Thermal energy recovery and storage for a hydrogen fuel cell and battery driven cruise ship

Abstract

Den maritime sektoren møter strengere krav i forbindelse med klimagassutslipp basert på fremtidsplaner om nullutslippshavner langs Norges kyst innen 2026 og restriksjoner pålagt av Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO). To tiltak som kan gjøres for å møte disse målene inkluderer skip drevet av fornybar energi i stedet for fossilt brensel og reduksjon av det totale energiforbruket om bord, noe som er signifikant på cruiseskip. Denne oppgaven utvikler en løsning som omfatter begges disse tiltakene med følgende problemstilling: Hvordan bør et hydrogenbrenselcelle- og batterisystem utvikles for et cruiseskip, og hvordan vil gjenvinning og lagring av termisk energi påvirke kapasiteten og ytelsen til systemet?

For å svare på problemstillingen ble et elektrisk system utviklet for et reelt referansecruiseskip, Birka, som opererer i Sverige. Systemet består av en hybrid av en høytemperatur hydrogenbrenselcelle og et batterisystem som ble evaluert på bakgrunn av systemdesign, kapasitet og ytelse. Brenselcellen driftes av flytende hydrogen (LH2) som lagres under kryogen temperatur i tanker om bord.

Modeller av termisk energigjenvinning (TER) fra systemet ble også utviklet i Modelica. De representerer TER fra både hydrogenbrenselcellen og fra fordampningsprosessen til LH2 som leveres til HFC-en. I systemet for varmegjenvinning holdt temperaturen til brenselcellen seg relativt stabil rundt settpunktet på 180 grader C. Dette ledet til varmegjenvinning i form av høytemperatur varmtvann på 90 grader C, som kan brukes til å dekke varmeenergibehovet om bord. Kuldegjenvinningen kan bli levert til en CO2-kjøleenhet for å møte behovet for romkjøling. Alle modellene kan enkelt utvides og kombineres for å oppnå mer fullverdige løsninger.

Implementasjonen av TER resulterte i 30,1 % mindre årlig brenselforbruk, 30,8 % mindre behov for lagringskapasitet for brensel og 32,7 % mindre kapasitet nødvendig for HFC-en og batteriet. Ved inkludering av lagring av termisk energi (TES) i tillegg til TER, ble brenselforbruket redusert med 33,8 % og lagringskapasiteten med 33,9 %. Kapasiteten til HFC-en og batteriet var uendret med TES. Ved inkludering av CO2-kjøleenheten ble romkjølingsbehovet redusert med 80,9 % med TER og helt dekket ved inkludering av TES i tillegg. Konklusjonen som ble dratt av dette er at TER vil være høyst nyttig for et system med hydrogenbrenselcelle, mens TES krever videre lønnsomhetsanalyse. Med TER og TES inkludert ble den resulterende kapasiteten til HFC-en 7,30 MW, og for batteriet er den 1,63 MW, som gir samlet kapasitet på 8,93 MW.

For fremtidige prosjekter kan modellene bli videre optimalisert, utvidet eller kombinert for å oppnå en dypere analyse av effekten til TER og TES. Økonomiske og miljømessige analyser må utføres på det foreslåtte systemet for å kunne bestemme lønnsomheten. Likevel viser resultatene fra denne oppgaven at hydrogenbrenselceller med varmegjenvinning kan være gjennomførbart for maritim sektor i fremtidige prosjekter ved videre utvikling og forskning.

The maritime sector is facing stricter regulations relating to greenhouse gas emissions, evident from the prospect of zero-emission ports along the Norwegian coast by 2026 and requirements made by the International Maritime Organization (IMO). Two measures that can be made to meet these regulations are propulsion based on renewable energy in place of fossil fuels and reducing the total energy consumption on board, which are significant in cruise ships. This thesis develops a solution encompassing both these initiatives with the research question being the following: How should a hybrid hydrogen fuel cell and battery system be developed for a cruise ship, and how would thermal energy recovery and storage affect its capacity and performance?

To answer the research question, a fully electrical energy system was developed for a real-life reference cruise ship named Birka, which operates in Sweden. The system consists of a hybrid high-temperature hydrogen fuel cell (HFC) and battery system which was evaluated in terms of system design, capacity, and performance. The fuel cell is fuelled by liquid hydrogen (LH2) stored at a cryogenic temperature in tanks on board.

Models of thermal energy recovery (TER) from the system were also developed in Modelica. They represent TER from both the hydrogen fuel cell and from the regasification process of the LH2 used to supply the HFC. For the heat energy recovery system, the temperature of the fuel cell stack was kept relatively stable around its set-point of 180 degrees C. This led to heat energy recovery in form of high-temperature domestic hot water of 90 degrees C, which can be used for the thermal energy hotel demands. The cold thermal energy recovery can be supplied to a CO2 refrigeration unit to meet space cooling demand. All models can easily be expanded and combined for more complete system solutions.

The implementation of TER resulted in 30.1% less annual fuel consumption, 30.8% less fuel storage capacity needed, and 32.7% less installed capacity necessary for the HFC and battery. When including thermal energy storage (TES) in addition to the TER, the fuel consumption was reduced by 33.8% and the storage capacity by 33.9%. The HFC and battery capacity was unchanged with TES. When including a CO2 refrigeration heat pump unit, the space cooling demand can be reduced by 80.9% with TER and covered completely when including TES as well. The conclusion drawn from this is that TER would be highly beneficial for a hydrogen fuel cell system, while TES requires further profitability analysis. When including TER and TES, the final installed capacity of the HFC is 7.30 MW, and for the battery it is 1.63 MW, adding up to a total of 8.93 MW.

For future projects, the developed models can be further optimised, expanded, or combined to achieve a deeper analysis of the TER and TES effects. Economic and environmental analyses must also be performed on the proposed system to determine its profitability. However, the results from this thesis show that hydrogen fuel cells with thermal energy recovery can be feasible for maritime applications in future projects with further development and research.