Energy efficient and climate friendly cooling, freezing and heating onboard fishing vessels

Abstract

Andelen sjøfartøy som drives av flytende naturgass (LNG) i fiskeindustrien øker på grunn av deres reduserte miljøavtrykk sammenlignet med fartøy som utnytter tunge hydrokarbonbrensler. På skip oppbevares LNG i kryogene tanker, og kan fordampes på flere måter, tidligere brukt for brensel. Kjøling og frysing om bord i båtene er energikrevende prosesser, men er også nødvendige for å sørge for at fiskeproduktet holder høy kvalitet. Kald, fordampet LNG kan brukes til å øke fartøyets kjølekapasitet. Flere fiskeriselskaper får øynene opp for det naturlige kjølemediet CO2 på grunn av dets kompakte komponenter, ikke-toksisitet, gode termofysiske egenskaper og neglisjerbare globale oppvarmingspotensial (GWP). Kald termisk energilagring er nyttig som støtte når et fartøys kjølesystem fungerer ved topplast. Ombord er det også nødvendig med oppvarming for translatvarmtvann, ovner og for prosessering av fiskerester (RRM) til fiskeolje. De foreløpige utfordringene for båtenes kjølesystem er utilstrekkelig kapasitet ved topplast og ytelsesproblemer ved delbelasting. Arbeidets mål er å utvikle simulerte modeller i programvarene Dymola/Modelica for å optimalisere energisystemene på fiskefartøy. Det ble utledet to uavhengige design; et for kjøling og et for frysing. Kjølefartøyet ble optimalisert med LNG-underkjøler, varmegjenvinning for oppvarming og innføring av vann/is-basert termisk energilagring i kjølesystemet. Varme fra eksosgasser gjenvinnes for å varme springvann. Frysefartøyets energiytelse ble forbedret ved å tilføre LNG-underkjøler, varmegjenvinning for prosessering av RRM og integrering av CO2- basert termisk energilagring i kjølesystemet. Resultatene fra kjølefartøyet viser at den gjennomsnittlige ytelseskoeffisienten (COP) til kjølesystemet med LNG-underkjøling økes med 15.2% sammenlignet med ordinære kjølesystemer. Den gjennomsnittlige varmegjenvinningen fra desuperheateren og eksosgasser er henholdsvis 38 kWh og 114 kWh. Innføring av vann/is-basert termisk energilagring med et volum på 0.76 m3 reduserte det designede kjølesystemets nødvendige toppkapasitet med 30 kW. Resultatene fra frysefartøyet representerer en gjennomsnittlig øking av COP på 6.4% med LNG-underkjøler sammenlignet med ordinære frysesystemer. Den gjennomsnittlige nødvendige varmeenergien for RRM-prosessering er 261 kWh, noe som passer godt med frysesystemets varmegjenvinning på 298 kWh. En frysesyklus på 150 minutter gjenvinner nok varmeenergi til å prosessere 450 liter fiskeolje. C02-basert termisk energilagring med et volum på 0.3 m3 (75 liters) er passende for å støtte frysesystemet ved topplast. I gjennomsnitt vil 51 kWh med lagret energi øke systemets produksjonskapasitet med 56 minutter per dag.

Liquefied natural gas (LNG) fueled vessels are increasing in the fishing industry due to its reduced environmental footprint as compared to vessels applying heavy hydrocarbon fuels. Cryogenic tanks are used to store LNG on ships, and the LNG vaporization can be done with different technology before used for engine fuel. Chilling and freezing onboard are energy consuming process but are necessary to ensure high-quality products. LNG cold from vaporization can be utilized to boost the refrigeration capacity. The natural refrigerant CO2 is gaining an attraction for fishing vessels due to its compact units, non-toxic behaviour, favourable thermophysical properties and negligible global warming potential (GWP). Cold thermal storage is a smart feature that assists the refrigeration system at peak loads. Heating is also necessary onboard, for hot tap water, space heating, and processing of fish rest raw material (RRM) for fish oil. Currently, the onboard refrigeration system challenges are insufficient capacity at peak loads and performance issues at part load operations. The aim of this work is to develop simulation models on Dymola/Modelica (software) for optimization of an energy system of fishing vessels. The two independent cases were designed for chilling and freezing vessel. The chilling vessel was optimized with LNG sub-cooler, heat recovery (for space heating), and integration of water/ice thermal storage in refrigeration system. Heat was also recovered from flue gases of engine for hot tap water production. The energy performance of freezing vessel was improved by adding LNG sub-cooler, heat recovery for RRM processing, and integration of CO2 thermal storage in refrigeration system. Results for the chilling vessel show that an average coefficient of performance (COP) of the refrigeration system is increased by 15.2% with LNG sub-cooler compared to simple unit. The mean heat recovery from desuperheater and flue gases is 38 kWh and 114 kWh, respectively. A water/ice thermal storage of size 0.76 m3 reduced the peak capacity by 30 kW for the designed chilling system. The results of freezing vessel represent an average increment of COP by 6.4% with LNG sub-cooler compared with normal freezing system. The mean heating demand for RRM processing is 261 kWh, which is in favourable match with the heat recovery of 298 kWh from freezing system. A 450 liters of fish oil can be produced from an interrelated RRM amount of 150 minutes freezing cycle. A CO2 thermal storage of size 0.3 m3 (75 liters) including an internal heat transfer area is an ideal solution to cover the peak loads of designed system. An average 50 kWh stored thermal energy increased the production capacity of equivalent 56 minutes in one day.