A Numerical approach for Ship Energy Analysis

Abstract

This master´s thesis has focused on energy analysis of ships and ship designs by developing a tool and a method for numerical analysis for evaluation of emissions, efficiency and costs. The overall focus has been on making the tool simple and understandable for the concerned user. This has been done by combining simple inputs filled in by the user and advanced inputs by predefined, editable values. The tool has been tailored for a passenger vessel, a live fish carrier and a double-ended car ferry but can also easily be modified to other vessel types such as offshore wind vessels and bulk carriers. The tool is presenting CO2, NOx, CO, PM and SO emissions as well as carbon footprint from combustion and production of fuels. Lifetime costs estimations for the systems analyzed in the tool are also included. Diesel, LNG, Hydrogen and batteries are energy carriers analyzed in the tool. The tool also provides a mean for comparing different powertrains and energy carriers at an early stage of a design process, in order to select the best available concept and/or to possibly exclude some of the powertrains evaluated, before entering a detailed design phase. It is developed a methodology where the four disciplines ship design, route studies, engine setup and costs are included. By adding precise values for selected inputs in the four disciplines the result is expected to be relatively exact. The relative difference between the engines studied are in order with the market trends. The tool and results have been compared with observations made onboard NFT Steigen in Vestfjorden, Norway February 2018. A study trip to Tokyo, Japan has played a role to the master´s by observations and data collected. The amount of data collected from the industry used to present state-of-the-art engine curves has made the tool modern and representative for new technology. Batteries are found to be the 40% cheaper and 57% more efficient than diesel engines for double-ended car ferries operating shorter crossings along the Norwegian coast. By use of the tool it has also been shown why batteries are less favorable for cruise ships and live fish carriers due to charging time, costs and weight. This report does not include studies or discussions of availability of materials used in batteries or limitation of production. Hydrogen still face challenges regarding several factors such as infrastructure, rules and regulations, costs, availability and public awareness. The tool can be used to analyze the effect of cost reductions of fuel cells and hydrogen and improved efficiency. By doing this, it has been shown that hydrogen can compete with traditional fuels such as LNG and diesel in the future. By use of hydrogen produced from renewable energy, the carbon footprint from hydrogen can be kept low. To ensure that the tool stays a state-of-the art aid for analyzing ship emissions and efficiency, the data and content has to be constantly updated. Several add-ins such as rest-heat-recovery, carbon footprint from production of engines and an engine optimization tool will, if added to the tool, improve the tools functionality.

Oppgåva har fokusert på energianalyser for skip og skipsdesign ved å utvikle eit verktøy og ein metode for numerisk analyse av utslepp, effektivitet og kostnad. Fokuset har vore retta mot å sette saman eit verktøy på ein enkel og brukarvennleg måte. Ved å kombinere enkle innstillingar som brukaren sjølv må fylle inn og avanserte innstillingar som er førehandsinnstilte men moglege å endre har verktøyet vorte handterbart for brukarar med meir eller mindre erfaring innanfor fagdisiplinane. Verktøyet har vorte skreddarsydd for eit passasjerfartøy, ein brønnbåt og ei ferje, men kan også lett modifiserast til bulkskip, offshore-vind fartøy og fleire. Verktøyet reknar ut CO2-, NOx-, CO-, PM- og SO-utslepp. Det finn også karbonfotavtrykket frå produksjon, transport, mellomlagring og forbrenning av dei ulike drivstoffa. Levetidskostnadar er også utrekna. Diesel, flytande naturgass, hydrogen og batteri er dei fire energiberarane som er inkluderte i verktøyet. Dette er også eit grunnlag for å samanlikne forskjellige energioppsett og energiberarar tidleg i designprosessen, for å best kunne velje det mest ideelle konseptet og/eller om mogleg å kunne ekskludere nokre av alternativa, før ein går vidare i detalj-prosjektering av skipet. Det er utvikla ein metode der dei fire disiplinane skipsdesign, rutestudier, energisystemoppbygging og kostnad er inkludert. Ved å legge inn eksakte verdiar for innstillingane er det forventa relativt eksakte resultat. Den relative skilnaden mellom dei forskjellige energisystema stemmer også overeins med dei forventa trendane i moderne energiteknologi. Verktøyet og resultata har vorte samanlikna med observasjonar gjort om bord på brønnbåten NFT Steigen i Vestfjorden, Norge i februar 2018. Ein studietur til Tokyo, Japan utført oktober 2017 har også spela ei viktig rolle for utviklinga av verktøyet gjennom observasjonar og datainnsamling. Mengda av data samla inn gjennom industrien for å anvende moderne effektivitetskurver har gjort verktøyet moderne og representativt for nyare motorteknologi. Batteriteknologi har vist seg å vere 40% billegare å 57% meir effektivt enn dieselmotorar for bilferjer i operasjon langs Norskekysten i følgje verktøyet. Ved å bruke verktøyet, har ein også vist at for eksempel brønnbåtar og cruiseskip vil ha utfordringar med å nytte batteri grunna ladetid, kostnad og vekt. Rapporten inkluderer ikkje studiar eller diskusjonar rundt materiale som er viktige for å produsere batteri, og kor vidt denne produksjonen er berekraftig eller ikkje. Hydrogenteknologi har framleis ein veg å gå når det kjem til infrastruktur, reglar og retningslinjer, kostnad, tilgjengelegheit og allmenn aksept. Verktøyet kan verte brukt til å analysere effektane av kostnadsreduksjonar for brenselceller og hydrogen og forbetra effektivitet. Ved å gjere desse analysane har det vorte avdekka resultat som indikerer at hydrogen kan konkurrere med tradisjonelle drivstoff. Ved å anta at hydrogen er produsert ved fornybarteknologi, får ein også eit relativt lågt karbonfotavtrykk. For å sikre at verktøyet opprettheld sin status som moderne og representativt må datasetta regelmessig oppdaterast. Forskjellige tilleggsfunksjonar som restvarmeutnytting, karbonfotavtrykk frå produksjon av energisystema og eit motoroptimaliseringsverktøy vil kunne gjere verktøyet endå meir funksjonelt.