Sustainable Energy Systems for Sounder USV

Abstract

Verden står ovenfor en utfordring relatert til klimagass utslipp. Flere energikrevende sektorer er nødt til å redusere sitt utslipp. Per i dag, er 900 millioner tonn klimagassutslipp tilknyttet den maritime sektoren, da flere fartøy fortsatt bruker karbonbaserte fremdriftssystemer. Forskning er satt i gang for å endre dagenes fremdriftssystemer i den maritime sektoren, til mer bærekraftige systemer, enten ved å endre hele systemet, eller ved å utnytte allerede etablert teknologi.

Kongsberg Maritimes Sounder USV bruker en tradisjonell dieselmotor for fremdrift. Kongsberg vurderer nå alternative fremdriftssystemer for å redusere klimagassutslipp.

Bacheloroppgaven har som mål å legge frem fire forskjellige bærekraftige fremdriftssystemer for Sounder USV og videre sammenligne disse systemene basert på: kostnad, utslipp, tilgjengelighet, rekkevidde og teknologiens modenhet. Oppgavens hovedmål er å legge frem mulige fremdriftsløsninger for fartøyet, og å belyse fremtidige løsninger for et mer bærekraftige energisystem.

Det første evaluerte systemet baseres på biodrivstoff i form av bioetanol (ED95), hydrotreated vegetabilsk olje (HVO), komprimert biogass (CBG), væskebasert biogass (LBG) og fettsyremetylestere (FAME). Det andre systemet tok for seg brenselcelle teknologi brukt for hydrogen, hvor grått, blått og grønt hydrogen ble evaluert. Det tredje systemet utnyttet ammoniakk som drivstoff, som for øvrig er ansett som fremtidens drivstoff innenfor marin sektor. Det siste systemet omhandler et hybridsystem basert på en tradisjonell forbrenningsmotor (ICE) med et energilagringssystem (ESS).

En casebasert undersøkelse ble tatt i bruk for å kunne velge det rette systemet. Denne undersøkelsen tok for seg kostnad og utslipp relatert til både nødvendig investering for fremdriftssystemet, i tillegg til drivstoffbruken per dag. En lenger periode med fremtid ble også vurdert, ved å evaluere systemene etter 1000 dager med fremdrift.

Det anbefalte systemet etter undersøkelsen var fremdriftssystemet basert på biodrivstoffet HVO. På tross av høyere kostnader enn et standard diesel system så gjør utslippsreduksjonen opp for dette ved at det er spart utslipp etter bare 160 dager med fremdrift, sammenlignet med Sounderens nåværende system. De andre biodrivstoffene hadde enten dårligere rekkevidde eller høy pris. Hydrogen og ammoniakk kan være gunstige alternativer i fremtiden, men mangel på både infrastruktur og teknologiens modenhet gjør at disse ikke blir evaluert som mulige løsninger per dags dato. Hybridsystemet hadde både høye kostnader og utslipp, spesielt tilknyttet systemets komponenter. Nyutviklet teknologi kan gjøre noen av antagelsene og premissene for denne rapporten utdatert. Som kan resultere i at den beste løsningen i dag, kanskje ikke er den beste løsningen om 10 år.

The world is facing a challenge regarding greenhouse gas emissions. An overhaul of energy-demanding sectors is needed to reduce emissions. Today, the marine sector emits 900 million tonnes of GHG each year, as most vessels still use carbon-based propulsion systems. Research is being conducted to change propulsion systems in the marine sector to more sustainable systems, either by a complete overhaul of the systems or by utilizing existing technology.

Currently, Kongsberg Maritimes Sounder USV uses a traditional diesel engine for propulsion. However, to reduce GHG emissions, Kongsberg considers alternatives to the current propulsion system.

The bachelor thesis aims to suggest a new propulsion system for the Sounder USV. Four different systems will be evaluated based on four different levels: endurance, feasibility, and technology readiness level, emissions, and cost. The primary goal is to suggest possible solutions for the vessel and highlight future solutions for a more sustainable energy system.

The first evaluated system utilized biofuels such as hydrotreated vegetable oil (HVO), fatty acid methyl esters (FAME), compressed biogas (CBG), and liquified biogas (LBG). The second system examined a fuel cell technology in relation to hydrogen use, where grey, blue and green hydrogen were evaluated. The third system utilized ammonia, considered by many to be the future of maritime propulsion. The last evaluated system was a hybrid system, combining a traditional internal combustion engine (ICE) with an energy storage system (ESS).

A case study was devised to determine an appropriate system. This accounted for endurance, costs, and emissions related to both investments required for the propulsion systems, as well as the daily fuel for one day of propulsion. A longer time period was also considered, evaluating the systems after 1000 days of propulsion.

After conducting the case study, the recommended propulsion system was the HVO biofuel system. Even though this system is more expensive than the conventional diesel system, its greenhouse gas savings (GHG) requires only 160 days of propulsion before the system will contribute to a decrease in emissions compared to the current system. The other biofuel solutions either lacked endurance or had a high price. Hydrogen and ammonia could be viable systems in the future but lacks infrastructure and TRL to be considered a present alternative. The hybrid systems had both high costs and emissions, especially related to the propulsion parts needed. Newfound technology might make some of the assumptions and premises in the report outdated with new research forthcoming. As a result, today's recommended propulsion system may not be the best solution in 10 years.