Integrated thermal system for hydrogen and ammonia driven cruise ship

Abstract

Cruiseskipindustrien står overfor utslippsreguleringer på grunn av klimaendringer og global oppvarming. Tradisjonelt fossilt drivstoff som brukes til fremdrift og energibehov ombord på cruiseskip resulterer i et høyt karbonavtrykk. Hydrogen og ammoniakk utredes derfor som mulig fremtidige marine drivstoff for miljøvennlige cruiseskip. Sammen med miljøvennlige og energieffektive fremdriftssystemer vil innsatsen mot termiske systemer om bord ha en betydelig innvirkning på cruiseskipets utslipp og energieffektivitet. Kjølesystemene står for en stor grad av utslipp på grunn av kjølemedier med høy GWP. CO2 ble derfor undersøkt som kjølemedie på grunn av utmerkede termofysiske egenskaper og lav GWP. Høytemperatur eksosgass slippes ut i atmosfæren med et stort potensial for termisk energigjenvinning. Spillvarmegjenvinning ble derfor undersøkt med muligheter for å generere elektrisitet i en rankine-syklus og gjenvinne varme for termiske behov ombord. Termiske kjeler og hjelpemotorer slipper ut store mengder forurensning under havneopphold. Termisk energilagring ble derfor undersøkt med lagring av termisk varme fra spillvarme eksosgass og kald termisk energi fra regassifisering av flytende hydrogen, da med muligheten til å forsyne termiske behov med null utslipp under havneopphold. Kaldgjenvinning av flytende hydrogen ble også undersøkt med tanke på potensialet for å redusere kjølesystemets kapasitet.

Målet med denne masteroppgaven var å undersøke termiske systemer av hydrogen- og ammoniakkdrevne cruiseskip for økt energieffektivitet ved reduserte utslipp. Det ble utviklet to designtilfeller som opererer med hydrogen og ammoniakk som drivstoff. Simuleringsmodeller med Dymola/Modelica ble utviklet for å evaluere drivstoffbesparelse og utslippsreduksjon av de foreslåtte termiske systemene.

Resultatene fra CO2-kjølemodellen viste at COP’en kunne økes med 10,13% i en transkritisk ejektorsyklus sammenlignet med en tradisjonell subkritisk R134a-syklus. Det foreslåtte systemet øker ikke bare effektiviteten men opererer også med nær null utslipp. Gjenvinning av spillvarme ved bruk av en transkritisk CO2 rankine-syklus viste lovende resultater, og genererte så høyt som 14,48% av det elektriske behovet i hydrogen modellen og 6,42% i ammoniakk modellen. Dette bidro til drivstoffbesparelse og utslippsreduksjon. Varmegjenvinning av eksosgass var i stand til å dekke 100% av oppvarmingsbehovet i hydrogen modellen og 56,13% i ammoniakk modellen, noe som reduserte utslippene fra termiske kjeler betydelig. Ved å integrere lagring av termisk energi, kunne hydrogen modellen forsyne 100% av varmebehovet under havneopphold, mens ammoniakk modellen var i stand til å forsyne 46,2%, noe som betydelig reduserte forurensninger i havnen. Gjennom kaldgjenvinning av flytende hydrogen kunne 17,22% av kjølebehovet forsynes. Dette resulterte i redusert kapasitet i kjølesystemet og besparelse av drivstoff. Resultatene fant også at 100% av kjølebehovet under havneopphold kunne forsynes med null utslipp ved å lagre kulde fra flytende hydrogen i en termisk energitank på 57,1 m^3. .

The cruise ship industry is facing emission regulations due to climate change and global warming. Traditional fossil fuels consumed for propulsion and energy demands onboard cruise ships result in a high carbon footprint. Hydrogen and ammonia are therefore investigated as possible future marine fuels for environmentally friendly cruise ships. Along with eco-friendly and energy-efficient propulsion systems will effort towards thermal systems onboard have a significant impact on cruise ship emissions and energy efficiency. The refrigeration systems account for a large degree of emissions due to refrigerants of high global warming potential (GWP). CO2 was therefore investigated as a refrigerant due to excellent thermophysical properties and low GWP. High temperature exhaust gas is wasted into the atmosphere with a large potential for thermal energy recovery. Waste heat recovery was therefore investigated with the possibilities of generating electricity in a bottoming power cycle and recovering heat for thermal demands onboard. Thermal boilers and auxiliary engines emit large quantities of pollutants during port stay. Thermal energy storage was therefore investigated storing thermal heat from waste heat exhaust gas and cold thermal energy from regasification of liquid hydrogen (LH2), providing thermal demands with zero emissions. Cold recovery of LH2 was also investigated for the potentials of reducing refrigeration system capacity.

This aim of this master’s thesis was to investigate thermal systems of hydrogen and ammonia driven cruise ships for increased energy efficiency at reduced emissions. Two design cases was developed operating with hydrogen and ammonia as fuel. Simulation models using Dymola/Modelica was developed evaluating fuel saving and emission reduction of the proposed thermal designs.

The results from the CO2 refrigeration models showed that the COP could be increased by 10.13% in a transcritical ejector cycle in comparison to a traditional subcritical R134a cycle. The proposed system not only increase efficiency but also operates with near zero emissions. Waste heat recovery using a CO2 recuperative rankine cycle showed promising results, contributing as high as 14.48% of the total electrical demand in the hydrogen design case and 6.42% in the ammonia design case. This contributed to fuel saving and emission reduction. Heat recovery of exhaust gas was able to cover 100% of the heating demand in the hydrogen design case and 56.13% in the ammonia design case, significantly reducing emissions from thermal boilers. Integrating thermal energy storage (TES), the hydrogen design case could provide 100% of the heating demand during port stay whereas the ammonia design case was capable of providing 46.2%, significantly reducing pollutants amongst the harbour. Through cold recovery of LH2, 17.22% of the cooling demand could be contributed reducing refrigeration system capacity, emissions and saving fuel. The results also found that 100% of the cooling demand could be provided at zero emissions recovering LH2 in a cold thermal energy storage (CTES) tank of 57.1m^3.