Nguồn điện bờ biển: Cách thức hoạt động, tiêu chuẩn và ứng dụng hàng hải

Nguồn cung cấp điện bờ là gì?

Cung cấp điện bờ — còn được gọi là ủi nguội, năng lượng hàng hải thay thế (AMP) hoặc nguồn điện trên bờ (OPS) — là việc cung cấp năng lượng điện từ kết nối lưới điện trên đất liền cho tàu khi tàu đang neo đậu tại cảng hoặc bến du thuyền. Thay vì chạy các động cơ diesel phụ trợ trên tàu để tạo ra điện cho phụ tải của khách sạn (chiếu sáng, HVAC, điện lạnh, hệ thống định vị và phương tiện của thủy thủ đoàn) trong thời gian lưu trú tại cảng, tàu sẽ tắt máy phát điện và lấy điện trực tiếp từ cơ sở hạ tầng điện bên bờ thông qua kết nối được tiêu chuẩn hóa.

Thuật ngữ "ủi nguội" có từ thời xa xưa của tàu chạy bằng hơi nước, khi tất cả máy móc - bao gồm cả nồi hơi và động cơ bằng sắt - sẽ nguội trong các chuyến ghé cảng sau khi nguồn điện trên bờ tiếp quản. Trong bối cảnh hiện đại, lợi ích chủ yếu là về môi trường và kinh tế: một tàu container lớn hoặc tàu du lịch tại bến có thể tiêu thụ 1–5 MW nguồn điện phụ trợ , tất cả đều được tạo ra bởi động cơ diesel phát thải NOₓ, SOₓ, chất dạng hạt và CO₂ trực tiếp vào môi trường cảng. Điện trên bờ loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải này tại bến, thay thế chúng bằng điện lưới - tùy thuộc vào cơ cấu năng lượng quốc gia - mang lại cường độ carbon thấp hơn đáng kể.

Các cảng ở California, Bắc Âu và Trung Quốc là những nơi áp dụng quy mô lớn sớm nhất do áp lực pháp lý từ các cơ quan quản lý chất lượng không khí. các Quy định hàng hải FuelEU của EU và bản sửa đổi Quy định về cơ sở hạ tầng nhiên liệu thay thế của EU (AFIR) hiện bắt buộc cung cấp điện trên bờ tại các cảng TEN-T chính cho tàu container, tàu chở khách và tàu chở dầu vào năm 2030, thúc đẩy việc áp dụng cơ sở hạ tầng ủi nguội trên toàn cầu.

Hệ thống cung cấp điện trên bờ hoạt động như thế nào

Một hệ thống cung cấp điện trên bờ hoàn chỉnh bao gồm cơ sở hạ tầng ở cả phía cảng và phía tàu, được kết nối thông qua giao diện được tiêu chuẩn hóa. Chuỗi điện từ lưới đến tổng đài của tàu bao gồm nhiều công đoạn chuyển đổi và bảo vệ.

Cơ sở hạ tầng phía cảng

Cổng này cài đặt một trạm biến tần và biến áp tại hoặc gần bến. Điều này là bắt buộc vì tàu vận hành hệ thống điện ở tần số 60Hz (tiêu chuẩn cho hầu hết các tàu thương mại được đóng theo tiêu chuẩn công ước SOLAS của Mỹ hoặc quốc tế) hoặc 50 Hz (tàu châu Âu), bất kể tần số lưới điện quốc gia của cảng. Bộ chuyển đổi tần số - thường là bộ chuyển đổi trạng thái rắn tĩnh sử dụng bộ chuyển đổi AC-DC-AC - chấp nhận nguồn điện lưới ở tần số cục bộ và cung cấp tần số tàu yêu cầu ở điện áp chính xác. Điện áp đầu ra của các tàu công suất lớn thường là 6,6 kV hoặc 11 kV để giảm thiểu dòng điện và tổn thất cáp trên khoảng cách kết nối bến cảng.

Từ trạm biến áp, điện được dẫn tới hộp nối bờ (SCB) hoặc bệ gắn ở mặt bến. SCB cung cấp điểm kết nối vật lý, thiết bị đóng cắt bảo vệ (máy cắt và bảo vệ sự cố chạm đất), đo lường và hệ thống quản lý cáp - cuộn cáp có thể thu vào, giỏ cáp hoặc cần trục xử lý cáp từ bờ đến tàu cho các kết nối điện áp cao lớn.

Thiết bị bên tàu

Tàu được trang bị một bảng điều khiển đầu vào điện bờ - thường được đặt trên boong chính hoặc boong trên gần khu vực ống góp - chứa thiết bị đóng cắt điện áp cao trên tàu, máy biến áp cách ly (trong một số cấu hình), bộ điều khiển quản lý nguồn và ổ cắm đầu vào tiêu chuẩn hóa. Khi được kết nối, hệ thống quản lý năng lượng của tàu sẽ thực hiện kiểm tra đồng bộ hóa để phù hợp với pha, điện áp và tần số nguồn cung cấp trên bờ với thanh cái bên trong của tàu trước khi chuyển tải và tắt các máy phát phụ trợ. Việc chuyển giao này được quản lý tự động bởi hệ thống quản lý năng lượng (PMS) để ngăn chặn sự gián đoạn của các tải quan trọng.

Điện áp thấp ven bờ cho tàu nhỏ và bến du thuyền

Đối với các tàu giải trí, phà nhỏ và thuyền làm việc, nguồn điện trên bờ được cung cấp ở điện áp thấp - thường là 230V một pha hoặc 400V ba pha ở tần số 50 Hz hoặc 120V/240V ở tần số 60 Hz ở bến du thuyền Bắc Mỹ. Bệ bến du thuyền cung cấp các ổ cắm có đồng hồ đo riêng có định mức từ 16A đến 125A, đủ cho các tàu có tải khách sạn lên đến khoảng 50 kW. Việc kết nối được thực hiện thông qua dây nguồn linh hoạt trên bờ có phích cắm và ổ cắm có khóa xoắn hoặc tiêu chuẩn IEC 60309 (công nghiệp) được xếp hạng để sử dụng ngoài trời và gần vùng nước mặn.

Tiêu chuẩn nguồn điện Shore và các loại đầu nối

Khả năng tương tác giữa các tàu từ các quốc gia treo cờ và cảng khác nhau trên khắp thế giới đòi hỏi các thông số kỹ thuật kết nối được tiêu chuẩn hóa. Tiêu chuẩn quốc tế cơ bản quản lý cơ sở hạ tầng ủi lạnh công suất cao là IEC/ISO/IEEE 80005-1:2019 , bao gồm các hệ thống kết nối bờ cao áp cho các tàu có nhu cầu điện năng từ 1 MW trở lên. Các tiêu chuẩn bổ sung đề cập đến các kết nối tiện ích, giao thức liên lạc và khóa liên động an toàn.

Tiêu chuẩn IEC 80005-1 không chỉ quy định các thông số điện mà còn cả giao thức truyền thông giữa tàu và bờ (dựa trên IEC 61850), trình tự khóa liên động an toàn, yêu cầu quản lý cáp và hình dạng đầu nối cho phích cắm bờ cao áp. Trình tự đầu nối được xác định - trong đó chân nối đất (mặt đất) thực hiện đầu tiên và ngắt cuối cùng - là một yêu cầu an toàn không thể thương lượng nhằm ngăn ngừa phóng điện trên dây dẫn mang điện trong quá trình kết nối và ngắt kết nối khi có tải.

Lợi ích về môi trường và vận hành của điện bờ

Trường hợp môi trường đối với năng lượng trên bờ đã được thiết lập và định lượng rõ ràng. Một tàu du lịch lớn chạy động cơ diesel phụ trợ tại bến tạo ra khoảng 450 kg CO₂ mỗi giờ , cùng với lượng đáng kể NOₓ và các hạt vật chất ở cấp độ bến tàu — ảnh hưởng trực tiếp đến công nhân cảng, người dân lân cận và chất lượng không khí đô thị. Việc thay thế điều này bằng nguồn điện lưới trên bờ, thậm chí từ lưới điện có cường độ carbon vừa phải, thường giảm lượng khí thải CO₂ xuống 50–90% mỗi lần ghé cảng và loại bỏ gần như toàn bộ lượng khí thải NOₓ và PM tại vị trí bến cảng.

Lợi ích hoạt động của các nhà khai thác tàu cũng rất đáng kể. Việc chạy động cơ diesel phụ trợ sẽ tích lũy số giờ hoạt động — yếu tố chính dẫn đến khoảng thời gian đại tu và mức tiêu thụ phụ tùng thay thế. Một tàu thực hiện 100 lần ghé cảng mỗi năm, mỗi lần trung bình 12 giờ, sẽ tích lũy 1.200 giờ động cơ phụ hàng năm ở bến một mình. Ủi lạnh giúp loại bỏ những giờ này, kéo dài thời gian đại tu và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu. Đối với các nhà khai thác trên các tuyến đường nơi giá điện trên bờ cạnh tranh với chi phí nhiên liệu hầm - như trường hợp ngày càng phổ biến ở các cảng châu Âu - ủi nguội cũng giúp tiết kiệm chi phí chuyến đi trực tiếp.

Các nhà khai thác cảng được hưởng lợi từ cơ sở hạ tầng điện trên bờ như một điểm khác biệt về mặt thương mại và là công cụ để thu hút lưu lượng vận chuyển được điều tiết về môi trường. Các cảng không thể cung cấp cơ sở ủi lạnh sẽ phải đối mặt với nguy cơ bị loại khỏi hành trình ghé cảng ngày càng tăng do các quy định về khí thải ở các thị trường trọng điểm — đặc biệt là EU, California và Trung Quốc — thắt chặt các yêu cầu đối với tàu cập bến. Do đó, việc đầu tư vào cơ sở hạ tầng điện trên bờ đã chuyển từ sáng kiến ​​​​bền vững sang yêu cầu cạnh tranh chiến lược của cảng tại các thị trường container và tàu du lịch lớn.

Cung cấp năng lượng bờ cho các ứng dụng tàu nhỏ và bến du thuyền

Ngoài vận chuyển thương mại, nguồn điện trên bờ là tiện ích tiêu chuẩn ở bến du thuyền, bến du thuyền và bến tàu thương mại nhỏ. Đối với các tàu thương mại hạng nhẹ và giải trí, hệ thống điện bờ bao gồm một bệ đo tại mỗi bến cung cấp một hoặc nhiều ổ cắm điện 16A, 32A hoặc 63A - đủ để sạc pin, điều hòa không khí, thiết bị bếp và hệ thống đáy tàu mà không cần chạy máy phát điện hoặc biến tần.

Những cân nhắc chính đối với việc kết nối nguồn điện trên bờ của tàu nhỏ bao gồm:

• Phân cực và rò rỉ đất - phân cực sai trong kết nối nguồn trên bờ là mối nguy hiểm về an toàn; phải lắp thiết bị chỉ thị phân cực hoặc thiết bị giám sát năng lượng bờ trên bảng điều khiển của tàu.
• cách ly điện - một bộ cách ly điện hoặc máy biến áp cách ly ngăn ngừa sự ăn mòn dòng điện rò rỉ trên các phụ kiện kim loại dưới nước do dòng điện chạy qua dây dẫn đất trên bờ giữa các tàu dùng chung hệ thống bến du thuyền.
• Đánh giá dây nguồn bờ - cáp phải được định mức cho dòng tải tối đa và cho dịch vụ ngoài trời, gần nước mặn. Dây điện quá nhỏ và lớp cách điện bị hư hỏng là nguyên nhân hàng đầu gây cháy điện ở bến du thuyền.
• Khả năng tương thích tần số — các tàu di chuyển giữa các khu vực có tần số lưới điện khác nhau (50 Hz so với 60 Hz) phải xác minh rằng tất cả các tải được kết nối, đặc biệt là động cơ AC và bộ sạc pin, đều được định mức cho cả hai tần số trước khi kết nối.