Development of Simplified Methods for Ship Powering Performance Calculations

Abstract

Internasjonal skipsfart er den største bidragsyteren til verdenshandelen, og frakter mer enn 80 % av transportert gods. Selv om utslippene per enhet som transporteres er lavere enn for noen annen transport, opplever skipsfarten et økende press for å redusere de globale utslippene. Som en del av KPN-forskningsprosjektet CLIMMS, har NTNU utviklet MariTEAM-modellen, en beregningsmodell for drivstofforbruk og utslipp fra verdens skipsflåte. Denne avhandlingen bidrar med å utvikle og validere en ny ytelsesmetode for skip som er egnet for MariTEAM-modellen.

Den nåværende kunnskapen om prediksjon av effektforbruk for skip er gjennomgått. I samsvar med litteraturen er ulike empiriske metoder implementert i modellen, som består av fem overordnede moduler. Først estimeres manglende tekniske parametere for skipet. Deretter beregnes stillevannsmotstanden, etterfulgt av motstandsøkning i vind og bølger. Så bestemmes propulsjonsvirkningsgraden, før det endelige effektforbruket beregnes. Dermed kan den nye metoden estimere effektforbruket i realistiske sjøtilstander og for et bredt spekter av skip i flåten, kun ved hjelp av få parametere.

En casestudie av syv ulike skip er benyttet for å validere prestasjonen til den nye metoden. Valideringsgrunnlaget inkluderer modelltest rapporter, prøvetursdata og in-service data for seilende skip. Valideringen mot stillevannsberegninger viser at den nye metoden kan predikere effektforbruket med gjennomsnittlig avvik på + - 3 % og med et standardavvik på 6 %, hvis eksakte parametere er kjent. Når parameterestimatene anvendes for manglende parametere avviker effektberegningene opp til 10 %. Validering av in-service data viser at det målte effektforbruket og det estimerte effektforbruket samsvarer godt hvis korrekt lastkondisjon er brukt.

International shipping is the main contributor to world trade by carrying more than 80 % of transported goods. Though emissions per unit of goods transported are lower than any other mode of transport, the fleet is experiencing increasing pressure to reduce global emissions. NTNU has developed a maritime transport emission assessment model (MariTEAM), as part of the research project CLIMMS - Climate mitigation in the maritime sector. MariTEAM is a computational model for the fuel consumption and emissions to air from the world shipping fleet. This thesis contributes by developing and validating a new ship powering performance method suitable for the MariTEAM model.

The current state of knowledge in the field of global fleet-wide power predictions has been reviewed. In line with the literature, various empirical methods are implemented in the model developed in this thesis, which is subdivided into five modules. First, missing input parameters are estimated for the ship. The calm water resistance is calculated, followed by added resistance in wind and waves. Then the propulsive efficiency is determined before the final power is obtained. As a result, the new method can predict the propulsion power in realistic sea-states, for a wide range of ships in the fleet, while requiring few input parameters.

A case study of seven diverse vessels is applied to validate the powering performance of the new model. The validation data include model test reports, sea trial reports and in-service data from voyages. Based on the study, a final new power prediction method is presented. Validation against model test reports and sea trials show that the new model achieves powering predictions with a mean deviation of + - 3 % and standard deviation of 6 % for exact input parameters. When parameter estimates are applied for missing input, deviations are within 10 % for the power predictions. Validation against in-service data demonstrates that the powering predictions and the in-service measurements correspond well if the correct loading condition is applied.