Integrated power and propulsion design for zero-emission vessels with hydrogen fuel; a Case study of an aquaculture vessel

Abstract

De siste årene har den økende interessen for nullutslippsløsninger ført til en endring i tilnærmingen til design av utslippsfrie skip. Denne oppgaven tar for seg designet av et marint kraftsystem for å sikre utmerket bærekraftighet og nullutslipp. Studien fokuserer på et 15 meter arbeidsskip som opererer i Norsk farvann for oppdrettsnæringen.

En innledende kostnadsanalyse av tre forskjellige design avslører at til tross for den betydelige investeringskostnaden for hydrogen systemet, kan det fremdeles være lønnsomt i en hybridkonfigurasjon med tilstrekkelig subsidiering. Det hydrogendrevne hybridsystemet er valgt på grunn av utslippsfri drift og utvidet rekkevidde.

Oppgaven inkluderer et foreløpig design, som inkorporerer en foreslått belastningsprofil basert på referansedata fra andre skip. Nøye dimensjonerte komponenter er integrert i det elektriske systemet, med et forenklet enlinjeskjema. Videre er en omfattende evaluering av den fysiske integreringen av systemet gjennomført, inkludert plasseringen av nøkkelkomponenter som hydrogentank, brenselcelle og batteripakke.

Deretter er designet vurdert basert på drivstofforbruk, utslipp og bærekraftighet. Resultatene understreker betydningen av brenselcellens grunnlast for å oppnå et bærekraftig hydrogendrevet hybridsystem. Det endelige designet er en forbedret versjon av den foreløpige designet, der bærekraft er tatt i betraktning. En estimert driftskostnad for det anbefalte designet avslutter avhandlingen.

Det foreslåtte designet inkluderer en lithium-ion-batteripakke, støttet av en PEMFC. Resultatene viser at batteripakkens levetid avhenger av brenselcellens baselast, og systemet er designet med dette i tankene. Avkastningen på investeringen sammenlignet med et konvensjonell design er estimert til 7 år, med subsidiering fra Enova.

In recent years, the growing interest in zero-emission solutions has prompted a shift in approaching the design of emission-free vessels. This thesis addresses the design of a marine power system to ensure excellent sustainability and zero emissions. The study focuses on a 15 m work vessel operating in Norway’s coastal waters for the aquaculture industry. An initial cost analysis of three different designs reveals that despite the substantial investment cost of the hydrogen system, it can still prove profitable in a hybrid configuration with adequate subsidizing. The hydrogen hybrid system is selected for its emission-free operation and extended range. The thesis includes a preliminary design, incorporating a suggested load profile based on benchmark vessel data. Properly sized components are integrated into the electric system, with a simplified SLD provided. Furthermore, a comprehensive evaluation of the physical integration of the system is conducted, including the placement of key components such as the hydrogen tank, fuel cell, and battery pack. Subsequently, the design is assessed based on fuel consumption, emissions, and sustainability. Results underscore the significance of the fuel cell’s baseload in achieving a sustainable hydrogen hybrid system. The finalized design is a refined version of the preliminary design, taking sustainability into account. An estimation of the operational costs for the recommended design concludes the thesis. The suggested design includes a Lithium-ion battery pack, supported by a PEMFC. Results show that the lifetime of the battery pack is dependent on the base load of the fuel cell, the system is designed with this in mind. The return on investment compared to a conventional design is estimated at 7 years, with subsidizing from Enova.