JONAS KRISTIANSEN NØLAND KARTLEGGING AV POTENSIALET FOR BATTERIDRIFT PÅ FERGER I NORGE Om ZERO Zero Emission Resource Organisation er en miljøstiftelse som skal bidra til å begrense de menneskeskapte klimaendringene. Vårt utgangspunkt er at det finnes utslippsfrie alternativ til de fleste utslippskilder. ZERO har som mål å være en pådriver for de utslippsfrie løsningene og jobbe for at de realiseres framfor de forurensende. Spørsmål om denne rapporten kan rettes til: ZERO – Zero Emission Resoruce Organisation Maridalsveien 10 0178 Oslo www.zero.no [email protected] Alle bilder i denne rapporten er fra Stårheim Fergekai, på strekningen Isane- Stårheim. Fergen er M/F Davik. Foto: Hans Andreas Starheim. 2 • Kartlegging av fergesamband INNLEDNING ZEROs prosjekt ”batteridrevne ferger” i 2010 avdekket at det er gode teknologiske muligheter for elektriske batteriferger. I tiden etter rapporten har dette fått økt oppmerksomhet, og flere ulike prosjekter for batte- ridrift av ferger og hurtigbåter er nå lansert. Dette har ført til et økende behov for en mer grundig kartleg- ging av fergesambandene i Norge. ZERO har gjort en vurdering av sambandene som Statens Vegvesen har omtalt i sin Håndbok 157. Denne håndboken omfatter de statlige og fylkesvise bilfergesambandene med en forholdsvis høy aktivitet på fergene i over 3 måneder av året. Det er viktig å få innsikt i hvilke samband som egner seg for batteridrift i førsteomgang. Sambandene som egner seg er først og fremst de rutene der fergen blir utsatt for lave belastninger. Dette vil si korte ferge- strekninger med lave energibehov for hver overfart og tilstrekkelig tid imellom overfartene. Utprøving på slike samband kan øke kommersialiseringen av konseptet, samt gi innsikt slik at man kan benytte batte- riteknologi på hardere belastede fergestrekninger. Det må vurderes hvilke fergesamband som er tilpasset batteridrift per dags dato. Dette har ZERO gjort en vurdering av og funnet at 47 av totalt 125 fergesamband er aktuelle for batteridrift. Av de resterende sambandene er 44 vurdert som uaktuelle for batteridrift, mens 34 muligens kan bli aktu- elle for batteridrift i fremtiden. For at disse skal bli aktuelle kreves videre utvikling av batteriteknologi eller endring av sambandets tid mellom overfart og/eller nattligge. Med andre ord er om lag en tredel av sambandene klare for batteridrift i dag, mens en tredjedel kan bli aktu- elle for batteridrift i framtiden. En tredjedel av fergene er uaktuelle til batteridrift. Redegjørelsen av disse sambandene skal gi økt politisk handlekraft, samtidig som det skal øke bevisstheten i befolkningen omkring mulighetene for batteridrevet ferge. Det er viktig å slå fast at det i dag også finnes ferger (tungtransport) som antageligvis aldri vil kunne gå over til batteridrift. Der finnes det imidlertid andre miljøvennlige løsninger som biodrivstoff. Jonas Kristiansen Nøland Sivilingeniørstudent, M.Sc. Kartlegging av fergesamband • 3 I Norge finnes omlag 125 fergesamband hvor det er en trafikk over en periode på minst 3 måneder av året, i følge Statens Vegvesen sin Håndbok 157 fra 2009. Vår oversikt er korrigert da flere samband siden den tid er lagt ned og erstattet med broer. Noen samband er i tillegg ikke registrert i vegvesenets register. Navnet sambandene er oppkalt etter er hovedstrekningen. Strekningene i tabellen referer primært til disse hoved- strekningene. Eneste unntaket er dersom hovedstrekningen utgjør kun en mindre del av sambandets totale utstrekning. Da vil strekningen mellom endepunktene bli brukt. Sambandet vurderes ut fra hvilke ferger som drifter strekningen og hvordan disse fergene driftes i løpet av et døgn. Fergens fremdriftssystem forteller oss om effekten som kreves for å drifte en lignende ferge basert på batteridrift. Sammen med faktorer som sambandets utstrekning og overfartstid, får vi mengden energi som må tappes fra batteriene per overfart. Tilstrekkelig mellomfartstid (tid mellom hver overfart) og land- ligge om natta vil minke behovet for store og kostbare, høyteknologiske batterier. I fergesamband som driftes av flere ferger vil den oppgitte maskineffekten og bruttovekten til fergen være et gjennomsnitt av alle fergene i sambandet. Dersom sambandet driftes i mindre grad av enkelte ferger med vesentlig lavere maskineffekt og bruttovekt, vil kun hovedfergens data angis. Dette er for å ta høyde for de de høyeste belastningene på en ferge. Det samme gjelder for sambandsfrekvensen. Overfartstider og land- ligge om natta oppgis for de dager og/eller perioder hvor sambandet opplever maksimal belastning per ferge. Tiden mellom overfarter oppgis som et gjennomsnitt over et maksimalt belastet døgn. Mest trafikk og tyngst belastning opptrer om sommeren. Dette er et fortrinn for batteriteknologi, da utnyttelsen av bat- teriet øker med temperaturen. Hurtiglading av batteriferger vil skje ved en effekt på opp mot 1MW. Nettselskapene er pålagt å sørge for at spenningen hos sluttbruker er innenfor +/-10% av nominell verdi, og at spenningssprang og hurtige spen- ningsvariasjoner (harmoniske og flimmer) ikke overstiger visse grenseverdier. Spenningssprang oppstår på grunn av momentane last- eller produksjonsendringer. I normal drift av en hurtiglader som opererer med stor effekt, bør det ved oppstart inngå en trinnvis innkobling (for eksempel 100 kW per trinn), slik at man for- sikrer seg om at lastendringen skjer så sakte at det ikke oppstår store spenningssprang. Dette gjøres ved å styre ladestrømmen ved hjelp av kraftelektroniske komponenter (effektfelttransistorer, tyristorer osv.) basert på halvlederteknologi. Det neste unntaket til dette prinsippet er dersom ladepunktet er nært tilknyttet en hovedfordelingstransfor- mator i høyspentnettet. Da slipper man unna lange kabelstrekk som danner kapasitive og induktive spran- geffekter ved brå endring av last. Ladestasjonen inneholder også en likeretter som lager overharmoniske spenninger. Dette må det stilles krav om til leverandøren av ladestasjonen. Ladestasjonen bør også være nærmest mulig et 22 kV høyspentnett, da en effekt på 1MW i ett punkt gir store tap i nettet dersom denne effekten transporteres over store strekk i et lavspentnett. Når man transpor- terer høy effekt over høyspentnettet blir den resulterende strømmen vesentlig lavere. Effekttapet i lederen er proporsjonal med strømmen i andre potens. Effekt er produktet av spenning og strøm. Dersom spen- ningen økes vil den påkrevde driftsstrømmen minke for en gitt effekt. Minker man strømmen i nett ved å sørge for distribusjon gjennom et høyspentnett, minker effekttapet med strømtapet i andre potens. Dersom man overfører en effekt på 1 MW over et lavspentnett på 400V, vil man frakte strømmer på hele 2,5 kA. Tilsvarende vil et høyspentnett som distribuerer samme effekt kun frakte en strøm på 50 A, Denne strøm- men 50 ganger lavere enn for lavspentnettet. Kvadrert gir dette et effekttap i leder som er 2500 ganger lavere ved bruk av samme leder. Frakting av store strømmer i lavspentnettet over lengre strekk gjør at man må bruke en så god leder at kabelkostnader blir vesentlig høyere enn dersom man legger opp høyspentnett så nært ladestasjonen som mulig. Fra tabelldataene er det regnet ut forventningsverdi (gjennomsnitt) og standardavvik for fergestrekning, maskineffekt, bruttovekt, overfartstid, mellomfartstid, total overfartstid per døgn, landligge om natta per døgn og total landligge per døgn. Standardavvikene forteller om spredningen til datasettet. Spredning sier noe om hvor mye dataene varierer fra samband til samband; stor spredning betyr stor variasjon. Ved anta- 4 • Kartlegging av fergesamband Kartlegging av fergesamband • 5 gelse om normalfordeling vil ett standardavvik på hver side av forventningen forklare 68,27% av dataene. Vi ser meget stor spredning i dataene på fergestrekning, maskineffekt, bruttovekt, overfartstid og mellom- fartstid. Her er standardavviket faktisk større enn forventningsverdien. Populasjonen av samband er som helhet godt tilpasset batteridrift. Forventningsverdien for total landligge per døgn er hele 13,17 timer med standardavvik på 4,70 timer. Det faktum at den gjennomsnittlige fergen er ved kaia over halvparten av døgnet gir gode rammevilkår for batterilading. Forventet mellomfartstid er 24,58. Her er imidlertid spredningen i dataene mye større enn for totalt landligge. Fra å se på det generelle på sambandene i Norge går rapporten videre til å spesifikt kartlegge hvert enkelt fylke og deres muligheter. Oslo/Akershus Aktuelle fergesamband: Nesoddtangen – Lysaker Det er kun tre samband i disse fylkene og alle er styrt av Tide Sjø AS. Strekningen fra Nesoddtangen til Lysaker er et av det sambandet som er mest aktuelt for batteridrift. Dette er begrunnet med kort overfarts- tid og tre ganger så lang mellomfartstid. På tross av at M/S Tidebaronen opererer med relativt høy maskinef- fekt (maks 1498 kW) så er dette overkommelig på grunn av relativt lav vekt på båten, samt at liten estimert energimengde kreves per overfart. Høy effekt over kort tid gir likevel lavt energibehov. Man har også god tid om natta for oppladning (13 timer). Fergen er faktisk ikke ute på vannet mer enn 3 timer. Sambandet Nesoddtangen – Aker brygge er helt uaktuelt for batteridrift. Dette er på grunn av høy maskineffekt, lang overfartstid, kort mellomfartstid (kun 2 minutter) og kort nattligge. Slemmestad – Vollen – Aker Brygge kan muligens være aktuell i fremtiden. Det kreves ganske stor energimengde per overfart, men tiden mellom hver overfart (mellomfart) og nattligget er ganske stort. Østfold/Vestfold Aktuelle fergesamband: Ingen