The Future of Fuel Cell Technology in Maritime Applications

Abstract

Fra den industrielle revolusjonen til oljealderen har menneskeheten skapt enorme fremskritt innen produksjon, teknologi og livskvalitet. Dessverre har fremgangen kommet på bekostning av miljøet; og behovet er større enn noen gang for miljøvennlig teknologi som kan skape en bedre balanse mellom det moderne samfunnet og naturen.

Brenselcelleteknologi er en gunstig og fremtidsrettet løsning for miljøvennlig elektrisk kraftproduksjon, både generelt og i maritime anvendelser.

I denne masteroppgaven presenteres en bred teoretisk gjennomgang av brenselcelleteknologi, med hensyn til egenskaper, muligheter og begrensninger til ulike brenselcelletyper og potensielle energibærere - både separat og fra et bredere, rådgivende systemperspektiv.

Hydrogen er en populær energibærer for brenselceller, men en analyse av hydrogenbærere som flytende organiske hydrogenbærere (LOHCs), metallhydrider, ammoniakk (NH3) og metanol (CH3OH) viser at mange av ulempene med hydrogen, spesielt lav volumetrisk energitetthet og utfordrende lagringskrav, kan begrenses eller unngås ved å velge mer passende energibærere.

En casestudie av et vindturbinkonstruerende offshoreskip av typen Service Operation Vessel (SOV) er inkludert. Casestudien er basert på datamaskinsimuleringer av en realistisk forbruksprofil for en SOV konfigurert med et hybrid, karbonnøytralt og brenselcelledrevet mikrogrid, med et elektrisk batteri som fungerer som avlastninghjelp for brenselcellene. Avlastningen består hovedsaklig i å håndtere lastendringer og topplaster. Simuleringene indikerer ytelsen og gjennomførbarheten av å innlemme brenselceller i mikrogrid på land og i maritime bruksområder. I tillegg vises også effektiviteten av å bruke batterier for å kompensere for den begrensede dynamiske responsevnen som brenselceller - og spesielt høy-temperatur brenselceller - har. Casestudien er i tillegg supplert med en sensitivitetsanalyse, med hensyn til nominell brenselcelleeffekt, for å studere hvilken virkning som dimensjonering av brenselcellesystemet har på effektiviteten til elektrisk kraftproduksjon, energibærerforbruk, hybrid lastdeling mellom brenselceller og batteri, samt skalering av batterisystemet.

From the industrial age through the age of oil, humankind has created immense advancements in production, technology and quality of life. Unfortunately, the progress has come at the expense of the environment; and the need is greater than ever before for environmentally friendly technology that can lead to an improved balance between the modern society and nature.

Fuel cell technology is a viable and future-oriented solution to providing environmentally friendly electrical power production, both in general and for maritime applications.

In this master's thesis, an expansive theoretical review of fuel cell technology, in terms of the characteristics, possibilities and limitations of various fuel cell types and of potential energy carriers, is presented - both separately and from a broader recommendatory system performance perspective.

Hydrogen is a popular energy carrier for fuel cells, but an analysis of hydrogen energy carriers like Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHCs), metal hydrides, ammonia (NH3) and methanol (CH3OH) shows that many of the disadvantages of hydrogen, particularly low volumetric energy density and challenging storage requirements, can be alleviated or avoided by choosing more suitable energy carriers.

A case study of an offshore wind turbine constructing Service Operation Vessel (SOV) is included. The case study is based on computer simulations of a realistic SOV load consumption profile in a hybrid, carbon-neutral, solid oxide fuel cell powered microgrid, with an electric battery functioning as an Auxiliary Electric Storage Component (AESC) for peak shaving and transient load buffering. The simulations indicate the performance and feasibility of deploying fuel cells in microgrids in onshore and maritime applications, and also show the effectiveness of using batteries to compensate for the limited dynamic response capability of fuel cells. The case study is further supplemented with a sensitivity analysis, with respect to fuel cell rated power, to study the effect that fuel cell system sizing has on the electrical power production efficiency, energy carrier consumption, hybrid load sharing and battery system scaling.