Energy efficient hot water production, storage and recovery of heat on a RoPax-vessel

Abstract

Den maritime næringen er forpliktet til å slippe ut mindre klimagasser for å møte et- terspørselen og kravene til bærekraftige løsninger. En av løsningene innebærer å forbedre de allerede eksisterende fremdrifts- og hjelpesystemene ombord. Gitt disse utfordringene, har ønsket om energieffektivisering introdusert ny teknologi. Noen av disse er basert på gjenvinning og lagring av spillvarme.

Ulmatec Pyros Waste Energy Management System reduserer drivstofforbruket og utslipp ved aktiv utvinning av eksisterende energitap. Systemet utnytter mest mulig av spillvar- men og sikrer distribusjon til alle aktuelle forbrukere ombord. Typiske forbrukere er tank- og romoppvarming, klimaanlegg og andre varmtvannsforbrukere. Varmegjenvin- ningen utføres av eksosgassgjenvinnere, som er plassert på toppen av hovedmotorene. Gjenvinnerene henter varmen fra eksosgassen og bruker den til å varme opp vann.

Når det er overskudd av gjenvunnet varme, kan varmen lagres i termiske energilag- ringssystemer ved å bruke innkapslede faseendrende materialer som lagringsmedium. Beregninger på gjenvunnet varme, energibehov og overskuddsenergi ble gjennomført i Excel, ved å bruke driftsdata gitt av Ulmatec Pyro. Resultatene gjorde det mulig å simulere hvordan integrering av termisk energilagring på virker Ulmatec Pyros system. Ideelt sett er ideen å lagre energi på samme måte som vi lagrer elektrisk energi i batterier.

I faseendrende materialer kan latent varmelagring utnyttes gjennom endringer i stoffets tilstand fra flytende til fast, og fast til flytende. Under disse overgangene kan varme tilføres eller trekkes ut. De fem materialene som ble undersøkt som lagringsmedier var Acetamid, Xylitol, ATP 78, ATS 84 og ATS 89. Disse ble valgt som passende alternativer basert på fusjonsvarme og smeltetemperatur, fordi systemet har en spesifikk driftstemperatur. På et fartøy, hvor det ofte er vektbegrensninger og begrenset plass, er størrelsen og vekten på hver enkelt komponent avgjørende. Derfor sammenlignes vekten og volumet av hvert ma- teriale. I systemet som ble undersøkt, viste Xylitol seg å være det best egnede materialet.

Ved å beregne CO2 utslipp og drivstoffrelaterte kostnader, ble hver lagringskapasitet med tilsvarende vekt og volum diskutert. Resultatene indikerte at lagringskapasitetene som ble undersøkt viste seg å være både miljømessig og økonomisk lønnsomt, ved integrering på et RoPax-fartøy. Imidlertid gjør praktiske begrensninger det upraktisk å installere store lagringssystemer i maskinrommet på et fartøy. Til tross for at den ikke er i stand til å lagre all overskuddsenergien, er den minste lagringskapasiteten som er undersøkt i stand til å redusere drivstofforbruket drastisk.

The maritime industry is obligated to emit less greenhouse gases in order to meet the requirements and demands of more sustainable solutions. One of the solutions involves improving the existing propulsion and auxiliary systems on ships. Given these challenges, the strive for energy efficiency have introduced new technologies. Some of these are based on recovering and storing waste energy.

Ulmatec Pyros Waste Energy Management System reduces fuel consumption and emissions by active recovery of existing energy losses. The system utilizes as much of the waste heat as possible and ensures distribution to all relevant consumers on board. Typical consumers are tank and room heating, air conditioning and other hot water consumers. The heat recovery is performed by exhaust gas economizers, which are placed on top of the main engines. The economizers extracts the heat from the exhaust gas and uses it to heat up water.

When there’s excess recovered heat, the heat can be stored in thermal energy storage systems, using encapsulated phase changing materials as a storage medium. Calculations on recovered heat, energy demand and surplus energy was completed in Excel, using operational data given by Ulmatec Pyro. The results made it possible to simulate how integrating thermal energy storage affects Ulmatec Pyros System. Ideally, the idea is to store energy similarly to how we store electrical energy in batteries.

In phase changing materials, latent heat storage can be utilized through changes in the state of matter from liquid to solid, and solid to liquid. During these transitions, heat can be added or extracted. The five compounds investigated as storage mediums were Acet- amide, Xylitol, ATP 78, ATS 84 and ATS 89. These were chosen as suitable options based on heat of fusion and melting temperature, because the system has a specific operating temperature. On a vessel, where there’s often weight restrictions and limited space, the size and weight of each components are crucial. Therefore, the weight and the volume of each compound is compared. In the system that was examined, Xylitol proved to be the most suitable compound.

By calculating the CO2 emissions and fuel related costs, each storage capacity and corres- ponding weight and volume was discussed. The results indicates that the storage capacit- ies that were investigated proved to be both environmentally and economically profitable when integrated on a RoPax-vessel. However, practical limitations makes it inconvenient to install large storage systems in the engine room of a vessel. Despite being incapable of storing all of the surplus energy, the smallest storage capacity examined is still able to reduce the usage of the fuel fired heater drastically.