Temporary zero emission operation on cruise ships

Abstract

Cruiseskip-industrien møter for tiden økende krav når det kommer til utslipp, spesielt på lokal bane. Et eksempel på dette er at de norske myndighetene har bestemt at alle verdensarvfjorder, inkludert Geirangerfjorden, skal være nullutslippssoner innen 2026. Det er derfor interessant å studere muligheten for tradisjonelle cruise skip (les diesel-drevet) å tidvis operere med nullutslipp. Denne oppgaven vil i hovedsak fokusere på å oppnå dette når skipet ligger til havn, men løsningene som vil bli diskutert er like gyldige for å oppnå dette også for korte tider på havet. Det er da naturligvis nødvendig å kombinere løsningene med et elektrisk batteri.

Et stort hinder som står i veien for at tradisjonelle cruiseskip kan operere med nul- lutslipp er å møte varmebehovet til skipet, ettersom dette under vanlig drift dekkes av restvarme fra dieselmotorene. Denne oppgaven vil ta for seg løsninger hvor man bruker termiske energilagre, i tillegg til varmepumper/elektriske varmtvannsberedere, til å møte skipets varmebehov. For å studere disse løsningene ble det laget en dynamisk modell av det termiske energisystemet på tradisjonelle cruiseskip i Dymola/Modelica.

Simuleringene har vist svært gode resultater for å møte varmtvannsbehovene til skipet, spesielt når det termiske energilageret var basert på faseendringsmaterialer. Det var da mulig å møte alle varmtvannsbehovene i havn med et volum på kun 265 m3, gitt at varmeveklingsdesignet var basert på plater av typen ”pillow-plate”. En vanntank trengte et volum på 850 m3 for å møte disse behovene. Simuleringene ga derimot ikke spesielt bra resultater for vanndamp. Skipet som ble studert i simuleringene hadde for lite restvarme, i form av vanndamp, under cruising til å dekke behovene i havn med et energilager. Det ble derfor kjørt en simulering for å studere potensialet bak å bruke elektrisk varmtvannsbereder, som viste at varmtvannsberederen måtte levere en gjennomsnittlig effekt på omtrent 3.4 MW. Men, utfordringene knyttet til det å simulere vanndampen har skapt stor usikkerhet rundt disse resultatene.

Cruise ships are currently facing increasing demands with respect to their emissions, particularly on the local scale. One example of this is that the Norwegian government has decided that the world heritage fjords, such as Geirangerfjorden, will be zero emission zones by 2026. It is therefore of interest to study the possibility for traditional cruise ships, read diesel-powered, to temporarily operate with zero emissions. This thesis will mainly focus on achieving this in port, but the solutions presented will be just as valid for short cruising, if one were to add a battery.

A big problem standing in the way of temporary zero emission operation for cruise ships is how to cover the heat demands of the ship since this is, under normal operation, usually covered by utilizing the waste heat from the diesel generators. This thesis will study various solutions utilizing thermal energy storage, as well as heat pumps/electric boilers, to cover these heat demands. A dynamical model of the thermal energy system on traditional cruise ships was created, using Dymola/Modelica, to properly study these solutions.

The simulations show very positive results for meeting the demands for high temper- ature water, particularly when using thermal energy storage based on phase change materials. For the pillow-plate based design a volume of merely 265 m3 could cover all heat demands in port! Doing this with a water tank required a volume of 850 m3. The simulations run does not, however, show great results for the steam. For the case ship used in the simulations there was too little waste heat available from steam to solve the heat demand using a thermal energy storage. Instead, an electric boiler was used, ant it was found that it needed to deliver an average power of 3.4 MW. However, the challenges of simulating the steam has given significant uncertainty to these results.