Sustainable Power System Design for Green Shipping - a case study of a cruise ferry

Abstract

En bærekraftig utvikling for fremtiden har aldri vært mer relevant ettersom det globale miljøavtrykk fortsetter å vokse. En reduksjon av utslippene som truer det globale livet slik vi kjenner det i dag, er viktig for å bevare fremtidens muligheter for de neste generasjonene.

En massiv dekarbonisering av den maritime flåten må finne sted så fort som mulig. Hva vil være de ideelle løsningene, hva er miljøeffekten og til hvilken pris? Disse aspektene er fremdeles usikre og avhengige av utvikling av teknologi, innovasjon av konsepter og infrastruktur.

Denne masteroppgaven har som mål å bygge opp en forståelse for nullutslippsløsninger implementert i skipsdomenet. Fokusområdet er nullutslipp-energisystem med hydrogendrevne brenselceller og batterier. Systemkomponentene vil bli studert og anvendeligheten deres evaluert for implementering i skipsdomenet.

Forskningen starter med en introduksjon av litteraturen som tar for seg den nyeste teknologien for nullutslippsfremdriftssystemer. Etter en kort introduksjon blir fokuområdet innsnevret i neste kapittel, hvor batterier, brenselceller og hydrogen vil være i fokus. Komponentene blir systematisk gjennomgått en etter en, først på et generelt komponentnivå, deretter for implementering i skipsdomenet. Dette blir fulgt av en gjennomgang av spesifikke komponenter og systemer som er tilgjengelige i markedet.

Følgende kapittel tar for seg designkravene i form av regler, forskrifter og standarder som er relevante for implementering av brenselcelle- og batterisystemer i skipsdomenet. De internasjonale reguleringene blir først presentert, før retningslinjer for implementering av brenselceller og batterier i skipsdomenet, inndelt i respektive områdekategorier, blir presentert.

I den siste delen av oppgaven anvendes litteraturen funnet for spesifikke løsninger for energisystemet i et konseptuelt design. Den konseptuelle designmetoden brukes for å få kunnskap om, og for å åpne opp, den spesifikke problemstilling og videre dele det opp i individuelle funksjonelle krav. Funksjonskravene er videre implementert i den spesifikke casestudien for en ROPAX-ferge. Casestudien tar for seg å definere driftsprofilen basert på fergen som betjener den spesifikke ruten i dag. Videre benyttes den estimerte driftsprofilen som underlagt for beregninger og dimensjoner av energisystemet som er basert på brenselcelle- og batteriteknologi.

Resultatet av casestudien er et konseptuelt design der systemene er dimensjonert for å passe til den operasjonelle profilen for den spesifikke ruten. De respektive systemene blir deretter illustrert en etter en før alle de valgte systemene er integrert i et enkelt skipsarrangement.

Sustainable development for the future has never been more relevant as our global environmental footprint continues to grow. Reducing the emissions threatening global life as we know it today is vital to preserve the future opportunities for the next generations to come.

Massive decarbonization of the maritime fleet must occur as soon as possible. What will be the ideal solutions, what are the environmental effect, and at what cost? These aspects are still uncertain and highly dependent on the development of technology, innovation of concepts, and infrastructure.

This master's thesis aims to build an understanding of zero-emission solutions implemented in the ship domain. The main object of interest is the zero-emission energy system focusing on hydrogen-fueled fuel cells and batteries. The system components will be reviewed, and their applicability evaluated for implementation in the ship domain.

The research starts with an introduction to the literature of State-of-the-Art concepts for zero-emission propulsion. After a brief introduction, the literature review is narrowed down in the next chapter, where batteries, fuel cells, and hydrogen are the main topics of interest. The topics are systematically reviewed one by one, first at a general component level, then for implementation in the ship domain. This is followed by a review of specific solution components and systems available in the market.

The following chapter addresses the design requirements regarding rules, regulations, and standards relevant for implementing fuel cell and battery systems in the ship domain. The international governing regulations are first elaborated before guidelines for ship implementation of the fuel cell and batteries are presented in a categorized manner.

As the final part of the thesis, the reviewed literature is applied to ship design solutions in a conceptual design. The conceptual design methodology is applied to gain knowledge about the specific problem and break it down into functional requirements. Functional requirements are further implemented in a specific case study for a ROPAX-ferry. The case study consists of defining the operational profile based on the ferry servicing the specific route today. Further, the estimated operational profile is subject to calculations and sizing of the energy system based on fuel cell and battery technology.

The outcome of the case study is a conceptual design where the reviewed system solutions are dimensioned to fit the operational profile for the specific case. The respective systems are then illustrated one by one before all the selected system components are integrated into a simple ship arrangement.