του Ιωάννη Προυσαλίδη

Ο εξηλεκτρισμός χερσαίων και θαλάσσιων μεταφορών και οι προκλήσεις για τα ηλεκτρικά δίκτυα

10 10 2023 | 07:33

Απανθρακοποίηση και Ευρωπαϊκή πολιτική

Η ευαισθητοποίηση για μείωση των αρνητικών επιδράσεων της ατμοσφαιρικής ρύπανσης ειδικά μετά τη Σύνοδο των Παρισίων και την Πράσινη Συμφωνία, έχει οδηγήσει όλους τους τομείς των ανθρώπινων δραστηριοτήτων (Βιομηχανία, Μεταφορές, Εμπόριο) να λάβουν μία σειρά από μέτρα προς αυτή την κατεύθυνση. Ειδικότερα, όσον αφορά τον τομέα των μεταφορών, η ηλεκτροκίνηση έχει διαφανεί ότι αποτελεί ένα ικανοποιητικό μέσο προς την αειφόρο απανθρακοποίηση εφόσον η απαραίτητη ηλεκτρική ενέργεια παράγεται με μεθόδους φιλικές προς το περιβάλλον (π.χ. από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας).

Σε αυτό το πλαίσιο, όσον αφορά στα χερσαία μέσα μεταφοράς, τα τελευταία χρόνια ενισχύονται τα κίνητρα για τη χρήση πλήρως ηλεκτροκίνητων ή υβριδικών οχημάτων (αυτοκινήτων, λεωφορείων, φορτηγών, μοτοποδηλάτων κοκ) με επιδοτήσεις αντικατάστασης συμβατικών αυτοκινήτων με ηλεκτροκίνητα ή υβριδικά, με εγκατάσταση φορτιστών ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων σε διάφορα σημεία σε χώρους ελεύθερης πρόσβασης όπως πάρκα και πολυκαταστήματα, θέσεις στάθμευσης, νεόδμητα σπίτια.

Από την άλλη πλευρά, η Ναυτιλία που αποτελεί σημαντική συνιστώσα της Διεθνούς Οικονομίας συμβάλλοντας τόσο στις Μεταφορές (ανθρώπων και αγαθών) όσο και στο Εμπόριο εναρμονίζεται με το πλαίσιο αποφάσεων του Διεθνούς Ναυτιλιακού Οργανισμού (IMO). Έτσι τα πλοία με μία σειρά μέτρων (που αφορούν τόσο τις μετασκευές υπαρχόντων όσο και τις νέες ναυπηγήσεις με κατάλληλα προσαρμοσμένο σχεδιασμό) σταδιακά μειώνουν το συνολικό περιβαλλοντικό τους αποτύπωμα. Ανάμεσα στα μέτρα απανθρακοποίησης ξεχωρίζουν η χρήση των εναλλακτικών καυσίμων μεταξύ των οποίων περιλαμβάνεται και ο ηλεκτρισμός (σύμφωνα με επίσημη Ευρωπαϊκή Οδηγία που έχει ενσωματωθεί και στην ελληνική νομοθεσία. Σημειώνεται ότι πλέον το σύνολο των Ευρωπαϊκών Οδηγιών και Κανονισμών τροποποιείται ριζικά σύμφωνα με το

«πακέτο Fit-for-55» που πλέον οριστικοποιείται για εφαρμογή από τις αρχές του 2024. Έτσι, για παράδειγμα, για όλα τα λιμάνια που είναι σημαντικοί κόμβοι των θαλασσίων μεταφορών στην Ευρώπη, καθίσταται υποχρεωτικό να προσφέρουν τη δυνατότητα ηλεκτροδότησης για ικανό χρονικό διάστημα στα πλέον ρυπογόνα πλοία που τα επισκέπτονται, όπως κρουαζιερόπλοια, επιβατηγά/οχηματαγωγά και εμπορευματοκιβωτιοφόρα. Ο χρονικός ορίζοντας εφαρμογής των μέτρων αυτών είναι μεταξύ των αρχών του 2025 και του 2030.

Όσον αφορά στην πρώτη περίπτωση, έχει αποδειχθεί ότι από τις ριζικότερες μεθόδους ελάττωσης έως εκμηδενισμού των εκπεμπόμενων αέριων ρύπων των πλοίων κατά τη φάση του ελλιμενισμού τους αποτελεί η ηλεκτρική διασύνδεσή τους. Συγκεκριμένα, οι θερμικές μηχανές των πλοίων (που κατά κύριο λόγο στο λιμάνι είναι οι ηλεκτρικές γεννήτριες) παύουν να λειτουργούν, ενώ οι (κατά κύριο λόγο ηλεκτρικές) ενεργειακές ανάγκες καλύπτονται από τη διασύνδεση με το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο μέσω κατάλληλων υποδομών. Η ηλεκτρική διασύνδεση στη διεθνή βιβλιογραφία συναντάται με ορολογία που ποικίλλει: ship-to-shore interconnection, alternative maritime power, alternative power connection, onshore power system, cold ironing κ.ά. Με την παύση λειτουργίας των μηχανών εκτός από τον εκμηδενισμό της ατμοσφαιρικής ρύπανσης (σε επίπεδο όχι μόνον CO2 αλλά και άλλων επικίνδυνων για την υγεία ρύπων όπως τα ΝΟx και SOx) επιτυγχάνεται και σημαντική αποσυμφόρηση της ηχητικής ρύπανσης (λόγω της έκλειψης του θορύβου από τη λειτουργία των ηλεκτρογεννητριών). Οι ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια μεταβάλλονται σε ένα μεγάλο εύρος τιμών από 100 kW έως 15 ΜW και πλέον.

Τα κύρια στοιχεία του δικτύου παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, βλ. και Σχήμα 2, είναι:

Μετασχηματιστής προσαρμογής επιπέδου τάσης
Μετατροπέας συχνότητας από 50 σε 60 Hz, καθώς τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας των περισσότερων πλοίων λειτουργούν σε ονομαστική συχνότητα 60 Hz. Ο μετατροπέας συχνότητας είναι της μορφής AC/DC/AC δηλ. με ενδιάμεση μετατροπή (ανόρθωση) του εναλλασσόμενης τάσης των 50 Hz σε συνεχή τάση και εκ νέου μετατροπή (αντιστροφή) στην επιθυμητή των 60 Hz.
Μετασχηματιστής απομόνωσης για απομόνωση του δικτύου γείωσης του λιμένα με αυτό του πλοίου
Σύστημα διαχείρισης καλωδίου τροφοδοσίας
Ρευματοδότες και ρευματολήπτες

Σχήμα 7. Τυπική διαμόρφωση διάταξης ηλεκτροδότησης ελλιμενιζόμενου πλοίου.

Στο Σχήμα 3, δίνεται η ενδεικτική εσωτερική διαμόρφωση του δικτύου διανομής εντός του λιμένα που τροφοδοτεί τα ελλιμενιζόμενα πλοία. Σε κάθε σημείο ηλεκτροδότησης πλοίου υπάρχει μία διάταξη όπως περιγράφηκε παραπάνω συνοδευόμενη από έναν «έξυπνο μετρητή» που μεριμνά για την ορθή καταγραφή της συναλλαγής ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να διευκολυνθεί η αντίστοιχη τιμολόγηση.

Σχήμα 8. Τυπική διαμόρφωση ηλεκτρικού δικτύου με διατάξεις ηλεκτροδότησης κάθε ελλιμενιζόμενου πλοίου. Κάθε διάταξη έχει το δικό της έξυπνο μετρητή.

Όσον αφορά στην περίπτωση ηλεκτροφόρτισης, παρόμοια με τα ηλεκτροκίνητα οχήματα, τα ηλεκτρικά ή υβριδικά ηλεκτρικά πλοία έχουν ως κύρια συστατικά στοιχεία:

Α) τον ηλεκτροκινητήρα πρόωσης που μπορεί να είναι σύγχρονος με διέγερση ή με μόνιμους μαγνήτες ή ασύγχρονος με τον τελευταίο να είναι ο επικρατέστερος. Για τη σύζευξη με την έλικα πρόωσης συνήθως παρεμβάλλεται κάποιος μειωτήρας.

Β) τον συνεργαζόμενο μετατροπέα συχνότητας που αξιοποιεί κάποια τεχνική διανυσματικού ελέγχου (vector control) ή απευθείας ελέγχου ροπής (direct torque control) ενώ έχει τη δυνατότητα λειτουργίας και στα τέσσερα τεταρτημόρια (δηλαδή λειτουργία «πρόσω» και «ανάποδα», λειτουργία απλής δυναμικής πέδησης ή τέλος λειτουργία αναγεννητικής πέδησης)

Γ) τις πηγές ενέργειας δηλαδή, μπαταρίες (κάποιο από τα πολλά είδη τεχνολογίας ιόντων λιθίου) ή υπερ-πυκνωτές. Η βέλτιστη τιμή τάσης τους προκύπτει από κατάλληλη σύνδεση των συστοιχιών σε σειρά και παράλληλα, ενώ για τον τρόπο διάταξης και χωροθέτησής τους στο πλοίο λαμβάνονται υπόψη παράμετροι κανόνων ασφαλείας.

Οι διαμορφώσεις του δικτύου διανομής της ηλεκτρικής ενέργειας είναι υβριδικές αποτελούμενες από υποσυστήματα Εναλλασσόμενου αλλά και Συνεχούς Ρεύματος, ενώ συχνά υπάρχει η δυνατότητα παροχής τροφοδοσίας από εφεδρική πηγή τύπου Ηλεκτροπαραγωγού Ζεύγους (Η/Ζ), βλ. Σχήμα 4. Οι συστοιχίες των πηγών φορτίζονται κατά κανόνα όσο τα πλοία είναι ελλιμενισμένα, βλ. Σχήμα 5.

(α) (β)

Σχήμα 9. Τυπικές διαμορφώσεις ηλεκτρικού δικτύου ηλεκτρικού/υβριδικού πλοίου

(α) Υβριδικό Δίκτυο Διανομής όπου κυριαρχεί η Διανομή Εναλλασσόμενου Ρεύματος (β) Υβριδικό Δίκτυο Διανομής όπου κυριαρχεί η Διανομή Συνεχούς Ρεύματος

Σχήμα 10. Τυπική διαμόρφωση ηλεκτρικού δικτύου με διατάξεις ηλεκτροφόρτισης κάθε ελλιμενιζόμενου ηλεκτρικού/υβριδικού πλοίου.

Οι υπάρχουσες τεχνολογίες μπαταριών εξασφαλίζουν αυτονομία σε σκάφη για έως 20 ναυτικά μίλια, χωρίς τα μεγέθη βάρους και ο όγκου τους να γίνονται απαγορευτικά μεγάλα. Η λύση των αμιγώς ηλεκτροκίνητων πλοίων ευδοκιμεί από οικονομικο-τεχνική άποψη για πορθμεία και βοηθητικά πλοία υποστήριξης μικρών αποστάσεων.

Ο ρόλος των λιμένων

Τα λιμάνια, όντας οι φορείς υποδοχής, εξυπηρέτησης και ανατροφοδοσίας των πλοίων καλούνται να προσαρμοστούν κατάλληλα και να συνδράμουν την προσπάθεια των πλοίων για μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Έτσι, οι λιμένες, παύουν να είναι μόνον συγκοινωνιακοί κόμβοι και σημεία μεταγωγής αγαθών, αλλά, αποκτούν και νέες αποστολές αναβαθμιζόμενοι μεταξύ άλλων και σε ενεργειακούς κόμβους στους οποίους θα πραγματοποιούνται μεγάλης κλίμακας ενεργειακές συναλλαγές.

Πιο συγκεκριμένα, οι λιμένες στο άμεσο μέλλον (όπως προαναφέρθηκε έως το 2030) εκτός από συγκοινωνιακοί θα καταστούν και ενεργειακοί κόμβοι με υποδομές εγκατεστημένης ισχύος δεκάδων ή και εκατοντάδων MVA και θα διαχειρίζονται μεγάλα ποσά ενέργειας, ενώ θα δύνανται βάσει των νέων Ευρωπαϊκών οδηγιών να διαθέτουν επιπλέον συστήματα παραγωγής (πράσινης) ενέργειας από ανανεώσιμες μορφές, όπως:

Φωτοβολταϊκά πλαίσια τοποθετημένα σε οροφές ή μετόπες κτηρίων, σε θέσεις στάθμευσης αυτοκινήτων, σε διαθέσιμες και αναξιοποίητες εκτάσεις στο χώρο του λιμένα
Μικρής κλίμακας ανεμογεννήτριες π.χ. σε στύλους φωτιστικών σωμάτων
Μονάδες αποθήκευσης αλλά και παραγωγής εναλλακτικών καυσίμων π.χ. υδρογόνου

Για να απαντήσουν σε αυτή την πρόκληση θα πρέπει να αποκτήσουν ένα σύγχρονο σύστημα ενεργειακής διαχείρισης ενώ βεβαίως από διοικητική άποψη, πρέπει η Διοικούσα Αρχή του λιμένα (Λιμενικό Ταμείο, Οργανισμός Λιμένος κλπ) να αναπτύξει και αρμόδια διεύθυνση ενέργειας που με τη σειρά της που θα παρακολουθεί, ελέγχει τις συναλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας σε πραγματικό χρόνο παρέχοντας δυνατότητες π.χ. διαχείρισης των ταυτοχρονισμένων αιχμών ζήτησης κοκ.

Η απανθρακοποίηση των μεταφορών και τα ηλεκτρικά δίκτυα

Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και τα ηλεκτρικά δίκτυα, όπως είναι γνωστό, τελούν επίσης σε ένα στάδιο μετάβασης καθώς η αειφόρος απανθρακοποίηση επιδρά και σε αυτά. Ενδεικτικά αναφέρονται μία σειρά από μεταβολές σε εξέλιξη:

Οι θερμικοί σταθμοί παραγωγής κατά κανόνα σταματούν να λειτουργούν και οι περισσότερες ενεργειακές ανάγκες καλύπτονται από ΑΠΕ
Λόγω του ετεροχρονισμού μεταξύ παραγωγής και ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας, εγκαθίστανται και αξιοποιούνται μεγάλης αποθηκευτικής ικανότητας μπαταρίες
Τα δίκτυα μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας τροποποιούνται ώστε να λειτουργούν σε υψηλότερους βαθμούς απόδοσης μέσω σειράς μέτρων όπως:
- ανύψωση του επιπέδου της τάσης λειτουργίας,
- αντικατάσταση των μετασχηματιστών με νέου τύπου, χαμηλών απωλειών,
- αντικατάσταση καλωδίων και εναέριων γραμμών με άλλα μεγαλύτερης διατομής,
- αξιοποίηση διατάξεων και μεθόδων για μείωση των απωλειών μέσω ρύθμισης της τάσης και της αέργου ισχύος.

Σε αυτό το πλαίσιο μετεξέλιξης, έρχονται τα προστεθούν τα μέτρα εξυπηρέτησης ηλεκτροκίνησης, όπως παραστατικά παρουσιάζονται στο Σχήμα 6.

Το πρώτο βήμα για την εξυπηρέτηση της ηλεκτροκίνησης των αυτοκινήτων στην Ελλάδα ξεκίνησε με τον Νόμο 4710/2020 που παρέχει φορολογικά κίνητρα για την ελάφρυνση του κόστους χρήσης των ηλεκτρικών οχημάτων αλλά και την ανάπτυξη σημείων φόρτισής τους με την υποστήριξη του Δικτύου Διανομής του ΔΕΔΔΗΕ.

Σχήμα 11. Απεικόνιση της εξυπηρέτησης της ηλεκτροκίνησης από τα υπό αναμόρφωση Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας.

Η περίπτωση ηλεκτροδότησης των πλοίων μέσω των λιμένων λόγω και των μεγεθών ισχύος των υποδομών που εμπλέκονται απαιτεί περισσότερες μελέτες και βήματα έως την υλοποίηση. Έχοντας υπόψη τις νέες διαμορφούμενες προκλήσεις και υπό το πρίσμα της υποχρεωτικότητας της ηλεκτροδότησης των ελλιμενιζόμενων πλοίων, η Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (νυν ΡΑΑΕΥ) ανέθεσε το 2021 στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο μελέτη για:

την εκτίμηση των μελλοντικών ενεργειακών αναγκών των λιμένων
την εκτίμηση του αντίστοιχου κόστους επένδυσης για την ενίσχυση του Δικτύου Διανομής του ΔΕΔΔΗΕ
την εκτίμηση του κόστους υποδομών εντός των λιμένων για την εξυπηρέτηση των αναγκών ηλεκτροδότησης

Από τα αποτελέσματα της μελέτης διαφάνηκε ότι το Δίκτυο Διανομής του ΔΕΔΔΗΕ έπρεπε να ενισχυθεί άμεσα στην επόμενη πενταετία με κατάλληλη τροποποίηση του Σχεδίου Ανάπτυξης Δικτύου του. Ο ΔΕΔΔΗΕ αντιλαμβανόμενος την επιτακτική αυτή ανάγκη εξυπηρέτησης των λιμένων, εκκίνησε μία μεγάλης κλίμακας προσπάθεια να εκτιμήσει αναλυτικά τις ανάγκες των κρίσιμης σημασίας λιμένων για τις θαλάσσιες μεταφορές όπως προδιαγράφονται από τις Ευρωπαϊκές Οδηγίες και Κανονισμούς.

Στα επόμενα βήματα τα οποία ήδη βρίσκονται σε εξέλιξη, περιλαμβάνονται μεταξύ άλλων:

Η υλοποίηση των ηλεκτροδοτήσεων στα λιμάνια που υπόκεινται στην υποχρέωση εφαρμογής των μέτρων απανθρακοποίησης
Η μελέτη αλληλεπίδρασης των νέου τύπου και μεγάλης ισχύος δικτύων διανομής ηλεκτρικής ενέργειας εντός των λιμένων με το Κεντρικό Δίκτυο Διανομής του ΔΕΔΔΗΕ
Η ανάπτυξη ενός ρυθμιστικού πλαισίου που με κανόνες ελεύθερης αγοράς θα γίνονται οι συναλλαγές ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ παρόχων ηλεκτρικής ενέργειας και πλοίων

Επίλογος

Στο άρθρο αυτό έγινε μία προσπάθεια να παρουσιαστούν οι νέες προκλήσεις που εγείρονται για τα Ηλεκτρικά Δίκτυα στο πλαίσιο του μέτρου της ηλεκτροκίνησης των οχημάτων και κυρίως και των πλοίων ώστε να επιτευχθούν οι στόχοι της αειφόρου απανθρακοποίησης. Διαφάνηκε ότι η ή μεγαλύτερη πρόσκληση αφορά στην εξυπηρέτηση ηλεκτροδότησης των πλοίων κατά τον ελλιμενισμό ώστε είτε να μην στηρίζονται στις δικές τους πηγές (προκειμένου για μεγάλα πλοία), είτε στο να φορτίζουν μπαταρίες που θα καλύπτουν τις ενεργειακές ανάγκες τους στα ταξίδια τους (προκειμένου για πλοία μικρών αποστάσεων). Οι αρμόδιοι φορείς ηλεκτρικοί ενέργειας στην Ελλάδα σε συνεργασία με τους φορείς της Ναυτιλίας, έχουν δραστηριοποιηθεί επαρκώς προς αυτή την κατεύθυνση με στόχο να τηρηθούν οι υποχρεώσεις της Ελλάδας.

Ευχαριστίες και Σχετικές Αναφορές

Ο συγγραφέας επιθυμεί να ευχαριστήσει τους συνεργάτες της διεπιστημονικής ομάδας ΠΡΩΤΕΑΣ (από το Εργαστήριο Θαλασσίων Μεταφορών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και τις εταιρίες Protasis sa, Hydrus sa και Gates Ltd) για την πολύτιμη συνδρομή τους στoν σχεδιασμό και την υλοποίηση του ομώνυμου αναπτυξιακού σχεδίου ΠΡΩΤΕΑΣ για την ενεργειακή αναβάθμιση των λιμένων της Ελλάδας. Το παρόν άρθρο στηρίχθηκε σε αποτελέσματα σειράς ερευνητικών έργων που σχετίζονταν με τον εξηλεκτρισμό και την ηλεκτροκίνηση κυρίως στον Ναυτιλιακό Τομέα και στα οποία αξιοποιήθηκε η τεχνογνωσία που έχει αναπτυχθεί στην ηλεκτροκίνηση χερσαίων οχημάτων:

“ELEMED – Electrifying Eastern MEDiterranean corridor“. Αφορούσε μελέτες ηλεκτροδότησης πλοίων στα λιμάνια Πειραιά, Κυλλήνης, Κόπερ και Βασιλικού, υλοποίηση μίας θέσης ηλεκτροδότησης στην Κυλλήνη και μελέτη πλοίου μικρών αποστάσεων τροφοδοτούμενους από μπαταρίες. www.elemedproject.eu).
“ALFION – ALternative Fuel Implementation in the port of IgOumeNitsa ”. Αφορούσε μελέτες ηλεκτροδότησης ελλιμενιζόμενων πλοίων στο λιμένα Ηγουμενίτσας. www.alfion.gr)
“EALING – European flagship Action for coLdironING in ports”. Αφορά μελέτες ηλεκτροδότησης ελλιμενιζόμενων επιβατηγών πλοίων σε 16 Ευρωπαϊκούς λιμένες - κυρίως της Μεσογείου- συμπεριλαμβανομένων των λιμένων Πειραιά και Ραφήνας. www.ealingproject.eu).
“CIPORT – Cold Ironing in the Piraeus pORT – the final step”. Αφορά μελέτες ηλεκτροδότησης ελλιμενιζόμενων κρουαζιερόπλοιων στον λιμένα του Πειραιά, https://www.olp.gr/en/environmental-protection/eu-projects/active/item/…- ciport)
CENTAVROS – ConnEctivity INfrastructure Upgrade and EnvironmenTAl Viability for the PoRt of VolOS. Αφορά μελέτες ηλεκτροδότησης ελλιμενιζόμενων πλοίων στον λιμένα του Βόλου, https://www.port-volos.gr/cgi-bin/pages/index.pl?arlang=Greek&arcode=23…Ευρωπαϊκά Προγράμματα&type=article)
ELCAT - Σχεδίαση Δίγαστρων Ηλεκτροκίνητων Επιβατηγών Πλοίων (Χρηματοδότης: ΓΓΕΤ νυν ΓΓΕΚ, Δράση «Ερευνώ-Δημιουργώ-Καινοτομώ», στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Ανταγωνιστικότητα Επιχειρηματικότητα και Καινοτομία», ΕΣΠΑ 2014 – 2020, https://elcatproject.gr/en/)
Υποστήριξη της ΡΑΕ σε τεχνικά θέματα του δυναμικού ηλεκτρικής ενέργειας των λιμένων της ελληνικής επικράτειας
«Διερεύνηση σκοπιμότητας ανάπτυξης των ηλεκτρικών δικτύων του ΔΕΔΔΗΕ οι οποίες τροφοδοτούν εγκαταστάσεις λιμένων»
ALFION-INFRA - Implementation of energy upgrading infrastructure in the port of Igoumenitsa (αφορά δράση υλοποίησης τριών θέσεων ηλεκτροδότησης πλοίων στον λιμένα της Ηγουμενίτσας).