Progressi nella gestione dell'energia per navi totalmente elettriche

Negli ultimi anni, le navi hanno cominciato ad adottare sistemi di alimentazione più moderni. Questi sistemi includono la propulsione elettrica e lo stoccaggio di energia. Sono chiamate navi all-elettriche (AES). Con l’aumento dell’uso dell’elettricità, gestire l’energia diventa fondamentale per il loro funzionamento. La sfida è bilanciare l’energia usata dai vari sistemi e garantire che l'energia sia sempre disponibile.

Una delle strategie per migliorare la gestione dell'energia è l'uso dei sistemi di stoccaggio energetico (ESS). Questi sistemi aiutano a gestire l'offerta e la domanda di energia, specialmente in situazioni impreviste come i guasti ai generatori. I diversi tipi di ESS includono i sistemi di stoccaggio di energia con batterie (BESS) e i sistemi di stoccaggio di energia con supercondensatori (SCESS). Ogni tipo ha i suoi punti di forza. I BESS sono ottimi per un’alimentazione stabile e a lungo termine, mentre gli SCESS sono migliori per picchi di energia rapidi.

#Perché la gestione dell'energia è importante

I sistemi di gestione dell'energia (EMS) sono fondamentali per mantenere fluida l'erogazione di energia. Lavorano per ridurre l'energia sprecata e assicurarsi che i sistemi più critici abbiano sempre energia a sufficienza. Questi sistemi hanno diversi obiettivi, ma i principali sono minimizzare la quantità di energia che viene tagliata (shed loads) e gestire in modo efficace i diversi tipi di stoccaggio energetico.

Su una nave, l'energia proviene da generatori che possono variare nella loro capacità di produrre energia rapidamente. Questa variabilità significa che quando c'è una domanda improvvisa di più energia, possono sorgere problemi. Usare i BESS e gli SCESS insieme aiuta a creare un equilibrio nel flusso energetico. Comprendendo le caratteristiche di ogni tipo di stoccaggio, un EMS può creare un programma che ottimizza come viene usata l'energia.

#La transizione verso navi all-elettriche

Le navi di oggi si stanno orientando verso il modello all-elettrico. Questa transizione comporta l'uso di tecnologie avanzate come motori elettrici e sistemi intelligenti per gestire l'energia. Anche se questi sistemi aiutano a ridurre l'uso di carburante e gestire meglio le richieste energetiche, presentano anche delle sfide. Senza connessioni adeguate ad altri sistemi di alimentazione, le navi all-elettriche possono affrontare rischi, specialmente se un generatore fallisce.

Per contrastare questo, è fondamentale integrare gli ESS come fonti di backup. Questi sistemi possono aiutare a colmare i vuoti quando la generazione di energia diminuisce, garantendo che la nave possa continuare a operare senza interruzioni.

#Tipi di sistemi di stoccaggio energetico

Gli ESS sulle navi possono essere raggruppati in base a caratteristiche specifiche. Il primo gruppo include sistemi con alta densità energetica ma bassa densità di potenza. I BESS rientrano in questa categoria, poiché possono fornire energia per lungo tempo. Il secondo gruppo, SCESS, ha alta densità di potenza e bassa densità energetica, rendendolo adatto per brevi esplosioni di energia.

Sulle navi, ci sono vari carichi, da quelli di servizio regolare a richieste di alta potenza. Un approccio ibrido che utilizza sia BESS che SCESS può migliorare l'efficienza complessiva del sistema di alimentazione della nave. I BESS possono gestire i carichi di servizio quotidiani, mentre gli SCESS possono affrontare picchi improvvisi nella richiesta di potenza.

#Sfide con le tecniche di gestione attuali

Sono stati sviluppati diversi approcci per gestire gli ESS. Alcuni studi si concentrano su tecniche di controllo fuzzy per gestire efficacemente il sistema ibrido. Queste tecniche possono elaborare segnali per gestire quando caricare o scaricare energia. Tuttavia, molti metodi esistenti non affrontano le carenze energetiche a lungo termine.

I controlli predittivi basati su modelli sono stati una scelta popolare nei sistemi tradizionali. Aiutano a gestire gli ESS ottimizzando il loro utilizzo in base alla domanda prevista. Tuttavia, questi metodi spesso presumono che ci sia abbastanza capacità di generazione, il che può rendere vulnerabili le navi durante le carenze energetiche.

Per proteggersi dai blackout, diventa necessario il load shedding. Questo significa spegnere i sistemi non essenziali per garantire che le operazioni critiche continuino. Un EMS orientato alla resilienza è essenziale per un funzionamento efficace, tenendo conto delle caratteristiche specifiche dei generatori e dei sistemi di stoccaggio.

#Resilienza nei sistemi di potenza

La resilienza nei sistemi di potenza delle navi riguarda il mantenimento delle operazioni anche quando la generazione di energia è bassa. Quando c'è bisogno di conservare energia, i carichi vengono prioritizzati in base alla loro importanza. Ci sono tre categorie: vitali, semivitali e non vitali. L'obiettivo è staccare prima i carichi non vitali per mantenere in funzione le funzioni essenziali.

Ci sono due approcci principali per migliorare la resilienza: centralizzati e decentralizzati. I sistemi centralizzati hanno un unico centro di controllo, il che facilita la gestione ma può essere pesante dal punto di vista computazionale. Dall'altra parte, gli approcci decentralizzati distribuiscono la responsabilità tra più controller, ma possono soffrire di problemi di comunicazione.

#Recenti avanzamenti nella gestione dell'energia

Recenti ricerche si sono concentrate sul miglioramento degli EMS per le navi. Nuovi metodi come l'ottimizzazione a orizzonte decrescente (RHO) possono aiutare a bilanciare il coordinamento tra i diversi sistemi di stoccaggio energetico. A differenza dei metodi precedenti che gestivano tutto in una volta, il RHO suddivide il compito in sezioni più piccole e gestibili. Questo rende più facile adattarsi alle esigenze in tempo reale senza sopraffare il sistema.

Con questo metodo, l'EMS raccoglie dati sulle necessità energetiche e sui livelli di stoccaggio, analizza le informazioni e crea un piano ottimizzato. La parte migliore del RHO è che può adattarsi rapidamente ai cambiamenti, cosa cruciale per le navi che sperimentano variazioni nelle richieste di potenza.

#Vincoli pratici nella gestione dell'energia

Quando si progetta un EMS, è necessario considerare vincoli pratici. Ad esempio, lo stato di carica (SoC) tra i diversi ESS dovrebbe essere bilanciato. Se un tipo di stoccaggio finisce la potenza mentre un altro rimane pieno, si possono generare inefficienze. Il sistema deve gestire questi livelli con attenzione per assicurarsi che tutti i tipi di stoccaggio siano pronti quando necessario.

Un altro fattore è la priorità dei diversi tipi di stoccaggio energetico. Ad esempio, gli SCESS potrebbero essere incaricati di gestire improvvisi picchi di potenza, mentre i BESS supportano le domande energetiche regolari. Coordinare in modo ottimale tra questi sistemi può migliorare l'efficienza globale della fornitura di energia.

#Metodologia proposta

Il nuovo EMS si concentra sull'ottimizzazione della prontezza operativa dei sistemi energetici in base ai requisiti della missione. Si propone di minimizzare i carichi staccati mentre gestisce efficacemente i diversi tipi di stoccaggio energetico. Questo approccio tiene conto delle sfide pratiche di bilanciare il SoC tra i sistemi e di dare priorità agli SCESS quando necessario.

La metodologia proposta migliora il coordinamento tra ESS ibridi e generatori convenzionali. Considera i dati in tempo reale dalla nave per regolare in modo efficiente la fornitura di energia. L'obiettivo finale è migliorare la resilienza dei sistemi di potenza delle navi minimizzando le perdite di energia.

#Studi di simulazione e risultati

Per convalidare il metodo proposto, sono state condotte simulazioni su un modello di un sistema di nave all-elettrica con una potenza di 100 MW. Il modello includeva vari componenti, come moduli di stoccaggio energetico e generatori. Sono stati testati diversi scenari per capire quanto bene il sistema potesse gestire elevate richieste di potenza e carenze di generazione.

I risultati hanno mostrato che l'EMS proposto poteva gestire efficacemente carichi e sistemi di stoccaggio. L'uso del RHO ha permesso aggiustamenti tempestivi, prevenendo che carichi critici venissero staccati inutilmente. Inoltre, il coordinamento tra BESS e SCESS ha ottimizzato l'uso dell'energia, migliorando le performance complessive del sistema di potenza della nave.

#Performance in condizioni di stress

In missioni con carichi ad alta velocità di variazione, dove la domanda di potenza cambia rapidamente, il metodo RHO proposto ha fornito performance migliori rispetto ai metodi tradizionali. L'EMS ha mantenuto i carichi critici mentre riduceva quelli non essenziali. Dando priorità ai carichi ad alta importanza, il sistema ha garantito che le funzioni essenziali non fossero compromesse durante le carenze di potenza.

I risultati della simulazione hanno dimostrato che il RHO ha raggiunto risultati comparabili a metodi più vecchi, mentre utilizzava significativamente meno potenza di calcolo e tempo. Questa efficienza è vitale per applicazioni in tempo reale dove è necessaria una rapida presa di decisioni.

#Efficienza computazionale

Una delle caratteristiche distintive della metodologia proposta è la sua efficienza computazionale. Le simulazioni hanno mostrato che il RHO utilizzava molto meno memoria rispetto ai metodi tradizionali. Mentre i sistemi più vecchi richiedevano diversi gigabyte di RAM, il RHO operava bene con requisiti molto più bassi. Inoltre, il tempo di esecuzione per il RHO era significativamente più veloce, permettendo un’elaborazione in tempo reale.

Questi miglioramenti evidenziano la praticità del RHO per i moderni sistemi di alimentazione delle navi. Con la crescente complessità di questi sistemi, una gestione energetica efficiente diventa critica per mantenere operative le navi.

#Conclusione

In conclusione, lo sviluppo di un sistema di gestione dell'energia orientato alla resilienza per i sistemi di potenza delle navi rappresenta un passo significativo in avanti. Utilizzando i punti di forza dei diversi sistemi di stoccaggio energetico, la metodologia proposta garantisce che le navi possano funzionare in modo efficace, anche in condizioni difficili.

Il focus sulla presa di decisioni in tempo reale aiuta a mantenere le funzioni essenziali minimizzando l'energia sprecata. L’integrazione di tecniche avanzate come il RHO mostra il potenziale per migliorare l'efficienza operativa nei sistemi energetici marittimi. I lavori futuri miglioreranno ulteriormente questa metodologia, incorporando vincoli pratici e esplorando nuove applicazioni in ambienti in tempo reale.