまな推進力需要を利用する船舶に最適です。 理想的な候補は、通常、大口径プロペラを駆動する高出力ディーゼル エンジンを必要とする港湾補助タグボートや護衛タグボートです。 外航船舶の移動や破壊を支援する際、ピーク電力が必要となるのは船舶の運航時間のほんの一部の間だけであり、残りの運航はアイドリングまたは低電力で行われます。

ハイブリッド機械-電気システムは世界中で人気が高まっています。 2018年、ノルウェーは100％バッテリー電力で動作できるディーゼルと電気のハイブリッド双胴船「ビジョン・オブ・ザ・フィヨルド」を納入した。

米国最大のフェリー システムであるワシントン ステート フェリー (WSF) は現在、16 隻のフェリーを機械と電気のハイブリッド システムに転換しています。 このプログラムはこれまでに助成金と州および連邦政府の資金から13億3,000万ドルを受け取っているが、全額資金を調達するにはさらに23億7,000万ドルが必要だ。

マースクは、船舶の性能と信頼性を向上させるために、全長250メートル（820フィート）4,500TEUのコンテナ船であるマースク・ケープタウンで600kWの海洋電池システムを試験運用しています。 この容器には廃熱回収システムも組み込まれており、廃熱からバッテリーを充電できます。

バッテリー (すべて電気式)

リチウムイオン電池は、全電気式船舶の最も一般的な電源です。 エネルギーと出力密度が高く、ライフサイクルが比較的長いため、海上輸送に最適です。

リチウムイオン電池には 3 つの主要な化学的性質があり、それぞれに独自の好ましい特性セットがあります。 それらは、ニッケルマンガンコバルト (NMC)、リン酸鉄リチウム (LFP)、チタン酸リチウム (LTO) です。

NMC バッテリーの化学的性質は今日の電気自動車の大部分を構成しており、3 つの組成すべての中で最も高い比エネルギーを含んでいます。 追加の 2 つの化学物質の望ましい特徴は、それぞれの比エネルギーが低いにもかかわらず、寿命の延長と安定性の向上です。

アラバマ州ジーズ ベンドのジーズ ベンド フェリーは、100% リチウム イオン バッテリーで再給電できるように改修されました。 フェリーは 2 つのバンクの 135 kWh バッテリーと、推進用の新しい 480 VAC 誘導モーターで動作します。

船舶が長距離を航行する場合、バッテリー電気推進を使用する際の主な課題は、通電時間と充電容量です。 その結果、車載バッテリーに蓄えることができるエネルギー量には限界があります。 長距離輸送船に関してこの問題に取り組んでいる企業はいくつかあります。

アセア ブラウン ボヴェリ、EST-フロートテックそしてフリートゼロ各社は、船上で経験する反転、衝撃、重力に対して耐久性を備えたコンテナ化されたバッテリー システムを開発しました。

去年、フリートゼロ 1,550万ドルを確保し、コンテナバッテリーで走行できるように改造する船を探している。 同社の計画は、小規模な港に焦点を当て、バッテリー共有スキームを利用して、航路を短縮した航路に分割することだ。

充電ステーション

フェリーやタグボートなど、短距離の固定航路を運航する船舶は電気運航に最適です。 これらのルートでは、大型貨物船と比較して、充電インフラのニーズを簡素化できます。 バッテリー パックは、航行中フェリーに完全に電力を供給することができ、予測可能なルートにより海岸線の充電インフラを効率的に展開できます。

ドイツに拠点を置くシュテマン法は、コンテナ船やフェリー用の陸上電源システムを設計するエネルギー貯蔵会社です。 このシステムは、潮の変化や船舶の動きに耐えられるように設計されています。

港の交通渋滞を緩和することを目的としたもう 1 つの充電オプションは、オフショア充電ブイです。 マースク・サプライ・サービスとオーステッドは、2023年に充電パイロット・ブイの試験に向けて提携した。試験は北海にあるオーステッドの風力発電所の1つで行われ、スティルストロームのプロトタイプ・ブイがサービス・オペレーション船（SOV）と乗組員に電力を供給する。農場で稼働する移送船（CTV）。

充電ブイにより、停泊中に冷たいアイロンがけが可能です。 全体的な排出量の削減は、ブイから供給される電力が風力発電や水力発電などの再生可能エネルギーから供給されているかどうかによって異なります。

新興エネルギー貯蔵技術

まだ商業的に導入されていない新しいエネルギー貯蔵技術は、超電導磁気エネルギー貯蔵 (SMES) です。 SMES は当初、負荷平準化および海岸側のグリッドスケールシステムとして構想されていましたが、現在では船舶上のパルス電力およびピークシェービングのために検討されています。

SMES は、超電導状態に到達できる極低温まで冷却される超電導コイルで構成されています。 SMES の動作は、どのような充電状態であっても電流が電流を流す閉ループ システムを通って無限に流れ続けるという概念に基づいています。

充電時、電流は一方向にのみ流れ、パワーコンディショニングシステムはコイルに正の電圧を生成してエネルギーを蓄えます。 放電中、電力調整システムは、逆電圧を生成することにより、コイルの両端の負荷としてシステムを模倣するように変更されます。

SMES システムは迅速な対応が可能です。 ほんの数秒で充電から放電、またはその逆にモードを変更できるため、船舶上のパルス電力やピークカットの優れた候補となります。

スーパーキャパシタは、充電フェーズと放電フェーズの間で切り替わる際に同じレベルの迅速性を備えており、海上市場に投入されようとしています。 関連する電気化学反応を通じてエネルギーを蓄えるバッテリーとは対照的に、スーパーキャパシタは静電エネルギーの形で電気を蓄えます。

スーパーキャパシタのさらなる利点は、リチウムイオン電池と比較した場合、寿命が長いことです。

日本電産インダストリアルソリューションズ (NIS) は、設計者や造船設計者と協力して、フランスの全電気フェリーに高速充電スーパーキャパシタを実装しています。 日本電産のシステムは、双胴船の各船体全体に分散される 128 個のスーパーキャパシタに依存します。 充電に30分以上かかる従来のバッテリ再充電システムの代わりに、日本電産のスーパーキャパシタを使用すると、フェリーはわずか4分で再充電できると予測されています。

ドイツに拠点を置くスケルトンテクノロジーは、空冷と液冷の両方のテストを経て、海洋認証プロセスを経たスーパーキャパシタ モジュールを開発中です。

ただし、スーパーキャパシタが保存できるエネルギーの総量には制限があります。 蓄積されたエネルギーは、長期間蓄積すると自己放電します。

全体として、船舶の運用ニーズによって、その特殊なエネルギー貯蔵システムが決まります。 電化と代替推進システムが海事業界での存在感をさらに確立するにつれて、エネルギー貯蔵システムは船舶の種類に応じて断固として進歩し続けることが予想されます。

ベン・ヘイデンはメイン州在住で、マサチューセッツ州北部の造船所で育ちました。 ストーリーテリングに対する彼の情熱は、メイン州の海岸を航海中に持続可能なビジネス、農民、漁師に焦点を当てたフリーランスの映画で生まれました。