Back to the Future: Rebirth of Pure Wind Propelled Ships

Abstract

For å møte målene presentert i Parisavtalen og begrense global oppvarming må den maritime sektoren gjennomføre store endinger for å redusere utslipp. Overgangen fra petroleumsbaserte drivstoff til nye løsninger er en måte som dette kan gjøres. Det finnes idag ikke en enkeltstående løsning på problemet og kombinasjonen av forskjellige løsninger burde derfor vurderes. En slik løsning er bruken av vind assistert skipspropulsjon. Den store mengden uutnyttet kraft i havvind har potensialet til å skape store drivstoffbesparelser på fartøy. Med økte drivstoffkostnader of karbonavgifter øker den monetære gevinsten av å implementere teknologier som reduserer eller eliminerer drivstofforbruk.

Målet til denne oppgaven er å etablere et sett med ytelsesindikatorer og utvikle et simuleringsverktøy som kan brukes til å vurdere konsekvensene av å bruke et hundre prosent vinddrevet skip, der fremdrift utelukkende kommer fra Flettnerrotorer. Oppgaven skiller seg fra annen forskning gjort på dette feltet ved å vende om spørsmålet fra hvor mye drivstoff kan spares, til hvor bra kan Flettnerrotorer alene fungere som fremdriftssystem. Hovedspørsmålet i oppgaven blir da som følger. "Hva blir konsekvensene av å utelukkende bruke Flettnerrotorer som fremdriftssystem?".

Metoden brukt i denne oppgaven for å svare på dette spørsmålet kan deles inn i flere deler. Først etableres et litteraturstudie for å legge grunnlaget for videre arbeid. Ytelesesindikatorer blir deretter fastsatt for å forstå hvordan den nye løsningen kan vurderes på en opplysende måte, og for enkelt å sammenlikne ulike løsninger med hverandre. En simuleringsmodell skrevet i Python, basert på et mindre bulkfartøy blir så skapt for å vurdere hvordan løsningen måler seg på ytelsesparametrene. Denne modellen blir i utgangspunktet skrevet på nasjonale ruter og basert på et eksisterende fartøy sitt AIS data, men blir så utvidet til å inkludere arbitrære ruter både nasjonalt og internasjonalt.

Simuleringsresultatene viser at et vinddrevet skip presterer dårligere enn konvensjonelle fartøy. Simuleringene viser også en teknologi som avhenger stort av rutepanlegging og værforhold. Hastigheten skipet seiler i er betydelig redusert i forhold til gjennomsnittet i sektoren, mens påliteligheten gitt en lav forventet hastighet er forholdsvis god. Investeringsavkastningene anses som relativt gode, grunnet økende drivstoffskostnader og dyre alternative nullutslippsløsninger.

Hovedkonklusjonen fra denne oppgaven er at implementeringen av Flettnerrotorer alene ikke er konkurransedyktig i dagens maritime transportnæring. Dersom hovedaktørene er villige til å påta seg ekstra risiko og kundene er fleksible nok til å tilpasse seg et mer volatilt transportmarked vil teknologien potensielt implementeres på spesifikke ruter, laster og skipstyper. Flettnerrotor løsningen alene vil kunne forbedres ved hjelp av komplementerende teknologier og teknikker for å utfylle svakheter iboende i løsningen. Denne oppgaven kan fungere som et grunnlag for videre forbedring av vindassistert skipspropulsjon. Simuleringsmodellen kan forbedres videre og utvikles for å gi et mer komplett og nøyaktig bilde av virkeligheten.

To sufficiently address the goals presented in the Paris Agreement and limit global warming, the maritime sector has to undergo large-scale changes to reduce emissions. The transition from petroleum-based fuels to new solutions is one way that this can be done. There exists currently no simple solution, so a combination of ideas should be evaluated to solve this challenge. One solution is using wind-assisted ship propulsion. The vast amounts of untapped wind energy available on the open sea could present large opportunities for producing power while sailing. With increasing fuel prices and carbon emission taxes, the monetary gains on saved fuel improve, promoting the use of fuel reduction technologies.

This thesis' goal is to establish a set of key performance indicators and develop a simulation model to evaluate the consequences of utilizing a wind-powered ship propulsion system, providing 100 percent of all power from Flettner rotors. The thesis differs from most of the established WASP research by flipping the question of how much power can be saved. The question now reads, What are the consequences of utilizing Flettner rotors as the only source of propulsion for a vessel?

The method used in this thesis to answer the main question is split into several parts. First, performing a literature review of studies to establish a foundation for the research topic. Key performance indicators are established to understand how the performance may be measured in an insightful way and to easily compare the pure wind-powered system to conventional systems used today. A simulation model based on a small bulk carrier case vessel is created in Python to evaluate performance on different predetermined routes through the combination of historical wind and AIS data. This model is expanded to include new routes, weather conditions, and technological improvements.

Simulation results show that wind-powered ship propulsion systems perform worse than their conventional counterparts. The simulations also show technological dependency on route planning and underlying weather conditions. Vessel speed is significantly reduced compared to industry standard, whilst schedule reliability may show comparatively better results given lower expected sailing speeds. Return on investments show promising results for the implementation of Flettner rotors due to the increasing fuel prices and high cost of alternative zero-emission fuels.

The main conclusion that may be drawn from this thesis is that solely introducing Flettner rotors into the current maritime transportation system is unfeasible. However, if stakeholder willingness and customer flexibility adapt to the volatile nature of Wind powered ship propulsion, then the technology may be utilized on specific routes, cargoes, and ship types. The base case solution may be improved upon by implementing complementary technologies and techniques to enhance performance on segments of routes that are unfit for the sole use of Flettner rotors. This thesis may serve as a foundation upon which to build and improve future wind-powered ship propulsion solutions. The simulation model established may also be improved upon to increase accuracy and remove simplifications.