{{{sourceTextContent.title}}}

I traghetti ibridi flessibili necessitano di un nuovo approccio progettuale

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Con l'aumento dell'adozione della propulsione ibrida, è necessario un approccio più flessibile all'ingegneria e alla progettazione di navi ibride

{{{sourceTextContent.description}}}

Presentato dai ricercatori dei cantieri Damen Shipyards al Congresso CIMAC di Vancouver in giugno, un nuovo documento intitolato Holistic Functional Design and System Testing: Hybrid Road Ferry propone un modello alternativo di progettazione e sviluppo basato su iterazioni ingegneristiche con portata e complessità crescenti, man mano che aumentano le informazioni disponibili e la conoscenza delle metriche di progetto.

Integrando i test hardware-in-the-loop, le funzionalità dei sistemi possono essere verificate prima dell'installazione, il che consente una messa in servizio più rapida ed economica, notano gli autori.

Ogni iterazione dovrebbe basarsi fortemente sulle simulazioni e sui risultati dei test, con modelli sempre più complessi - e precisi - utilizzati per soddisfare le richieste dei progettisti e per rispondere alle domande che sorgono nelle diverse fasi di sviluppo del prodotto, afferma l'articolo.

I principali vantaggi di questo approccio sono la flessibilità dei tempi e dei costi di investimento nel corso dell'avanzamento del progetto in diverse fasi. Il progettista deve solo fare uno sforzo relativamente piccolo nella fase di proposta, e una volta che il contratto è in vigore e che il budget e il tempo a disposizione sono maggiori, questo può essere costruito su di esso per sviluppare il livello di dettaglio richiesto. Un altro vantaggio è che le iterazioni di progettazione sono sviluppate sulla base di feedback e risultati effettivi. Ciò consente considerazioni di progettazione flessibile e l'ottimizzazione dei componenti e delle funzionalità sulla base di test di unità, integrazione, sistema e hardware-in-the-loop (HIL).

L'articolo, scritto dal principale ingegnere di Damen Erik-Jan Boonen e dai ricercatori Edward Sciberras e Katerina Xepapa, ha delineato un'applicazione prototipo di questo nuovo approccio sul Road Ferry 8117E3 ibrido di Damen (DRFe 8117 E3).

Il nuovo processo di progettazione

La prima fase del processo di sviluppo è stata la selezione della topologia ibrida dell'imbarcazione, con l'utilizzo di simulazioni, principale strumento di valutazione. Sono state prese in considerazione tre opzioni: eliche convenzionali a gasolio con generatori diesel separati per i carichi ausiliari (diesel-diretto); una combinazione di motore diesel e motore elettrico accoppiato alle eliche, con gruppi elettrogeni separati che forniscono la domanda di energia elettrica (propulsione ibrida); motori elettrici che azionano solo le eliche, generatori diesel e un gruppo batteria che fornisce la domanda elettrica (alimentazione ibrida).

La valutazione si è basata su ridondanza, flessibilità, operabilità, costi operativi e sicurezza per il futuro e su questa base è stata scelta l'opzione di alimentazione ibrida, con l'operabilità come criterio decisivo. Gli autori dell'articolo hanno osservato che questi criteri sono di alto livello e in alcuni casi soggettivi, con dati utilizzati per rendere la selezione molto semplice. Essi osservano: "[In questa fase] per ottenere un recipiente con il miglior equilibrio di attributi, l'esperienza e la conoscenza del prodotto sono fondamentali. La simulazione è servita solo a quantificare e confrontare le prestazioni operative tra le configurazioni"

Il passo successivo è stata la scelta della macchina principale. Come propulsore è stato scelto un propulsore orientabile con disposizione a doppia elica in base alle caratteristiche di manovrabilità ed efficienza. La potenza erogata è stata determinata dalla velocità di navigazione e dalle capacità di tenuta di stazione richieste per l'imbarcazione. Le specifiche operative impongono che i generatori siano in grado di funzionare all'85% del carico quando navigano a piena velocità, con i macchinari selezionati che hanno una velocità fissa di 1.200 giri/min. La batteria è stata scelta sulla base di una valutazione operativa, che ha identificato una capacità della batteria di 800 kWh con la possibilità di estenderla a 2.000 kWh, che è stato visto come un buon accumulo di energia, consentendo un potenziale funzionamento solo elettrico.

La fase successiva, descritta come "progettazione per il servizio", prevedeva la definizione dei dettagli delle operazioni quotidiane del traghetto. Fino a questo punto, le scelte progettuali sono state fatte sulla base di condizioni di progettazione che non si verificano quasi mai durante il normale funzionamento, dice la carta. La funzionalità del sistema di propulsione doveva essere definita per le operazioni quotidiane dell'imbarcazione, con l'esigenza principale di ridurre al minimo il costo totale di proprietà per quello che il documento descrive come "scopo generale del traghetto stradale" dell'imbarcazione. Le principali modalità operative della nave sono state definite come (dis)carico (quando i passeggeri si imbarcano o sbarcano mentre la nave è ormeggiata), manovra (ingresso o uscita dal porto) e transito (navigazione a velocità costante).

Si è concluso che lo "scopo generale dei traghetti stradali" della nave sarebbe stato quello di effettuare viaggi con un tempo di transito di 10-45 minuti, un tempo in porto compreso tra 10-15 minuti e ore di riposo variabili. La velocità di navigazione variava tra gli 8-14 nodi. Le due modalità operative di (un)carico e di transito sono state individuate per determinare il principale consumo energetico della nave. Nel complesso, questo dà una vasta gamma di profili con molte combinazioni possibili. La riduzione al minimo del costo totale di proprietà (TCO) si basava quindi su una busta operativa anziché su un unico profilo. Ciò significava che la funzionalità del sistema doveva essere in grado di adattarsi all'interno di questo involucro operativo per produrre il TCO più basso. La nave avrebbe un'ampia gamma di condizioni operative, dato che l'interoperabilità è uno dei suoi principali requisiti funzionali.

Controllo basato su regole

Successivamente è stato definito il sistema di gestione dell'energia dell'imbarcazione (EMS), che controlla la ripartizione della potenza tra batterie e generatori diesel. Il controllo basato su regole è stato utilizzato a causa della minore complessità e del comportamento prevedibile. Il comportamento del sistema ibrido doveva essere in linea con le operazioni quotidiane per massimizzare i benefici del sistema, ma allo stesso tempo doveva essere in grado di soddisfare i requisiti funzionali. Il modello di simulazione iniziale è stato quindi aggiornato con i dettagli più aggiornati del progetto e sono state valutate diverse strategie sulla base di metriche di confronto, che consistevano in usura del generatore, durata della batteria e costi del carburante. È stato necessario raggiungere un compromesso tra una strategia che prevede l'uso di un generatore (in cui il generatore è la fonte di alimentazione primaria) o di una strategia che prevede l'uso di una batteria (in cui la batteria è la fonte di alimentazione primaria). Sono state valutate diverse strategie attraverso il modello di simulazione dell'imbarcazione, con un controllore di gestione dell'energia adattato che consente di adattare i parametri rilevanti per ogni strategia.

L'ultimo passo incluso nel documento è stato il test dell'attuale sistema di controllo di bordo a livello funzionale. Questo è stato fatto per mezzo di test HIL. Il modello di simulazione ha richiesto un altro adattamento per consentire la comunicazione con il controllore a logica programmabile (PLC) che esegue il sistema di controllo in tempo reale.

Il modello di sistema di alimentazione ibrido utilizzato per la valutazione della strategia EMS è stato modificato in questo modo in modo che il PLC che esegue l'EMS potesse essere collegato alla simulazione, ricevendo gli input e restituendo a sua volta i parametri del sistema virtuale. Questo ha permesso di testare l'EMS su un sistema virtuale prima dell'applicazione sull'imbarcazione, in un ambiente a rischio molto più basso e con l'emulazione di condizioni che sarebbero state difficili da testare nella vita reale.

I test si sono concentrati sulla funzionalità e il sequenziamento del modulo PMS (Power Management System) dell'imbarcazione. I test effettuati hanno fornito una piattaforma di debug per il programma PMS, con una serie di bug identificati e corretti. Sono state testate anche numerose condizioni di guasto, come la simulazione dei segnali di guasto della batteria e la garanzia che la risposta del sistema PMS fosse quella prevista. L'uso di questa piattaforma di test HIL ha contribuito a rendere il sistema migliore e più affidabile prima di iniziare la messa in servizio a bordo, hanno detto gli autori dell'articolo.

Gli autori hanno concluso che tali test HIL non solo migliorano la qualità del software e riducono i tempi di messa in servizio, ma servono anche come piattaforma di test di integrazione di sistema, in quanto i segnali, i protocolli di comunicazione e la logica devono corrispondere per il corretto funzionamento di un sistema.

L'utilizzo di un approccio "olistico" che fa ampio uso di simulazioni e test consente un processo di progettazione più reattivo che può rispondere rapidamente alle richieste dei progettisti e fornire soluzioni alle domande che sorgono in diverse fasi di progettazione, consentendo di adeguare di conseguenza l'investimento in termini di tempo e costi.