Minimere drivstofforbruk for servicefartøy brukt i oppdrettsnæringen ved analyse av driftsdata

Abstract

Denne oppgaven har som hensikt å se på hvordan drivstofforbruket hos en servicebåt brukt i oppdrettsnæringen varierer med hvordan den opereres. Båten styres i all hovedsak ved å endre på to parametere, propellens rotasjonshastighet og vinkelen på bladene. Tilsammen genererer dette et fremstøt som igjen gir en vis hastighet. Målet med oppgaven er å se på hvordan forskjellige kombinasjoner av disse parameterene påvirker drivstofforbruket. I tilegg ser man på hvordan man kan identifisere kombinasjoner av rotasjonshastighet og vinkel som er mer fordelaktig enn andre med tanke på drivstofforbruk.

Denne oppgaven er skrevet i samarbeid med Moen Marin AS. Moen Marin er ledende leverandør av servicebåter til oppdrettsnæringen. I den siste tiden har de også utviklet diverse digitale tjenester rettet mot næringen. Dette med bakgrunn i de utfordringene oppdrettsnæringen står ovenfor. Det er spådd at digitale tjenester vil være avgjørende når næringen skal sørge for videre vekst. Økt fokus på fiskehelse, sikkerhet og kostnader er avgjørende for videre økning i produksjonsvolum. Moen Marin ønsker nå en ny digital tjeneste som skal kunne hjelpe de som opererer båtene til å bruke mindre drivstoff. Dette vil bidra til lavere kostnader, men også lavere utslipp og et bedre omdømme for kunden.

For å løse denne problemstillingen ser vi først på den generelle dynamikken for en båt. Dette for å kunne få en bedre forståelse for hva som påvirker drivstofforbruket. Deretter blir en metode for å identifisere optimale kombinasjoner av inputs presentert. Metoden tar utgangspunkt i tidligere arbeid hvor man hadde tilsvarende mål, men for en litt annen type båt.

Det blir også presentert hvordan man har gått frem for å samle nødvendige data. Moen Marin har fra før utviklet et system for innsamling av data fra båtene. Dette systemet blir modifisert for å også samle andre måledata nødvendige for denne oppgaven. Dette systemet blir så installert på en av båtene Moen Marin har levert. I tilegg har man tilgang til data fra to mindre båter hvor en prototype er installert, men da med færre målepunkter.

Dataene presenteres først i forskjellige fordelinger for å få et innblikk i hvordan båtene opereres. Fra fordelingene ble det observert en lav variasjon i valg av inputs. Altså, det kan se ut til at de som operer båtene stort sett holder seg til én bestemt kombinasjon av rotasjonshastighet og vinkel. Når man derimot ser på hastigheten ble det observert en langt større variasjon. Dette kan forklares i variasjon av motstand som virker på båten.

Deretter presenteres analyser som skal se på sammenhenger mellom valg av inputs, drivstofforbruk og resulterende hastighet. Da med ønske om å identifisere de kombinasjonene av inputs som gir lavest drivstofforbruk for forskjellige hastigheter. Resultatene antyder derimot at drivstofforbruket ikke er så avhengig av hastighet som først antatt. I mange tilfeller bruker man like mye drivstoff for lave hastigheter som for høyrer hastigheter. Dette gjør det vanskelig å identifisere kombinasjoner av inputs som er mer fordelaktig enn andre.

Til slutt blir videre arbeid diskutert. Det er generelt sett et behov for mer data. Dersom denne lave variasjonen i valg av inputs viser seg å være gjennomgående også for andre båter må man se på alternative løsninger for å få et mer variert datasett. En tettere oppfølging med de som opererer båtene kan bidra til at dem tester ut flere kombinasjoner. Alternativt kan man se for seg at man lager en modell som kan generere syntetiske data for de områdene man mangler informasjon fra.

This thesis aims to investigate how the fuel consumption for a service vessel used in aquaculture industry varies with different operating patterns. The boat is controlled by adjusting two input parameters, the propeller rotational speed and the angle of the blades. Based on these inputs one will generate a thrust that results in a certain velocity. The goal for this thesis is to see how different combinations of these inputs affects the fuel consumption. In addition, the thesis looks at how one can identify combinations of rotational speed and angle that operates the boat most efficient in terms of fuel consumption.

This thesis is a collaboration with Moen Marin AS. Moen Marin is a leading supplier of service vessels for the aquaculture industry. Recently they have also developed digital services for the industry. These services aim to help the companies deal with the different challenges they are facing. It is to believe that digitalization is going to be a key factor for securing further growth in the industry. Increased focus on fish health, safety and costs is crucial for further growth in production volume. Moen Marin now wants a new digital service that will help customers use less fuel. This will contribute to lowering costs as well as lowering emissions and increasing reputation among fish farmers.

To solve this issue this thesis will first look at the general dynamics for a boat. This will help understanding what is affecting the fuel consumption. Then a method for identifying optimal combinations of inputs is presented. The method is based on earlier work where they had similar goal, but for a different type of boat.

How data is being collected is also presented. Moen Marin has in advance developed a system for gathering data from their boats. This system is then modified to also gather necessary data for this thesis. This system is then installed on a boat Moen Marin has delivered. In addition, some data is available through a prototype installed on two smaller boats.

The data is presented in different distributions to help understanding how the boats are being operated. Based on the distributions one can see a low variance in choice of inputs. Therefor it seems that those operating the boats are mostly using one specific combination of rotational speed and angle. Although when looking at the distribution of speed the variety is not as low. This can be caused by varying resistance affecting the boat.

Thereafter analyses looking at relations between choice of inputs, fuel consumption and resulting velocity is presented. This with the desire of identifying combinations of inputs that gives the lowest fuel consumptions for different velocities. The results suggest that the fuel consumption is not as dependent on the ships velocity as first expected. In many cases one uses as much fuel when moving at low speed as when moving at high speed. This makes it hard to identify combinations that are more effective than others.

Future work is then discussed in the end. In general, there is a need for more data. If the low variation in choice of inputs is seen at other boats as well, one may have to look at different solutions in terms of getting data with more variation. Closer collaboration with those operating the boats can help getting them to operate the boat with different inputs. Another solution could be to make a model that can generate synthetic data where one would lack information.