The Optimal Size of an LNG Fuel Tank on a Shuttle Tanker in the North Sea
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2628837Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
- Institutt for marin teknikk [3561]
Sammendrag
Denne oppgaven gir en oversikt over hvilke faktorer størrelsen på LNG drivstofftanken er avhengig av, og hvordan disse kan brukes til å estimere den optimale størrelsen på LNG drivstofftanken for en skytteltanker i Nordsjøen.
Fra 1970-tallet har bøyelastere blitt brukt i Nordsjøen for å transportere olje fra offshore oljefelt til landbaserte raffinerier. Bøyelastere er et godt alternativ til rørledninger på avsidesliggende oljelokasjoner som er på dypt vann og gjerne utsatt for spesielt hardt vær. De siste årene har bruken av bøyelastere spredt seg, og det har vært et større fokus på at industrien må ta ansvar for en grønnere frakt av oljen. Dette har resultert i at den første bøyelasteren som har LNG som hoveddrivstoff har blitt bygget ved SHI verftet i Sør-Korea og blir levert til Teekay i 2019.
E-bøyelasterne er planlagt med hybrid elektrisk fremdrift med den nyeste generasjons 4-takts dobbeltbrenselmaskiner og et avansert gassystem for håndtering av VOC og LNG. Denne nye bøyelasteren vil operere med LNG som primærbrensel, og en blanding av LNG og VOC som sekundærbrensel, i tillegg til batterier. Som følge av byttet fra MGO til LNG kan årlige utslipp reduseres med opptil 42 prosent sammenlignet med konvensjonelle bøyelastere.
Men med nye klasser er det også nye utfordringer, hvorav den ene er LNG-tanken. Målet med denne masteroppgaven er å gi en oversikt over hvilke faktorer størrelsen på LNG drivstofftanken er avhengig av, og hvordan disse kan brukes til å estimere den optimale størrelsen på LNG drivstofftanken for en bøyelaster i Nordsjøen.
Viktige faktorer inkluderer bøyelasterens operasjonelle profil, utnyttelse av VOC og utfordringer rundt LNG som skipsbrensel. Disse er utarbeidet i master oppgaven, og metoder for å ta hensyn til disse faktorene ved utformingen av drivstofftanken diskuteres, som simulering og optimalisering.
I denne oppgaven ble det bygget en diskret-hendelses simuleringsmodell basert på operasjonsprofilen til bøyelasteren Nansen Spirit i 2017. Modellen inkluderer 70 turer i Nordsjøen, fra Heidrun i nord til Bilbao i sør. For å ta hensyn til værforholdene langs rutene, har historiske værdata i Nordsjøen blitt lastet ned og implementert i modellen. Fiktive bunkerpriser ble også inkludert i modellen, som var basert på historiske data og studier, inkludert den som ble gjort av Den Danske Maritime Autoritet (2012).
Resultatene fra simuleringsmodellen ble diskutert, og det ble konkludert med at den optimale størrelsen på LNG-drivstofftanken ville være 2000 kubikkmeter. Med denne tankstørrelsen vil bøyelasteren ha en ganske fleksibel driftsprofil, og bruken av LNG vil utgjøre omtrent 80% av det totale drivstofforbruket.
I konklusjonen presenteres noen anbefalinger for videre arbeid. Disse inkluderer prosessering og implementering av AIS-data, legge til stokastisk modellerte værforhold til simuleringsmodellen, studere kostnader som OPEX og CAPEX knyttet til LNG-tanken og vurdere om disse kan brukes i en optimaliseringskostnadsfunksjon. This thesis gives an overview of which factors the size of the LNG fuel tank is dependent on and how these may be used to estimate the optimal size of the LNG fuel tank for a shuttle tanker in the North Sea.
From the 1970s shuttle tankers have been used in the North Sea to transport oil from offshore oil fields to onshore refineries. The shuttle tankers are a good alternative to pipelines in remote locations, deep water and harsh climates. In recent years, the use of shuttle tankers has spread, and there has been a greater focus on the industry having to take responsibility for a greener shipping of the oil. This has resulted in the first LNG driven shuttle tanker being built at the SHI shipyard in South Korea and is to be delivered to Teekay in 2019.
The E-shuttle tankers are planned with hybrid electric propulsion with the latest generation 4- stroke dual fuel machinery and an advanced gas system for handling VOC and LNG. This new shuttle tanker will operate on both LNG as primary fuel, and a mixture of LNG and VOCs as secondary fuel, in addition to batteries, and as a result the annual emissions may be reduced by up to 42 percent compared to conventional shuttle tankers.
However, with new classes, there are also new challenges, one of which is the LNG fuel tank. The objective of this master thesis is to give an overview of which factors the size of the LNG fuel tank is dependent on and how these may be used to estimate the optimal size of the LNG fuel tank for a shuttle tanker in the North Sea.
Important factors include the shuttle tankers operational profile, utilizing of VOC and challenges around LNG as ship fuel. These are elaborated in the thesis, and methods to take these factors into account when designing the fuel tank are discussed, like simulation and optimization.
In this thesis a discrete-event simulation model was constructed based on the operational profile of the shuttle tanker Nansen Spirit in 2017. The model includes 70 trips in the North Sea, from Heidrun in the North to Bilbao in the South. In order to take account of the weather conditions along the routes, historical weather data in the North Sea has been downloaded and implemented in the model. Fictive bunker prices were also included in the model, which was based on historical data and studies including the one done by Danish Maritime Authority(2012).
The results from the simulation model were discussed and it was concluded that the optimal size of the LNG fuel tank would be 2000 cubic meters. With this tank size the shuttle tanker will have a fairly flexible operational profile, and the use of LNG will account for approximately 80% of the total fuel consumption.
In conclusion, some recommendations for further work are presented. These include processing and implementing AIS-data, adding stochastically modelled weather conditions to the simulation model, research expenses like OPEX and CAPEX connected to the LNG fuel tank and assess if these can be implanted in an optimisation cost-function.