Autonomous Low-Emission Kelp Farm Vessel

Abstract

Målet med masteroppgaven er å få en større innsikt i en industri basert på dyrking av tang og tare, og foreslå et fartøydesign som passer inn i denne industrien slik den er i dag. Tare har blitt studert med fokus på biologiske og teknologiske aspekter. Innsikt i verdikjeden fra kimplante-produksjon til sluttprodukt gir en forståelse for et fartøys rolle i næringen. En mulighetsstudie av autonom fartøyteknologi utføres. Dette gir forståelse for systemkrav og hvordan denne teknologien kan anvendes i taredyrking.

Industrien er i en tidlig fase hvor mer erfaring og kunnskap rundt tare og kultiveringsteknologi er nødvendig. Produksjonsnivåene er lave og industrien er basert på korte sesonger for operasjoner. Et fartøy som muliggjør storskala produksjon får da utfordrende økonomiske mål. En studie av operasjoner og anvendt teknologi i industrien bidrar til innsikt i interaksjonene mellom et taredyrkingsanlegg og fartøy. Med dette identifiseres nøkkelkrav for et fartøydesign til denne industrien. Høye lønningsnivå i Norge motiverer implementering av autonom teknologi. Autonom teknologi er derimot umoden for anvendelse i maritime miljø. Mange prosjekter er pågående som kan muliggjøre denne teknologien over de neste tiårene. For anvendelse i tareindustri må teknologiske utviklinger skje for operasjonene som skal utføres. Ettersom at næringen er preget av få år med erfaring, er det ønskelig med mannskap tilstede under operasjoner, for å få mer kunnskap om taredyrking. Potensialet for å redusere behovet for manuelt fysisk arbeid er derimot stort.

Utfordringene ved et fartøydesign er å spesialisere det nok til at det vil bidra til et lavkost produkt samtidig som at det har stor nok fleksibilitet til å tilpasse seg en utviklende industri. Grunnet den korte sesongen må fartøyet være multifunksjonelt for å opprettholde en høy utnyttelsesgrad. Utnyttelsesgraden kan også ivaretas ved å følge høstesesongen nordover. Høsting i Sør-Norge skjer i april og mai, mens den i Nord-Norge skjer i juli og august. Hovedinteressentene er taredyrkere og fiskeoppdrettere, ettersom at dette er det sannsynlige skjæringspunktet for et multifunksjonelt fartøy.

Fra hovedinteressentene kartlegges behov til funksjoner og løsninger i samsvar med en autonom arbeidsanalyse. En løsningssti som sikter på å øke autonomitetsgraden til systemet blir valgt, og et fartøy blir designet for å passe denne løsningsstien. Nyttelast-kapasiteten til fartøyet er 33m3, eller mellom 9,9-28 tonn. Lengde over alt er 15m og bredden er 10m. Fartøyet er designet som en nullutslipps-katamaran med vannjet-propulsjon. Katamaran-utforming er valgt for egenskapene god initialstabilitet og stort arbeidsdekk. Katamaraner er ofte brukt i service til oppdrettsnæringen, som også var en motivasjon for valget. Vannjet gir god manøvrerbarhet, og fjerner faren med propeller forviklet i tau, ettersom at propellene er på innsiden av skroget. Fartøyets maksimale dypgang er 1,64m.

Fartøyet er installert med 2000kWh i batteripakker. Det resulterer i et nullutslippsfartøy. Propulsjonskraften er 278kW ved 9 knop og maks last. Fartøyet har en rekkevidde på 60 nautiske mil. Fartøyets vektdeplasement er 113 tonn, volumdeplasementet er 110m3. Fartøyet tilfredsstiller alle stabilitetskrav fra IMO MSC.267(85) i ballast-kondisjon. En høstehastighet mellom 8-10m/min er mulig for fartøyet med gitte operasjonsprofiler. Fartøyet er utstyrt med eksisterende teknologi og enkle prosesser skal sørge for høyere grad av selvstyring for fartøyet enn hva som er vanlig i industrien.

Nødvendig fraktrate er 1,3kr/kg, som er høyere enn den satte grensen på 1,0kr/kg. Fartøydesign vil derfor ikke være nok for å redusere kostnader til et konkurransedyktig nivå for lavkost-produkter. Fartøyet er billigere enn å leie inn et skip, og kan være billigere enn de løsningene som anvendes i dag. Et fleksibelt fartøy tilgjengelig for utleie til andre industrier er nødvendig. Teknologiske utviklinger som forbedrer interaksjonene mellom anlegg og fartøy er nødvendig. Kostreduksjon i alle deler av verdikjeden for tareproduksjon er nødvendig for å muliggjøre et marked basert på stor-volum og lavkost-produkter.

The aim of this thesis is to gain an understanding of the seaweed cultivation industry and propose a vessel design appropriate for the industry in its current state. Seaweed has been studied in biological and technical aspects. A deeper knowledge of the value-chain from hatchery to end-product gives an understanding of a vessel's role in the industry. A study of autonomous vessel technology is performed to understand system requirements, and how it can contribute in a vessel design for the industry.

The industry is in an early phase, where more experience and knowledge regarding seaweed and cultivation technology is necessary. The industry has a short season and is of a low scale. To design a vessel that will facilitate for large scale cultivation will therefore bring challenging economic targets. A study of different operations and applied technology in the industry contributed to insights in the interactions between a kelp farm and a vessel. This identified key requirements for a vessel design for this industry. Due to high labor-costs in Norway, a feasibility study for implementing autonomous technology was performed. The technology is still immature for maritime applications. Many projects are ongoing that is likely to realize this technology over the next decades. For applications in kelp cultivation, technological developments of the operations a vessel performs is necessary to facilitate for autonomous execution. Due to the limited knowledge of cultivation, it is desirable to have crew on site during operations to increase knowledge. The potential for decreasing the operation's dependence on human interactions is large, however.

The challenges for a vessel design are to specialize to an extent that contributes to a low-cost biomass, at the same time as it has enough flexibility to adapt to a changing industry. Due to the short seasons of operation, the vessel must be multi-purpose to maintain a high utility. A high utility can also be safeguarded by following the harvest northward. Harvest is in May and June in southern Norway, but shifts to July and August in northern Norway. The main stakeholders are the kelp farm owners and fish farm owners, as this is the likely intersection for a multi-purpose vessel.

From the identified main stakeholders, a need-function-form mapping was performed in accordance with an autonomous job analysis. A solution path that aims to increase the level of autonomy is chosen. A vessel is designed to suit the chosen solution path. The payload capacity of the vessel is 33m3, or between 9,9-28 tons. The length overall is 15m and the beam is 10m. The vessel is a zero-emission catamaran with water jet propulsion. Catamaran design is chosen for good initial stability, large deck area, and to be similar to what vessels are used by fish farmers. Water jet propulsion is suitable due to good maneuverability and no external propellers that pose a risk of entanglement with ropes. The maximum vessel draft is 1,64m.

The vessel is installed with 2000kWh in battery packages, which results in a zero-emission vessel. The required propulsion is 278kW at 9kn fully loaded, and the vessel has a minimum range of 60nm. The vessel displacement is 113tons or 110m3. The vessel complies with all requirements of IMO MSC.267(85) in ballast condition. A harvesting speed of 8-10m/min is feasible for the vessel with the given operational profiles. The vessel is equipped with existing technology and simple procedures ensure a higher level of autonomy for the vessel than what is common in the industry.

The required freight rate of the design is 1,3NOK/kg, which is higher than the maximum set target of 1,0NOK/kg. A vessel design is therefore not sufficient to reduce the costs to a competitive level for low-cost products. The design may however be cheaper than chartering a vessel, and the currently existing solutions. A flexible vessel chartered to other industries will be required, and technological developments that improve the interactions between farm and vessel are necessary. Cost-reductions in all aspects of seaweed production is necessary to facilitate for a market based on high-volume low-cost products.