BR102020016278A2

BR102020016278A2 - Hybrid shore power supply system for vessels moored in maritime and river port terminals with the purpose of reducing gas emissions in the port area

Info

Publication number: BR102020016278A2
Application number: BR102020016278-0A
Authority: BR
Inventors: Newton Narciso Pereira; Conny Cerai Ferreira; Éric De Oliveira Gabriel; Fernando Vitor De Abreu Moschen; Euler Sánchez Ocampo; Matheus Syx Vasconcelos; Leonardo De Carvalho Vidal; Osvaldo Agripino De Castro Junior; Claudio Iorio Tessari; Jorge Moreira Caldas Fernandes
Original assignee: Universidade Federal Fluminense; Moschen & Oliveira Soluções Ambientais Ltda Me; Euler Sánchez Ocampo; Instituto Federal De Educação, Ciência E Tecnologia Do Rio De Janeiro - Ifrj; Osvaldo Agripino De Castro Junior; Claudio Iorio Tessari; Jorge Moreira Caldas Fernandes
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2022-02-22

Abstract

A presente invenção se aplica no campo da operação de terminais portuários marítimos e fluviais, especificamente em termos do fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas em substituição, total ou parcial, à energia fornecida através da queima de combustíveis fósseis em máquinas auxiliares (MCA) e geradores dessas embarcações, durante o serviço de carga e descarga de embarcações.
A presente invenção compreende um sistema híbrido de fornecimento de energia em terra para navios atracados através da integração de suprimento de energia elétrica convencional ongrid (na rede) com energia de fontes alternativas, tais como energia solar, eólica, marés, ondomotriz, energia térmica dos oceanos, energia cinética das correntes marinhas, biocombustíveis (tais como biodiesel, etanol e biogás) ou biomassa, célula de combustível, e sistemas de geração de energia alternativa combinado, ongrid ou offgrid. Esse sistema híbrido visa fornecer energia aos navios durante a operação de carga e descarga, permitindo o desligamento das MCA’s durante operação nos berços e píeres, que possibilitará gerar uma redução das emissões de gases resultantes da queima de combustíveis fósseis, tais como CO2, NOx, SOx, e material particulado em áreas portuárias marítimas e fluviais, permitindo obter ou não crédito de carbono para o terminal portuário.

The present invention is applied in the field of operation of maritime and river port terminals, specifically in terms of the supply of energy on land to vessels moored in total or partial replacement of the energy provided through the burning of fossil fuels in auxiliary machines (MCA) and generators of these vessels, during the service of loading and unloading vessels.
The present invention comprises a hybrid shore power supply system for berthed ships by integrating conventional electrical power supply ongrid (on the grid) with energy from alternative sources, such as solar, wind, tidal, wave, thermal energy from oceans, kinetic energy of marine currents, biofuels (such as biodiesel, ethanol and biogas) or biomass, fuel cell, and combined, ongrid or offgrid alternative energy generation systems. This hybrid system aims to supply energy to ships during the loading and unloading operation, allowing the MCA's to be turned off during operation at the berths and piers, which will make it possible to generate a reduction in gas emissions resulting from the burning of fossil fuels, such as CO2, NOx, SOx, and particulate matter in maritime and river port areas, allowing carbon credits to be obtained or not for the port terminal.

Description

HYBRID LAND POWER SUPPLY SYSTEM FOR VESSELS MOORED IN MARITIME AND RIVER PORT TERMINALS FOR THE PURPOSE OF REDUCTION OF GAS EMISSIONS IN THE PORT AREA

APPLICATION FIELD

[01] A presente invenção se aplica no campo da operação de terminais portuários marítimos e fluviais, especificamente em termos do fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas em substituição, total ou parcial, à energia fornecida através da queima de combustíveis fósseis em máquinas auxiliares (MCA) e geradores dessas embarcações, durante o serviço de carga e descarga de embarcações.[01] The present invention is applied in the field of operation of maritime and river port terminals, specifically in terms of the supply of energy on land to moored vessels in total or partial replacement of the energy provided through the burning of fossil fuels in auxiliary machines. (MCA) and generators of these vessels, during the loading and unloading service of vessels.

[02] A presente invenção compreende um sistema híbrido de fornecimento de energia em terra para navios atracados através da integração de suprimento de energia elétrica convencional ongrid (na rede) com energia de fontes alternativas, tais como energia solar, eólica, marés, ondomotriz, energia térmica dos oceanos, energia cinética das correntes marinhas, biocombustíveis (tais como biodiesel, etanol e biogás) ou biomassa, célula de combustível, e sistemas de geração de energia alternativa combinado, ongrid ou offgrid. Esse sistema híbrido visa fornecer energia aos navios durante a operação de carga e descarga, permitindo o desligamento das MCA’s durante operação nos berços e píeres, que possibilitará gerar uma redução das emissões de gases resultantes da queima de combustíveis fósseis, tais como CO2, NOx, SOx, e material particulado em áreas portuárias marítimas e fluviais, permitindo obter ou não crédito de carbono para o terminal portuário.[02] The present invention comprises a hybrid shore power supply system for berthed ships by integrating conventional ongrid electrical power supply (on the grid) with energy from alternative sources such as solar, wind, tidal, wave, ocean thermal energy, kinetic energy from marine currents, biofuels (such as biodiesel, ethanol and biogas) or biomass, fuel cell, and combined, ongrid or offgrid alternative energy generation systems. This hybrid system aims to supply energy to ships during the loading and unloading operation, allowing the MCA's to be turned off during operation at the berths and piers, which will make it possible to generate a reduction in gas emissions resulting from the burning of fossil fuels, such as CO2, NOx, SOx, and particulate matter in maritime and river port areas, allowing or not to obtain carbon credits for the port terminal.

FUNDAMENTALS OF THE INVENTION

[03] A presente invenção compreende um sistema híbrido para o fornecimento de energia elétrica em terra para navios atracados em substituição, total ou parcial, da energia oriunda da queima de combustíveis fósseis em máquinas auxiliares (MCA) e geradores das embarcações marítimas e fluviais. A energia será fornecida de terra para a embarcação através de um sistema integrado de suprimento de energia elétrica convencional a partir da rede da concessionária de energia local com a energia oriunda de fontes de energia limpa diversas, a saber, energia solar, eólica, das ondas, marés, energia térmica dos oceanos, correntes marítimas, biocombustíveis (tais como biodiesel, etanol e biogás) ou biomassa, célula de combustível, entre outras, possíveis de serem integradas na zona portuária ou fora dela, Figura 1.[03] The present invention comprises a hybrid system for the supply of electrical energy on land for moored ships in total or partial replacement of energy from the burning of fossil fuels in auxiliary machines (MCA) and generators of maritime and river vessels. The energy will be supplied from shore to the vessel through an integrated system of conventional electrical energy supply from the grid of the local power utility with energy from diverse clean energy sources, namely solar, wind, wave energy. , tides, ocean thermal energy, sea currents, biofuels (such as biodiesel, ethanol and biogas) or biomass, fuel cell, among others, possible to be integrated in the port area or outside it, Figure 1.

[04] Quando um navio está atracado em um porto, apesar da maioria das máquinas estarem desligadas, a embarcação ainda precisa de energia para atendimento de serviços de aquecimento, iluminação, fonte de alimentação geral, auxiliares, dentre outros serviços de hotel. Essa energia é normalmente fornecida pela queima de combustíveis fósseis, tal como o diesel marítimo, em equipamentos auxiliares (MCA) e nos geradores das embarcações, com potência instalada que pode variar entre 500 kW até 10 MW. Nesse processo, são produzidos emissões e ruídos, ocasionando danos ambientais na comunidade e ao meio ambiente no entorno do terminal portuário. Desse modo, o fornecimento de energia em terra para as embarcações atracadas é uma alternativa possível para minimizar a poluição do ar e a geração de ruídos de embarcações diversas operando nos referidos berços ou píeres de arrendamentos de portos públicos e nas instalações portuárias, fora do porto organizado, especialmente terminais de uso privado (TUP). Nesses locais, os usuários (embarcadores e navios) possuem direito à eficiência e o respeito ao meio ambiente, pois são requisitos do serviço adequado no setor portuário (art. 2°, inciso I, alínea a, da Resolução n. 3274/2014, da Agência Nacional de Transporte Aquaviário -ANTAQ).[04] When a ship is moored in a port, despite most machines being turned off, the vessel still needs energy to service heating, lighting, general power supply, auxiliaries, among other hotel services. This energy is normally provided by burning fossil fuels, such as marine diesel, in auxiliary equipment (MCA) and in the generators of vessels, with installed power that can vary between 500 kW to 10 MW. In this process, emissions and noise are produced, causing environmental damage to the community and the environment around the port terminal. In this way, the supply of energy on land for the berthed vessels is a possible alternative to minimize air pollution and the generation of noise from various vessels operating in the referred berths or piers of public port leases and in port facilities, outside the port. organized, especially terminals for private use (TUP). In these places, users (shippers and ships) have the right to efficiency and respect for the environment, as they are requirements of adequate service in the port sector (article 2, item I, paragraph a, of Resolution No. 3274/2014, from the National Water Transport Agency -ANTAQ).

[05] Para mitigar os danos ambientais decorrentes da queima de combustível fóssil para geração de energia elétrica nas embarcações atracadas, propõe-se uma solução híbrida que foca na integração de energia elétrica convencional (ongrid) com a energia alternativa (ongrid e/ou offgrid) para atender, parcial ou totalmente, às demandas energéticas das embarcações no berço. Com isso, as máquinas auxiliares (MCA) podem ser desligadas e a geração de ruídos reduzida. Para tal, essa solução busca atender a demanda de redução das emissões de gases que impactam no efeito estufa (GEE), a partir da instalação de painéis fotovoltaicos (1) nos telhados de instalações cobertas e áreas abertas diversas nas áreas portuárias ou em outras áreas para suprir energia para embarcações, aerogeradores (2), sistemas para aproveitamento ondomotriz (3), sistema de turbinas para geração de energia a partir do aproveitamento da energia cinética das correntes marinhas (4), sistema de turbinas para aproveitamento da energia das marés (5), geradores a biocombustíveis/biomassa (6), célula de combustível (7), usinas OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) para conversão de energia térmica oceânica (8), sistemas de geração de energia alternativa combinado (9) ou qualquer outra fonte de energia alternativa, Figura 2, dependendo da especificidade em termos de infraestrutura, necessidade de investimento e localização do terminal portuário marítimo ou fluvial. Com o suprimento de energia em terra da integração da energia convencional com fontes de energias alternativas, busca-se associar os efeitos benéficos da diminuição da poluição sonora e atmosférica na área do porto com a geração de energia limpa, além de eventuais ganhos com créditos de carbono.[05] To mitigate the environmental damage resulting from the burning of fossil fuel to generate electricity in moored vessels, a hybrid solution is proposed that focuses on the integration of conventional electricity (ongrid) with alternative energy (ongrid and/or offgrid). ) to partially or totally meet the energy demands of vessels at the berth. With this, the auxiliary machines (MCA) can be turned off and the noise generation reduced. To this end, this solution seeks to meet the demand for reducing greenhouse gas (GHG) emissions, by installing photovoltaic panels (1) on the roofs of covered facilities and various open areas in port areas or other areas. to supply energy for vessels, wind turbines (2), systems for wave-motive use (3), turbine system for generating energy from the use of the kinetic energy of marine currents (4), turbine system for harnessing tidal energy ( 5), biofuel/biomass generators (6), fuel cell (7), OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion) plants for ocean thermal energy conversion (8), combined alternative energy generation systems (9) or any other alternative energy source, Figure 2, depending on the specificity in terms of infrastructure, investment needs and location of the maritime or river port terminal. With the onshore energy supply from the integration of conventional energy with alternative energy sources, the aim is to associate the beneficial effects of the reduction of noise and atmospheric pollution in the port area with the generation of clean energy, in addition to eventual gains with credits of carbon.

[06] A energia alternativa, como por exemplo, a energia solar, gerada em áreas disponíveis na região dos complexos portuários, ou fora deles, podem ser computadas como fonte de energia ongrid ou offgrid para abatimento do custo energético da energia ongrid convencional destinada para sistemas shore power ou cold ironing. Conforme mencionado, alternativamente à geração de energia solar, outras fontes de energia limpa, tais como energia eólica, ondas, marés, biocombustíveis/biomassa, energia térmica oceânica, célula de combustível e de correntes marinhas, podem ser empregadas nos terminais com pouca capacidade de geração ou indisponibilidade de áreas para instalação de painéis fotovoltaicos, ou ainda as fontes de energia limpa podem ser combinadas para maximizar a geração alternativa. Deste modo, essa solução híbrida atende a dois critérios principais: (1) redução de emissões de gases de efeito estufa, principalmente, CO2, bem como, (2) atende aos critérios de sustentabilidade com a utilização de energia alternativa na área do porto.[06] Alternative energy, such as solar energy, generated in available areas in the region of the port complexes, or outside them, can be computed as an ongrid or offgrid energy source to reduce the energy cost of conventional ongrid energy destined for shore power or cold ironing systems. As mentioned, alternatively to the generation of solar energy, other sources of clean energy, such as wind energy, waves, tides, biofuels/biomass, ocean thermal energy, fuel cell and marine currents, can be used in terminals with low capacity of generation or unavailability of areas for installing photovoltaic panels, or even clean energy sources can be combined to maximize alternative generation. Thus, this hybrid solution meets two main criteria: (1) reduction of greenhouse gas emissions, mainly CO2, as well as, (2) it meets the sustainability criteria with the use of alternative energy in the port area.

STATUS OF THE TECHNIQUE

[07] Para a implementação da solução híbrida proposta, Figuras 1 e 2, são necessários sistemas para geração de energia limpa (A) e conexão desses sistemas com ongrid ou offgrid para fornecimento da energia limpa gerada para a rede de energia elétrica convencional. A aquisição do sistema de geração alternativa adequado dependerá, obviamente, do tipo de energia a ser gerada a partir das diversas fontes bem como dos tipos de combinações que serão realizadas. Para a geração de energia solar, são necessários painéis fotovoltaicos (1), sistema de conversão de energia e conexão com ongrid ou offgrid para fornecimento de energia para a rede de energia elétrica convencional. Do ponto de vista tecnológico, não existem desafios uma vez que estas tecnologias já estão disponíveis em ampla escala e já foram implementadas em outros portos no mundo, concentrando-se principalmente na Europa (Hamburgo, Bergen, Helsinki, Rotterdam entre outros), Estados Unidos são 14 portos com esses sistemas (Porto de Long Beach, Los Angeles entre outros) e na Ásia (Cingapura e China). Existem pelo menos seis fornecedores principais de grandes componentes de sistema shore power sendo (ABB, GE, Cavotec, Siemens, Wartsila Sam Electronics, Terasaki, Patton & Coke and Schneider Electric e Danfoos) e inúmeros fornecedores de sistemas fotovoltaicos nacionais e estrangeiros.[07] For the implementation of the proposed hybrid solution, Figures 1 and 2, systems are required for generating clean energy (A) and connecting these systems with ongrid or offgrid to supply the generated clean energy to the conventional electricity grid. The acquisition of a suitable alternative generation system will obviously depend on the type of energy to be generated from the different sources as well as the types of combinations that will be carried out. For solar energy generation, photovoltaic panels (1), energy conversion system and connection with ongrid or offgrid are needed to supply energy to the conventional electricity grid. From a technological point of view, there are no challenges since these technologies are already available on a large scale and have already been implemented in other ports around the world, mainly in Europe (Hamburg, Bergen, Helsinki, Rotterdam, among others), the United States there are 14 ports with these systems (Port of Long Beach, Los Angeles, among others) and in Asia (Singapore and China). There are at least six major suppliers of large shore power system components (ABB, GE, Cavotec, Siemens, Wartsila Sam Electronics, Terasaki, Patton & Coke and Schneider Electric and Danfoos) and numerous domestic and foreign photovoltaic system suppliers.

[08] No tocante às outras alternativas de energia limpa, possíveis de serem implementadas em terminais portuários, destaca-se que para geração de energia eólica são necessárias torres com pás, denominadas Aerogeradores (2), que são acionadas pela força dos ventos. Tais sistemas podem ser instalados na área do entorno do porto, bem como, em sistemas flutuantes offshore para melhor aproveitamento desta fonte de energia. Adicionalmente, poderá ser utilizada energia oriunda das ondas, através de equipamentos que conseguem gerar energia em função do movimento oscilatório das águas marinhas (3), atualmente essas tecnologias são utilizadas principalmente na Europa. A escolha do sistema mais eficiente para utilização da energia ondomotriz depende de características geológicas da região onde será instalado, profundidade, força das ondas, dentre outros fatores. Em relação à energia de correntes marinhas essas consistem de turbinas subaquáticas (4), que são acionadas em função da direção da corrente abaixo da linha d’água. Assim, a velocidade das correntes aciona as turbinas que geram energia elétrica. Para aproveitamento da energia térmica oceânica, são instalados sistemas de conversão de energia térmica (5) offshore, também denominados usinas OTEC, compostos basicamente por condensadores, vaporizadores, bombas e turbinas. No âmbito do uso de biocombustíveis ou biomassa, os mesmos podem ser utilizados para acionamento de geradores elétricos (6). Já o uso de célula de combustível (7) consiste de uma célula eletroquímica que converte energia potencial de um combustível em eletricidade através de uma reação eletroquímica. Como qualquer célula eletroquímica, uma célula de combustível consiste em dois elétrodos, o ânodo e o cátodo, e um eletrólito. Dois componentes são essenciais: o hidrogênio, como combustível, e o oxigênio como oxidante. Em princípio, as células de combustível não são poluentes, visto que tem água com o produto da reação quando usado hidrogênio como combustível e oxigênio como comburente, sendo que a energia gerada pode ser aproveitada na área portuária. Contudo, a aplicação de cada uma dessas tecnologias, bem como da combinação delas (8), dependerá de um estudo detalhado da melhor localização onde deverão ser implementadas para não gerar impacto na operação do porto, bem como, na rota dos navios em aproximação do terminal.[08] With regard to other alternatives of clean energy, which can be implemented in port terminals, it is noteworthy that for the generation of wind energy, towers with blades, called Wind Generators (2), which are driven by the force of the winds are required. Such systems can be installed in the area surrounding the port, as well as in offshore floating systems for better use of this energy source. Additionally, energy from waves can be used, through equipment that can generate energy due to the oscillatory movement of marine waters (3), currently these technologies are used mainly in Europe. Choosing the most efficient system for using wave energy depends on the geological characteristics of the region where it will be installed, depth, wave strength, among other factors. Regarding the energy of marine currents, these consist of underwater turbines (4), which are driven according to the direction of the current below the waterline. Thus, the speed of the currents drives the turbines that generate electrical energy. To take advantage of ocean thermal energy, offshore thermal energy conversion systems (5) are installed, also called OTEC plants, basically composed of condensers, vaporizers, pumps and turbines. In the context of the use of biofuels or biomass, they can be used to drive electric generators (6). The use of fuel cell (7) consists of an electrochemical cell that converts potential energy of a fuel into electricity through an electrochemical reaction. Like any electrochemical cell, a fuel cell consists of two electrodes, the anode and cathode, and an electrolyte. Two components are essential: hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidant. In principle, fuel cells are non-polluting, since they contain water as the reaction product when hydrogen is used as fuel and oxygen is used as an oxidizer, and the energy generated can be used in the port area. However, the application of each of these technologies, as well as the combination of them (8), will depend on a detailed study of the best location where they should be implemented so as not to impact the port operation, as well as the route of ships approaching the port. terminal.

[09] Para a integração entre a geração de energia alternativa ongrid e a energia convencional ongrid (C) é necessária uma subestação (B) que conecta ambos sistemas para o fornecimento da energia na rede. Já os sistemas offgrid operam fora da rede principal, sendo dotados de sistemas de acumulação de energia (D), tais como baterias, para acumular a energia produzida e posterior distribuição para consumo na rede interna do terminal portuário. A tecnologia aplicada para fornecimento de energia em terra para navios é denominada shore power ou cold ironing. Basicamente estes sistemas consistem da instalação de: subestação modular no terminal portuário (E), transformador (F) de energia para navios (50Hz ou 60 Hz e vice versa) para realizar o ajuste da frequência e voltagem da rede com os requisitos dos navios. Para utilização do sistema híbrido o controle da frequência e voltagem faz-se necessário para garantir o suprimento correto para a embarcação. Os ajustes da frequência e voltagem são necessários, pois na Europa o padrão de frequência é de 50 Hz, enquanto nas Américas é 60 Hz, e tem um impacto sobre o equipamento a bordo dos navios. A princípio, somente os navios previamente adaptados para recebimento de energia em terra poderão ser utilitários do serviço.[09] For the integration between ongrid alternative energy generation and ongrid conventional energy (C) a substation (B) is required that connects both systems to supply energy to the grid. On the other hand, offgrid systems operate outside the main grid, being equipped with energy accumulation systems (D), such as batteries, to accumulate the energy produced and subsequent distribution for consumption in the internal network of the port terminal. The technology applied to supply energy on land to ships is called shore power or cold ironing. Basically these systems consist of the installation of: modular substation in the port terminal (E), transformer (F) of energy for ships (50Hz or 60 Hz and vice versa) to carry out the adjustment of the frequency and voltage of the network with the requirements of the ships. To use the hybrid system, frequency and voltage control is necessary to ensure the correct supply to the vessel. Frequency and voltage adjustments are necessary as in Europe the standard frequency is 50 Hz, while in the Americas it is 60 Hz, and this has an impact on the equipment on board ships. In principle, only ships previously adapted to receive energy on land will be able to use the service.

[010] Para a conexão entre o suprimento de energia em terra e o navio adaptado (no momento do desligamento dos MCAs) são necessários cabeamento no padrão International Electrotechnical Commission (ICE) com soquetes, plugues e conectores adequados para conexão com o plug de energia do navio (G). O cabeamento dos navios utiliza conectores com capacidade acima de 12 kV, flexíveis, dotados de acumulador de fibra ótica, redutor de torque, ligados a um painel elétrico dotados de sistema de alarme que monitora a tensão no cabo. Estes sistemas de conectores são distribuídos em compartimentos abaixo do piso do berço para evitar acidentes com os operadores do porto ou terminal.[010] For the connection between the shore power supply and the adapted ship (at the time of turning off the MCAs), International Electrotechnical Commission (ICE) standard cabling with sockets, plugs and connectors suitable for connection with the power plug are required. of the ship (G). The ships' cabling uses flexible connectors with a capacity above 12 kV, equipped with a fiber optic accumulator, torque reducer, connected to an electrical panel equipped with an alarm system that monitors the tension in the cable. These connector systems are distributed in compartments below the floor of the berth to avoid accidents with port or terminal operators.

[011] Conforme mencionado, os navios precisam estar adaptados para receber a energia em terra. Alguns dos navios construídos a partir de 2017 já dispõem destes sistemas a bordo. Algumas frotas, como navios porta conteineres, cruzeiros e ferries, já foram adaptadas. Contudo, tais sistemas ainda não são comuns em navios graneleiros. Deste modo, o navio precisa dispor de um sistema de conexão com cabos e plugue (G), transformador (H) para reduzir os níveis de tensão, painel de controle e quadro de distribuição de energia (I) para receber a energia em terra e sincronização através de dispositivo de controle.[011] As mentioned, ships need to be adapted to receive power on land. Some of the ships built from 2017 onwards already have these systems on board. Some fleets, such as container ships, cruise ships and ferries, have already been adapted. However, such systems are not yet common on bulk carriers. Thus, the ship needs to have a connection system with cables and plug (G), transformer (H) to reduce voltage levels, control panel and power distribution board (I) to receive power on shore and synchronization via control device.

[012] Algumas soluções disponíveis no mercado internacional dão conta do fornecimento de energia em terra para embarcações mas em nenhum dos casos há a integração das diferentes fontes de energia alternativa propostas nesta invenção, ongrid e offgrid, com a rede de energia convencional ongrid.[012] Some solutions available in the international market account for the supply of energy on land for vessels but in none of the cases there is the integration of the different alternative energy sources proposed in this invention, ongrid and offgrid, with the conventional energy network ongrid.

[013] No documento EP2092177B1 a invenção refere-se ao o fornecimento de energia externa a navios em um porto, a fim de impedir a formação de fuligem e CO2. A invenção propõe uma fonte de alimentação flutuante cujos componentes são dispostos sobre ou em um dispositivo flutuante, particularmente uma barcaça. Esta solução não contempla fornecimento de eletricidade na modalidade shore-power. Esta invenção contempla uma unidade portuária flutuante onde estão os equipamentos, tanques, dispositivo de limpeza dos gases de escape do motor de combustão, e bombas para o fornecimento do combustível do porto flutuante para o navio. A diferença em relação a patente No. EP2092177B1, é que a presente invenção propõe um sistema híbrido de fornecimento de energia de fontes alternativas, ongrid e offgrid, integrado com a rede de energia convencional ongrid sendo que este fornecimento acontece quando o navio está atracado no porto durante o seu tempo de operação de carga e descarga.[013] In EP2092177B1 the invention refers to the supply of external energy to ships in a port, in order to prevent the formation of soot and CO2. The invention proposes a floating power supply whose components are arranged on or in a floating device, particularly a barge. This solution does not include shore-power supply of electricity. This invention contemplates a floating port unit where the equipment, tanks, combustion engine exhaust gas cleaning device, and pumps for supplying fuel from the floating port to the ship are. The difference from patent No. EP2092177B1, is that the present invention proposes a hybrid system of energy supply from alternative sources, ongrid and offgrid, integrated with the conventional energy network ongrid and this supply takes place when the ship is moored in the port during its operating time. loading and unloading.

[014] No documento CN205345303U descreve-se um sistema de gerenciamento híbrido de eletricidade alternativa para embarcações e navios. O sistema de gerenciamento de energia híbrido inclui: um módulo completo de controle elétrico e eletrônico, gerenciamento e fornecimento de energia administrado pelos sistemas de geração: (1) diesel, (2) eólica, (3) fotovoltaica, (3) maremotriz - batedores de ondas. A invenção conta com um sistema de baterias para armazenamento de energia, controle automatizado da armazenagem e transmissão de eletricidade. O inventor descreve como vantagens: consiste num sistema híbrido que integra várias fontes de energia consideradas como “energia verde” satisfaz a economia de eletricidade por combustão de bunker, a redução de emissões e responde positivamente ao aquecimento global. Apesar da invenção No. CN205345303U propor uma solução técnica muito próxima à invenção proposta neste documento, a principal diferença entre ambas consiste de que a invenção proposta no presente documento consiste de um sistema de fornecimento de energia elétrica alternativa com capacidade instalada entre os 15 e 30 MW, podendo ser usada por navios cargueiros, porta-container e de passageiros de qualquer origem que demandem de energia elétrica com frequências elétricas entre os 50 e 60 Hz -para tal a presente invenção contempla um sistema conversão de frequência elétrica para posterior transferência. Além disso, a presente solução contempla a possibilidade de fornecer eletricidade para o grid local, caso esta não seja consumida no porto e abarca fontes de energia limpa como ondomotriz, maremotriz, energia térmica oceânica, geradores a biocombustíveis/biomassa, células a combustível, energia solar, energia eólica e qualquer combinação de duas ou mais das fontes citadas para maximizar a geração alternativa.[014] Document CN205345303U describes a hybrid alternative electricity management system for vessels and ships. The hybrid energy management system includes: a complete module for electrical and electronic control, management and energy supply managed by the generation systems: (1) diesel, (2) wind, (3) photovoltaic, (3) tidal - beaters of waves. The invention has a battery system for energy storage, automated control of the storage and transmission of electricity. The inventor describes as advantages: it consists of a hybrid system that integrates several energy sources considered as “green energy” satisfies the savings in electricity from bunker combustion, the reduction of emissions and responds positively to global warming. Despite invention No. CN205345303U propose a technical solution very close to the invention proposed in this document, the main difference between the two is that the invention proposed in this document consists of an alternative electricity supply system with an installed capacity between 15 and 30 MW, which can be used by cargo, container and passenger ships of any origin that demand electrical energy with electrical frequencies between 50 and 60 Hz - for this the present invention contemplates an electrical frequency conversion system for subsequent transfer. In addition, the present solution contemplates the possibility of supplying electricity to the local grid, if it is not consumed at the port, and includes clean energy sources such as wave, tidal, ocean thermal energy, biofuel/biomass generators, fuel cells, solar, wind power and any combination of two or more of the aforementioned sources to maximize alternative generation.

[015] No documento CN106026181A a invenção refere-se a um sistema de proteção de potência aplicado a um sistema de fornecimento de eletricidade em terra para navios. Este dispositivo de tensão de frequência variável usa de um dispositivo de inversão de potência que protege tanto o navio como os equipamentos de geração, armazenamento, conversão e transferência de eletricidade. Este dispositivo de regulagem de tensão também propõe uma conexão direta com a local de eletricidade, permitindo o recebimento de eletricidade do grid local ou fornecimento de eletricidade desde o sistema shore-power para a rede pública. As diferenças da patente No. CN106026181A com a presente invenção tem como ponto principal o fato de que a presente invenção propõe a integração da geração de energia alternativa a partir de várias fontes de energia limpa, como por exemplo, energia solar, eólica, de geradores a biocombustível/biomassa, maremotriz, ondomotriz, térmica oceânica, com a rede de energia elétrica convencional para as embarcações atracadas no porto durante o seu tempo de operação de carga e descarga. No documento CN106026181A propõe-se a apenas o fornecimento de energia elétrica para os navios a partir da rede convencional através de um dispositivo de tensão e frequências variáveis incluído de um sistema de proteção de energia reversa.[015] In document CN106026181A the invention refers to a power protection system applied to a system for providing electricity on land for ships. This variable frequency voltage device uses a power inversion device that protects both the ship and the electricity generation, storage, conversion and transfer equipment. This voltage regulation device also proposes a direct connection to the local electricity supply, allowing the receipt of electricity from the local grid or the supply of electricity from the shore-power system to the public grid. The differences from Patent No. CN106026181A with the present invention has as its main point the fact that the present invention proposes the integration of alternative energy generation from various sources of clean energy, such as solar, wind, biofuel/biomass generators, tidal , wave-motive, ocean thermal, with the conventional electric power grid for vessels moored in the port during their loading and unloading operation time. In document CN106026181A, it is proposed to only supply electrical energy to ships from the conventional network through a variable voltage and frequency device included in a reverse energy protection system.

[016] No documento EP2913509B1 a invenção refere-se a um sistema de suprimento de combustível híbrido para um motor de uma embarcação, este dispositivo se localiza a bordo do navio, obedecendo especificamente a um sistema de suprimento de combustível híbrido para o motor de uma embarcação; este sistema pode fornecer gás de ebulição (BOG) ou gás natural liquefeito que está armazenado em um tanque de carga de GNL e que depois é enviado para um motor de propulsão a que trabalha com gás injetado. A diferença da patente No. EP2913509B1, é que a presente invenção compreende um sistema híbrido de fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas a partir da integração da geração de energia de diferentes fontes alternativas, como por exemplo, energia solar, eólica, maremotriz, ondomotriz, térmica oceânica, células a combustível, geradores a biocombustível/biomassa. Enquanto que o documento EP2913509B1 descreve um suprimento de combustível híbrido para um navio cuja composição consiste de gás de ebulição ou gás natural liquefeito, não se trata portanto do fornecimento de energia pela integração da energia da rede convencional com energia proveniente de fontes alternativas.[016] In the document EP2913509B1 the invention refers to a hybrid fuel supply system for a vessel's engine, this device is located on board the vessel, specifically obeying a hybrid fuel supply system for a vessel's engine. vessel; this system can supply boiling gas (BOG) or liquefied natural gas that is stored in an LNG cargo tank and then sent to a propulsion engine that works with injected gas. Unlike patent No. EP2913509B1 , is that the present invention comprises a hybrid system of shore power supply for moored vessels from the integration of power generation from different alternative sources, such as solar, wind, tidal, wave, ocean thermal, cells fuel, biofuel/biomass generators. While EP2913509B1 describes a supply of hybrid fuel for a ship whose composition consists of boiling gas or liquefied natural gas, it is therefore not a question of supplying energy by integrating conventional grid energy with energy from alternative sources.

[017] No documento RU2701278(C1) a invenção se aplica a meios de transporte fluviais e marítimos com o intuito de fornecer eletricidade para embarcações usando o efeito de albedo para aproveitamento da energia solar por insolação e reflexão usando painéis fotovoltaicos. Esta invenção consiste num dispositivo que é instalado a bordo do navio, sendo que ele é composto por painéis fotovoltaicos e baterias posicionadas ao longo do convés do navio. A diferença da patente No. RU2701278(C1) com a presente invenção é que no documento RU2701278(C1) descreve-se o suprimento de energia para embarcações pelo aproveitamento da radiação dispersa ou refletida, tanto na água quanto na nebulosidade, com a geração da energia sendo realizada apenas por baterias solares dispostas no convés do navio. Na presente invenção, propõe-se um sistema híbrido que integra energia de fontes alternativas com a energia disponível na rede convencional como suprimento de energia em terra para embarcações atracadas.[017] In document RU2701278(C1) the invention applies to river and sea transport in order to supply electricity to vessels using the albedo effect to harness solar energy by insolation and reflection using photovoltaic panels. This invention consists of a device that is installed on board the ship, and it is composed of photovoltaic panels and batteries positioned along the deck of the ship. Unlike patent No. RU2701278(C1) with the present invention is that the document RU2701278(C1) describes the supply of energy to vessels by taking advantage of dispersed or reflected radiation, both in water and in cloud cover, with energy generation being carried out only by batteries solar panels arranged on the ship's deck. In the present invention, a hybrid system is proposed that integrates energy from alternative sources with the energy available in the conventional grid as a shore power supply for moored vessels.

[018] No documento KR20160128632 (A) a invenção descreve um método e sistema de fornecimento de energia elétrica para uma estrutura flutuante offshore a partir de uma usina onshore. O sistema dessa invenção compreende: uma usina de energia em terra que produz energia elétrica usando gás natural como combustível; e uma linha de fornecimento de energia que conduzem a mesma até uma estrutura flutuante offshore que entrega a energia para os navios. A usina onshore está configurada para produzir energia elétrica e fornecer a energia elétrica produzida à estrutura flutuante offshore. De acordo com essa invenção, uma vez que uma estrutura flutuante offshore armazena eletricidade ela poderá atender navios não atracados diretamente no cais. Apesar de ambas estarem relacionadas com um dispositivo de fornecimento de eletricidade para navios, a invenção KR20160128632 (A) propõe um sistema offshore alimentado por uma unidade de geração em terra que depois fornece eletricidade para navios pela queima de gás natural; enquanto que a solução descrita no presente documento contempla um projeto aplicado em terra que consiste na produção, armazenagem e transmissão de energia elétrica alternativa oriundas de fontes alternativas, como por exemplo, energia solar, eólica, maremotriz, ondomotriz, células a combustível, geradores a biocombustível/biomassa, células a combustível e a combinação dessas fontes e a sua integração com a energia elétrica disponível na rede convencional.[018] In document KR20160128632 (A) the invention describes a method and system of supplying electrical energy to an offshore floating structure from an onshore power plant. The system of this invention comprises: an onshore power plant that produces electrical energy using natural gas as a fuel; and a power supply line leading to an offshore floating structure that delivers power to the ships. The onshore power plant is configured to produce electrical energy and supply the electrical energy produced to the floating offshore structure. According to this invention, once an offshore floating structure stores electricity it will be able to service ships not directly moored at the pier. Although both are related to an electricity supply device for ships, the invention KR20160128632 (A) proposes an offshore system powered by an onshore generation unit which then supplies electricity to ships by burning natural gas; while the solution described in this document contemplates a project applied on land that consists of the production, storage and transmission of alternative electrical energy from alternative sources, such as solar, wind, tidal, wave, fuel cells, generators biofuel/biomass, fuel cells and the combination of these sources and their integration with the electrical energy available in the conventional grid.

SUMMARY OF THE INVENTION

[019] A presente invenção se aplica no campo da operação de terminais portuários marítimos e fluviais, especificamente em termos do fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas em substituição, total ou parcial, à energia fornecida através da queima de combustíveis fósseis em máquinas auxiliares (MCA) e geradores dessas embarcações, durante o serviço de carga e descarga de embarcações.[019] The present invention is applied in the field of operation of maritime and river port terminals, specifically in terms of the supply of energy on land to vessels moored in total or partial replacement of the energy provided through the burning of fossil fuels in auxiliary machines. (MCA) and generators of these vessels, during the loading and unloading service of vessels.

[020] A presente invenção compreende um sistema híbrido de fornecimento de energia em terra para navios atracados através da integração de suprimento de energia elétrica convencional ongrid (na rede) com energia de fontes alternativas, tais como energia solar, eólica, marés, ondomotriz, energia térmica dos oceanos, energia cinética das correntes marinhas, biocombustíveis (tais como biodiesel, etanol e biogás) ou biomassa, célula de combustível, e sistemas de geração de energia alternativa combinado, ongrid ou offgrid. Esse sistema híbrido visa fornecer energia aos navios durante a operação de carga e descarga, permitindo o desligamento das MCA’s durante operação nos berços e píeres, que possibilitará gerar uma redução das emissões de gases resultantes da queima de combustíveis fósseis, tais como CO2, NOx, SOx, e material particulado em áreas portuárias marítimas e fluviais, permitindo obter ou não crédito de carbono para o terminal portuário.[020] The present invention comprises a hybrid onshore power supply system for berthed ships by integrating conventional ongrid electrical power supply (on the grid) with energy from alternative sources such as solar, wind, tidal, wave, ocean thermal energy, kinetic energy from marine currents, biofuels (such as biodiesel, ethanol and biogas) or biomass, fuel cell, and combined, ongrid or offgrid alternative energy generation systems. This hybrid system aims to supply energy to ships during the loading and unloading operation, allowing the MCA's to be turned off during operation at the berths and piers, which will make it possible to generate a reduction in gas emissions resulting from the burning of fossil fuels, such as CO2, NOx, SOx, and particulate matter in maritime and river port areas, allowing or not to obtain carbon credits for the port terminal.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[021] A Figura 1 é a representação em diagrama do sistema híbrido de fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas em terminais portuários marítimos e fluviais.[021] Figure 1 is the diagrammatic representation of the hybrid onshore power supply system for vessels moored in maritime and river port terminals.

[022] A Figura 2 é a representação em diagrama da integração da geração de energia limpa com a rede convencional para fornecimento de energia em terra para embarcações atracadas.[022] Figure 2 is the diagrammatic representation of the integration of clean energy generation with the conventional grid to supply energy on land for moored vessels.

[023] A Figura 3 é o fluxograma funcional da operação de fornecimento de energia em terra para embarcações a partir do sistema híbrido.[023] Figure 3 is the functional flowchart of the shore power supply operation for vessels from the hybrid system.

DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[024] Para a implementação da solução híbrida para fornecimento de energia em terra para navios atracados em terminais portuários marítimos ou fluviais, Figura 1, são necessários sistemas para geração de energia limpa (A). Para a geração de energia solar, são necessários painéis fotovoltaicos (1); para geração de energia eólica são necessárias torres com pás, denominadas aerogeradores (2); para geração de energia das ondas, utiliza-se geradores compostos por turbinas acionadas em função do movimento oscilatório das águas marinhas (3); em relação à energia de correntes marinhas essas consistem de turbinas subaquáticas (4), que são acionadas em função da direção da corrente abaixo da linha d’água; para aproveitamento da energia térmica oceânica, são instalados sistemas de conversão de energia térmica (5) offshore, também denominados usinas OTEC, compostos basicamente por condensadores, vaporizadores, bombas e turbinas; no caso do uso de biocombustíveis ou biomassa, os mesmos podem ser utilizado para acionamento de geradores elétricos (6); em termos do uso de célula de combustível (7) o sistema consiste de uma célula eletroquímica que converte energia potencial de um combustível em eletricidade através de uma reação eletroquímica; já os sistemas combinados (8), podem ser constituídos de duas ou mais combinações de quaisquer dos sistemas de geração de energia limpa mencionados anteriormente. Conforme mencionado, independente do sistema de geração alternativa é necessário conexão com ongrid ou offgrid para fornecimento da energia gerada para a rede de energia elétrica convencional.[024] For the implementation of the hybrid solution for the supply of energy on land for ships moored in maritime or river port terminals, Figure 1, systems for the generation of clean energy are needed (A). For the generation of solar energy, photovoltaic panels are needed (1); to generate wind energy, towers with blades, called wind turbines (2); to generate energy from the waves, generators made up of turbines driven by the oscillatory movement of marine waters are used (3); in relation to the energy of marine currents, these consist of underwater turbines (4), which are driven according to the direction of the current below the waterline; to take advantage of ocean thermal energy, offshore thermal energy conversion systems (5) are installed, also called OTEC plants, basically composed of condensers, vaporizers, pumps and turbines; in the case of using biofuels or biomass, they can be used to drive electric generators (6); in terms of fuel cell use (7) the system consists of an electrochemical cell that converts potential energy from a fuel into electricity through an electrochemical reaction; the combined systems (8) can be made up of two or more combinations of any of the previously mentioned clean energy generation systems. As mentioned, regardless of the alternative generation system, it is necessary to connect an ongrid or offgrid to supply the generated energy to the conventional electricity grid.

[025] Para a integração entre a geração de energia alternativa ongrid e a energia convencional ongrid (C) é necessária uma subestação (B) que conecta ambos sistemas para o fornecimento da energia alternativa na rede convencional. Já os sistemas offgrid operam fora da rede principal, sendo dotados de sistemas de acumulação de energia (D), tais como baterias, para armazenar a energia produzida e posteriormente distribuir para consumo na rede interna do terminal portuário. Para utilização do sistema híbrido o controle da frequência e voltagem faz-se necessário para garantir o suprimento correto para o navio. Basicamente estes sistemas consistem da instalação de: subestação modular no terminal portuário (E), transformador (F) de energia para navios (50Hz ou 60 Hz e vice versa) para realizar o ajuste da frequência e voltagem da rede com os requisitos dos navios.[025] For the integration between ongrid alternative energy generation and ongrid conventional energy (C) a substation (B) is required that connects both systems for the supply of alternative energy in the conventional grid. On the other hand, offgrid systems operate outside the main grid, being equipped with energy accumulation systems (D), such as batteries, to store the energy produced and later distribute it for consumption in the internal network of the port terminal. To use the hybrid system, frequency and voltage control is necessary to ensure the correct supply to the ship. Basically these systems consist of the installation of: modular substation in the port terminal (E), transformer (F) of energy for ships (50Hz or 60 Hz and vice versa) to carry out the adjustment of the frequency and voltage of the network with the requirements of the ships.

[026] Para a conexão entre o suprimento de energia em terra e o navio adaptado (no momento do desligamento dos MCA’s) são necessários cabeamento no padrão International Electrotechnical Commission (ICE) com soquetes, plugues e conectores adequados para conexão com o plug de energia do navio (G).[026] For the connection between the shore power supply and the adapted vessel (when the MCA's are turned off), International Electrotechnical Commission (ICE) cabling is required with sockets, plugs and connectors suitable for connection to the power plug. of the ship (G).

[027] Conforme mencionado, os navios precisam estar adaptados para receber a energia em terra. Deste modo, o navio precisa dispor de um sistema de conexão com cabos e plugue (G), transformador (H) para reduzir os níveis de tensão, painel de controle e quadro de distribuição de energia (I) para receber a energia em terra e promover a sincronização através de dispositivo de controle.[027] As mentioned, ships need to be adapted to receive power on land. Thus, the ship needs to have a connection system with cables and plug (G), transformer (H) to reduce voltage levels, control panel and power distribution board (I) to receive power on shore and promote synchronization through control device.

Claims

Hybrid onshore energy supply system for ships moored in river and maritime port terminals as it comprises: systems for clean energy generation (A); substation (B) for the integration between the ongrid alternative energy generation and the ongrid conventional energy grid (C); energy storage systems (D); modular substation at the port terminal (E); transformer (F); International Electrotechnical Commission (ICE) standard wiring with sockets, plugs and connectors suitable for connection to the ship's power plug (G); transformer (H); control panel and power distribution board (I). CHARACTERIZED by the fact that it understands the steps of:

(i) Use of conventional energy ongrid to supply energy needs of moored vessels in total or partial replacement of energy from the burning of fossil fuels by auxiliary machines and generators of these vessels;
(ii) Individual or combined alternative energy generation by two or more ongrid or offgrid clean energy sources, installed in the area of the port terminal or outside it;
(iii) Onshore power supply for adapted vessels through shore power or cold ironing system;
(iv) Connection of the shore power or cold ironing system through cabling with plug for connection to the ship's power system;

Process, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact that step (i) is carried out at all port terminals.

Process, according to claim 2, CHARACTERIZED by the fact that step (ii) is carried out in all maritime and river port terminals, using alternative energy.

Process, according to claim 3, CHARACTERIZED by the fact that step (iii) is carried out in all maritime and river port terminals with a shore power supply system, available for connection in the berth or pier area;

Process, according to claim 4, CHARACTERIZED by the fact that step (iv) is carried out to serve all types of vessels and ships adapted to receive energy on land, considering the use of hybrid energy in the port area.

Process, according to claim 1, CHARACTERIZED by the fact of supplying hydride energy to berthed vessels, considering from the process of berthing and unberthing of the ships, with the shutdown of the auxiliary machinery of the vessel.

Process, according to claim 4, CHARACTERIZED by the fact that the hybrid system reduces greenhouse gas emissions and noise generated in the area of the maritime and river port terminal.