La collaborazione favorisce la decarbonizzazione marittima

Veterano militare con oltre 30 anni di servizio, che ha trascorso la sua carriera progettando, costruendo, azionando, mantenendo e riparando imbarcazioni di ogni tipo, dalle portaerei ai sottomarini, per la Marina degli Stati Uniti, il contrammiraglio in pensione Bryant Fuller, che ora dirige i programmi marittimi federali per Siemens Energy, sa qualcosa su come alimentare una nave.

"Progettare un sistema di alimentazione per una nave è un processo molto collaborativo e iterativo", ha affermato. "Ci sono molti passaggi avanti e indietro. [Una nave] è un sistema di sistemi e ciò che fai qui avrà un impatto su ciò che accade là. Nulla si fa nel vuoto.

Siemens Energy ha fornito il sistema di batterie raffreddato ad acqua per questo traghetto norvegese completamente elettrico, il più grande traghetto elettrico al mondo. (Foto: Siemens Energy)

"Ci sono molte implicazioni nell'adottare un tipo di tecnologia o un tipo di combustibile rispetto a un altro", ha continuato. "Non esiste una soluzione migliore in assoluto".

Trovare la soluzione ottimale per alimentare un'imbarcazione richiede la collaborazione di tutte le parti interessate – armatore, architetto navale, ingegneri, costruttore navale, ecc. – per definire parametri e priorità. "Ci sono dei compromessi", ha affermato Fuller. "Non esiste una soluzione magica, perché ogni cosa ha un impatto su qualcos'altro".

Collaborazione richiesta

Siemens Energy è stata scorporata dal conglomerato tecnologico multinazionale tedesco Siemens nel 2020 per formare un'entità indipendente focalizzata specificamente sul settore energetico. Il suo portfolio comprende una vasta gamma di prodotti, dagli elettrolizzatori e dalle grandi turbine a gas e a vapore per le utility elettriche alle tecnologie per l'elettrificazione, l'automazione e la digitalizzazione di applicazioni offshore e marittime.

L'azienda fornisce soluzioni per soddisfare le diverse esigenze dei clienti in base ai requisiti di alimentazione, alle dimensioni dell'imbarcazione, all'applicazione, al tempo trascorso in mare, alle iniziative di sostenibilità, ecc. Queste soluzioni includono la generazione di energia a bassa tensione, celle a combustibile PEM, sistemi di accumulo di energia a batteria, sistemi di recupero del calore di scarto e molto altro.

"Forniamo sistemi elettrici integrati. Almeno per quanto riguarda il settore navale, non produciamo motori diesel", ha osservato Fuller. "Quindi, siamo piuttosto agnostici sui diesel... e sul carburante che si brucia nei motori principali.

"Ora, siamo molto interessati perché è un elemento chiave nel fornire il sistema di propulsione per una nave. I parametri della nave sono importanti. Ma non siamo noi a decidere che tipo di [motore o] carburante utilizzare."

Il Dipartimento dei Trasporti del Texas utilizza la tecnologia di accumulo di energia BlueDrive PlusC e BlueVault di Siemens Energy per aiutare il traghetto Esperanza "Hope" Andrade a ridurre le emissioni, migliorare le prestazioni e ottimizzare i costi operativi. Il traghetto è entrato in funzione l'8 marzo 2024. (Foto: Siemens Energy)

Per garantire che tutti gli elementi funzionino efficacemente insieme, la collaborazione con l'armatore, l'architetto navale, lo studio di ingegneria e il costruttore navale è essenziale. "Dobbiamo capire quali sono le esigenze dell'operatore: cosa è importante per lui. Questa nave deve avere una certa autonomia? Deve avere un certo grado di affidabilità?", si è chiesto Fuller. "Come si presenta il loro ciclo di lavoro? Quanti giorni saranno in mare? Quale autonomia devono raggiungere senza rifornimento? Ci sono molti fattori operativi che guidano l'intera progettazione."

Bisogna considerare anche i costi di costruzione e operativi. "Bisogna capire qual è il budget del cliente. Anche se si tratta di una nave della Marina Militare o di una nave da ricerca gestita da un ente parastatale o governativo, ci sono comunque dei limiti ai loro budget", ha sottolineato Fuller.

Essere coinvolti in anticipo può fare la differenza. "A volte veniamo coinvolti in anticipo con gli studi di architettura navale, e poi costruiamo il sistema", ha detto Fuller. "A volte [loro] pensano già di sapere cosa hanno e dicono: 'Ehi, costruisci questo!'".

"Molte volte, se non avessero avuto qualcuno come noi o persino i nostri concorrenti a consigliarli, potrebbero non aver fatto esattamente la scelta giusta. Ma la maggior parte di loro conosce i propri limiti... Ti danno una soluzione di base, e poi tu li aiuti a perfezionarla e a trovare una soluzione migliore."

Vantaggi LVDC

Una delle soluzioni più diffuse, che si sta diffondendo in un numero crescente di imbarcazioni di piccole dimensioni, è il sistema di alimentazione e propulsione BlueDrive PlusC di Siemens Energy. Questo sistema a corrente continua a bassa tensione (LVDC) incorpora gruppi elettrogeni sincroni e senza spazzole a velocità variabile appositamente progettati per fornire un'ampia gamma di frequenze e tensioni per imbarcazioni diesel, a doppio combustibile o a gas.

BlueDrive PlusC utilizza un sistema di gestione della potenza per controllare i motori e raggiungere la velocità ottimale in base alla coppia disponibile. Secondo Siemens Energy, questo sistema riduce il consumo di carburante regolando la velocità, adattando la configurazione dei motori secondo necessità e utilizzandoli al minimo.

"La tecnologia LVDC con generatori a velocità variabile è stata sviluppata oltre un decennio fa principalmente per imbarcazioni offshore che necessitavano di elevata affidabilità e riduzione al minimo dei costi operativi", ha affermato Fuller. "Stiamo utilizzando generatori a velocità variabile per [consentire] che il diesel fornisca solo la potenza necessaria."

Edda Freya è una nave da costruzione avanzata, a propulsione ibrida, adatta a operazioni in tutto il mondo. Considerata la più grande nave offshore ibrida a batteria al mondo, l'Edda Freya impiega il sistema di propulsione BlueDrive PlusC e il sistema di accumulo di energia BlueVault di Siemens Energy. (Foto: Siemens Energy)

Un generatore diesel tradizionale funziona in genere alla massima velocità nominale, indipendentemente dal carico. "Quindi, si spinge molto carburante verso gli iniettori, che non viene bruciato in modo efficiente", ha affermato. Con i gruppi elettrogeni a velocità variabile, "se il diesel è al 30% del carico, funziona a un regime inferiore e a una potenza inferiore, e si inietta meno carburante. Quindi, si risparmia carburante".

Secondo Fuller, diversi operatori navali stanno riscontrando una riduzione del consumo di carburante dal 20% al 30% grazie alla soluzione LVDC. Si riscontra anche una riduzione dell'usura dei motori.

"Alcuni dei nostri operatori ci dicono che stanno riducendo del 20% la manutenzione dei motori diesel, il che rappresenta una spesa operativa elevata", ha osservato Fuller. "[Altri] ci dicono che stanno eliminando un'intera revisione di fascia alta su alcuni dei loro motori diesel a causa del modo in cui vengono utilizzati. Quindi, per loro, si tratta di un enorme risparmio operativo".

Altri vantaggi citati da Fuller includono un ingombro ridotto, meno componenti e un peso inferiore rispetto a un tradizionale sistema elettrico integrato a corrente alternata a velocità costante.

Inoltre, il BlueDrive PlusC può essere abbinato al sistema di accumulo di energia BlueVault, che utilizza una batteria agli ioni di litio avanzata per immagazzinare l'energia in eccesso durante la navigazione e distribuirla su richiesta. Un sistema di questo tipo può garantire ridondanza in caso di "incidente" del sistema.

"Hai una batteria che può praticamente sostituire un generatore diesel completo finché non ne puoi avviare un altro", ha spiegato Fuller. "La batteria carica il carico e poi, un paio di minuti dopo, hai un altro diesel in funzione e la vita torna a funzionare."

Il primo ibrido a idrogeno al mondo

Attualmente, Siemens Energy vanta circa 60 referenze navali negli Stati Uniti, di cui una parte considerevole utilizza la tecnologia LVDC. L'azienda ha anche avviato un progetto con la Guardia Costiera canadese per l'utilizzo della tecnologia LVDC su un'imbarcazione multiuso diesel-elettrica.

Ma forse il progetto più importante in cui è coinvolta Siemens Energy è quello per la Scripps Institution of Oceanography dell'Università della California, San Diego. Scripps ha commissionato una nuova nave da ricerca costiera (CCRV), destinata a diventare la prima nave da ricerca ibrida a idrogeno al mondo.

Proposta di rendering concettuale del nuovo Scripps CCRV, destinato a diventare la prima nave da ricerca ibrida a idrogeno al mondo. (Fonte: Glosten)

Il sistema di propulsione a celle a combustibile a idrogeno del CCRV funzionerà in tandem con un impianto diesel-elettrico a corrente continua a bassa tensione che fornirà energia supplementare per missioni più lunghe. Per il 75% delle sue operazioni, tuttavia, il CCRV si affiderà interamente all'idrogeno per la propulsione.

"Per loro, era molto importante raggiungere zero emissioni", ha detto Fuller. "L'idrogeno è la soluzione... Abbiamo dimensionato l'impianto a idrogeno e i sistemi di alimentazione in modo che il 75% del tempo, almeno dal serbatoio alla scia, siano privi di emissioni di carbonio".

La progettazione del CCRV ibrido è guidata dallo studio di architettura navale e ingegneria navale Glosten, con Siemens Energy come integratore elettrico e Ballard Power e Chart Industries selezionate come principali fornitori di apparecchiature per il sistema a idrogeno. Il sistema elettrico integrato fornito da Siemens Energy include il BlueDrive PlusC LVDC insieme a un sistema di accumulo di energia BlueVault, che garantirà la riduzione dei picchi di potenza e il collegamento dei generatori, nonché il funzionamento completamente elettrico per brevi periodi, se necessario.

"Abbiamo un sistema di accumulo di energia molto piccolo a bordo, così la nave può partire. È dotato di tre piccoli generatori diesel che alimentano il sistema LVDC", ha spiegato Fuller. "Abbiamo 1,2 MW di celle a combustibile [fornite da] Ballard, un'azienda europea specializzata in celle a combustibile, e un serbatoio di idrogeno criogenico da 1.200 kg, fornito da Chart Industries".

Con il ciclo di progettazione iniziale recentemente completato, si sta finalizzando un bando per invitare i cantieri navali a presentare offerte per la costruzione della nave, con l'obiettivo di selezionare il cantiere quest'anno.