Conceptual Design of Ammonia-fueled Vessels for Deep-sea Shipping

Abstract

Nødvendigheten for å redusere klimagassutslipp og behovet for nye reguleringer for karbon nøytral skipsfart øker, og temaet er stadig i fokus. Veien til dekarbonisering inkluderer alternative drivstoffteknologier som bruker karbonnøytralt drivstoff. Et sett med potensielle alternative drivstoff er identifisert, og blant dem er ammoniakk rangert blant favorittene mye på grunn av sin gunstige volumetriske energitetthet sammenlignet med andre karbonnøytrale drivstoff. Langdistanseskipsfart er ansvarlig for størstedelen av utslippene fra skipsfart. For å redusere utslipp fra dette skipsegmentet er det viktig å finne gjennomførbare og kostnadseffektive løsninger.

En av hovedaktivitetene i denne oppgaven var å utvikle en konseptuell designplattform der en bruker kan anvende sin business case og antagelser for fremtiden og få en bedre forståelse av hvordan bruk av ammoniakk som drivstoff vil påvirke deres business case. Dette vil være en viktig ressurs for å kommunisere potensialet for karbonfrie drivstoff som ammoniakk og et verktøy for en akselerert konseptvurdering.

Denne masteroppgaven gjennomgår først relevant litteratur om egenskapene til ammoniakk og gjeldende og potensielle regler for bruk av ammoniakk som drivstoff. Egenskaper ved drivstoffet og regelverk vil påvirke fartøyets design, og det er derfor viktig å inkludere denne kunnskapen i den konseptuelle designplattformen. Spesielt toksisiteten til ammoniakk gir en sikkerhetsutfordring. Deretter presenteres metodene som brukes i oppgaven. Inkludert her er designmetoder, programvareverktøy, datakilder og analysemetoder. Så presenteres utviklingen av den konseptuelle designplattformen og det resulterende dashbordet for konseptuell design. Til slutt blir den konseptuelle designplattformen brukt for en casestudie for å sammenligne forskjellige design for en bestemt business case før resultatene blir diskutert og konkludert.

Den teknologiske modenheten til ammoniakkdrevne fremdriftskonsepter avhenger av og utvikler seg ved hjelp av noen viktige drivkrefter. Nåværende lovende løsninger inkluderer forbrenningsmotorer og brenselceller. Forbrenningsmotorer har en lang historie med utvikling, noe som tyder på at kostnadene og teknologiutviklingen stagnerer. Brenselceller viser derimot en brattere utviklingskurve og har allerede høy virkningsgrad, men med høyere investeringskostnader. Forbrenningsmotorer ser for tiden ut til å være det mest kostnadseffektive alternativet som bruker ammoniakk som drivstoff for langdistanseskipsfart basert på kumulative kostnader i henhold til resultatene i denne oppgaven.

Den konseptuelle designfasen er valgt å fokusere på ettersom beslutningene som tas i løpet av denne designfasen er av stor betydning, mens de påløpte utgiftene er relativt lave sammenlignet med andre designfaser. En konseptuell designplattform for ammoniakk-tankskip er utviklet for å tilpasse tilgjengelig informasjon til den enkelte businesscase. Plattformen lar brukeren legge inn dimensjonene for et basefartøy og en enkel driftsprofil som genererer fire forskjellige design. Settet med utviklede design består av et basefartøy som er tungolje (HFO)-drevet med forbrenningsmotor, og deretter tre ammoniakkdrevne fartøy. Den første av de ammoniakkdrevene har en forbrenningsmotor (ICE), den andre har en protonutvekslingsmembranbrenselcelle (PEMFC) og den tredje har en solid oksidbrenselcelle (SOFC). Brukeren kan også legge inn forskjellige markedsverdier basert på deres antakelser om fremtiden. Resultatet er et dashbord der brukeren kan sammenligne og visualisere forskjellige design med ammoniakk som drivstoff basert på deres business case og fremtidige antakelser om drivstoffpriser og karbonprising. Et utvalg av nødvendige sikkerhetstiltak er også mulig å visualisere.

Den konseptuelle designplattformen ble testet med suksess i en casestudie der de forskjellige designene ble sammenlignet for en operasjonsprofil med tre kombinasjoner av markedsverdier for ammoniakkpris, HFO-pris og CO2-skattesats for å bestemme hvilke scenarier de forskjellige ammoniakkdrevne designene kunne konkurrere med konvensjonell skipsfart. Resultatene viser at ammoniakkdrevne design generelt har høyere reiseutgifter enn HFO-design som skyldes drivstoffkostnadene. Resultatene er derfor følsomme for antagelsen om drivstoffpris for både ammoniakk og HFO, en lav ammoniakkpris og høy HFO-pris bidrar til å lukke kostnadsgapet mellom HFO-designet og ammoniakkdesignet. Markedsverdiene for HFO og ammoniakk har historisk vært varierende, og forutsi deres fremtidige priser henger dermed sammen med usikkerhet.

Denne oppgaven viser et potensial for ammoniakkdrevet teknologi i havfart for visse markedsscenarier der drivstoffpris og/eller karbonprising er viktige faktorer. Å innføre karbonprising kan være et viktig insentiv for å akselerere dekarbonisering av skipsfarten og opptaket av karbonnøytralt drivstoff som ammoniakk. For scenarier som introduserte karbonprising, var de ammoniakkdrevne designene nærmere kostnadene for det HFO-drevne fartøyet for et noe ambisiøst scenario og bedre enn HFO-designet for et ambisiøst scenario. Resultatene viser også viktigheten av volumallokering for ammoniakkdrevne skip, da tapte inntekter på grunn av tapte volum kan være et betydelig beløp.

Casestudieresultatene viser også at det er store forskjeller mellom de totale volumene for energiomformeren og drivstofftankene mellom designalternativene. SOFC-brenselcellen og drivstofftankvolumene er nesten tre ganger så store som HFO-drevet design, mye på grunn av det økte volumet til energiomformersystemet. Forbrenningsmotoren med ammoniakk, og PEMFC har omtrent dobbelt så mye volum som HFO-drevet design, som hovedsakelig skyldes drivstofftankvolumet. Dette fører til tapt inntekt som blir beregnet som en kostnad.

Den konseptuelle designplattformen er et nyttig verktøy for å kommunisere utfordringene og potensialet for ammoniakk som drivstoff. Det ville være ønskelig å utvide plattformen til å omfatte andre skipssegmenter samt andre drivstoffteknologier og effektivitetsøkende teknologier. Å inkludere utslipp som NOx, SOx og PM vil ytterligere forbedre plattformen ettersom brukerne vil ha mer informasjon for å hjelpe beslutningsprosessen. Den resulterende konseptuelle designplattformen vil da gi et mer helhetlig inntrykk av designalternativene for en business case eller studie og mer grunnlag for robuste beslutninger.

The pressure and regulatory urgency to reduce greenhouse gas emissions from shipping are increasing and the subject is taking center stage. The path to decarbonization includes alternative fuel technologies using carbon-neutral fuels. A set of potential alternative fuels is identified and among them, ammonia ranks as one of the favorites much due to its favorable volumetric energy density compared to other carbon-neutral fuels. Deep-sea shipping is responsible for the majority of the emissions from shipping. To reduce emissions from this segment, it is essential to find feasible and cost-effective solutions.

One of the main activities in this thesis was to develop a conceptual design platform where a user can apply their business case and assumptions for the future and get a better understanding of how using ammonia as fuel will affect their business case. This will provide an important resource for communicating the potential for zero-carbon fuels like ammonia and a tool for an accelerated concept assessment.

This thesis firstly reviews relevant literature regarding the characteristics of ammonia and the current and potential regulations for using ammonia as fuel. Characteristics of the fuel and regulations will affect vessel design and it is, therefore, important to include this knowledge in the conceptual design platform. With emphasis on the toxicity of ammonia as this represents a potential safety challenge. Secondly, the methods used in the thesis are presented. Included are design methods, software tools, data sources and analysis methods. Thirdly, the development of the conceptual design platform is presented and the resulting conceptual design dashboard. Lastly, the conceptual design platform is applied to a case study to compare different designs for a specific business case before discussing and concluding.

The technological maturity of ammonia-fueled propulsion concepts depends on and evolves with some important prime movers. Current promising solutions include combustion engines and fuel cells. Combustion engines have a long history of development, suggesting that the cost and technology development are stagnating. Fuel cells on the other hand show a steeper development curve and already rank high in efficiency of the power system, though with higher investment cost. Internal combustion engines currently appear to be the most cost-effective alternative using ammonia as a fuel for deep-sea shipping based on the cumulative costs as shown in this thesis.

The conceptual design phase is chosen for this thesis as decisions made during this design phase are most significant, while the incurred expenditures are relatively low compared to other design stages. A conceptual design platform for ammonia tankers is developed to adapt the available information to the individual business case. The platform allows the user to input the dimensions for a baseline vessel and a simple operational profile that generates four different designs. The set of developed designs include of a baseline vessel which is heavy fuel oil (HFO) fueled with an internal combustion engine, and then three ammonia fueled vessels. The first of the ammonia-fueled vessels has an internal combustion engine (ICE), the second has a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) and the third has a solid oxide fuel cell (SOFC) as power generation. The user is also able to input market values for fuel prices and carbon tax rates based on their assumptions regarding the future. The result is a dashboard where the user can compare and visualize different designs using ammonia as fuel based on their business case and future assumption. A selection of required safety measures is also possible to visualize.

The conceptual design platform was successfully tested in a case study where the different designs were compared for one operational profile with three combinations of market values for ammonia price, HFO price and CO2 tax rate to determine for which scenarios the different ammonia fueled designs can be able to compete with conventional fueled shipping. The results show that the ammonia-fueled designs generally have higher voyage expenditures than the HFO design which is due to the fuel costs. The results are therefore sensitive to the fuel price assumption of both ammonia and HFO, a low ammonia price and high HFO price contributes to closing the cost gap between the HFO design and the ammonia designs. The market values of HFO and ammonia have historically been varying and predicting their future prices is hence connected with uncertainty.

The results show potential for ammonia-fueled technologies in deep-sea shipping for certain market scenarios where fuel price and/or carbon pricing are important factors. Introducing carbon pricing can be an important incentive to accelerate the decarbonization of shipping and the uptake of carbon-neutral fuels like ammonia. For scenarios introducing carbon pricing, the ammonia-fueled designs were closer to the costs of the HFO fueled vessel for a somewhat ambitious scenario and outperforming the HFO design for an ambitious scenario. The results also show the importance of volume allocation for ammonia-fueled vessels as lost income due to lost volume can be a significant amount.

The case study results also show that there are large differences between the total volumes for the energy converter and fuel tanks between the design alternatives. The SOFC energy converter and fuel tank volumes are almost three times as large as the HFO fueled design due to the increased energy converter system volume. The ammonia-fueled ICE and the PEMFC has about twice the volume as the HFO fueled design which is primarily due to the fuel tank volume. This leads to lost income which is calculated as an expense.

The conceptual design platform is a useful tool to communicate the challenges and potential for ammonia as fuel. It would be desirable to expand the platform to include other ship segments as well as other fuel technologies and efficiency-increasing technologies. Including emissions like NOx, SOx and PM will further improve the platform as the users will have more information to assist their decision-making process. The resulting conceptual design platform would then give a more holistic impression of the design alternatives for a user business case or study and a more profound ground for solid decisions.