Life Cycle and Risk Assessment of Implementation of Rotor Sails on Chemical Tanker

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker implementering av rotorseil som fremdriftshjelpemiddel på skip ved hjelp av livssyklus- og risikovurderinger. Hovedfokuset er implementering på eksisterende skip, og ikke på skip som er bygget med tanke på bruk av energihøstende teknologi. Grunnen til dette er at man ønsker å redusere utslippene fra den eksisterende flåten som vil fortsette å seile i 10 eller 30 år til.

Implementering av energibesparende og energihøstende teknologier om bord på skip er et høyst relevant tema, men mange løsninger er fortsatt uprøvde. Målet er at vurderingene skal gjøre det lettere å evaluere rotorseil som en mulig løsning for energihøsting på eksisterende skip.

I oppgaven beskriver vi teori og metoder som er relevante for problemstillingen. Dette inkluderer teori og forskning om rotorseil, regelverk og retningslinjer, og beskrivelser av metodene som brukes innen livssyklusanalyse og risikovurdering.

Resultatene fra livssyklusanalysen viser at drift av skipet med rotorseil vil ha lavere utslipp og drivstofforbruk enn vanlig drift. Forventet reduksjon av hovedmaskineriets energiforbruk er 10,5% og total forventet energireduksjon er 9,2%. Den totale forventede besparelsen er lavere på grunn av energibehovet til rotorseilene under drift. Det er også beregnet besparelser for rolig og kraftig sjø, der de forventede besparelsene for hovedmaskineriet er henholdsvis 12,3% og 8,7%. De forventede energibesparelsene for ulike skipshastigheter er også beregnet for å få en bedre forståelse av skipets drift med rotorseil. Konsekvensanalysen av livssyklusvurderingen viser en forventet reduksjon av bidrag til global oppvarming 11,5% og en forbedring av menneskers helse tilsvarende 80 år med full helse.

Den påfølgende kostnadsanalysen viser at hvorvidt det er økonomisk lønnsomt å implementere rotorseil på skipet, avhenger i stor grad av drivstoffprisen. Å forutsi drivstoffprisen var ikke en del av denne oppgaven, men resultatene er presentert for tre mulige tilfeller for drivstoffpris: høy (1200 USD/t), middels (500 USD/t) og lav (200 USD/t). Resultatene viser at tilbakebetalingstiden er mellom 5 år og lengre enn skipets gjenværende levetid (20 år), avhengig av drivstoffprisen. I tillegg viser resultatene at kostnadene knyttet til hjelpemaskineriet vil øke ved å implementere rotorseil. Dette skyldes at rotorseilene bruker hjelpemotorene som strømforsyning og dermed øker den totale belastningen.

Gjennom risikovurderingen ble det oppdaget at den mest avgjørende endringen i det etablerte systemet var eksplosjonsrisikoen. Eksplosjonsrisikovurderingen viste at den generelle eksplosjonsrisikoen økte med 47,2% da rotorseil uten ATEX-kompatibilitet ble implementert. Når rotorseilene er ATEX-kompatible, er økningen på 23,2%, omtrent halvparten av tidligere. Det verste tilfellet førte til en ny generell eksplosjonsrisiko på 0,002583 som fortsatt er akseptabelt.

Det ble konkludert med at implementering av rotorseil på kjemikalietankeren vil være sikkert og miljømessig gunstig, men økonomisk avhengig av drivstoffprisen. Driftskostnadene varierer med drivstoffkostnadene. Med drivstoffpriser lavere enn rundt 500 USD/t, som er dagens pris, vil installasjon og drift av rotorseil ikke være økonomisk gunstig.

This master thesis examines the implementation of rotor sails as an aid in propulsion for ships using life cycle and risk assessment. The primary focus is implementation on existing vessels rather than those that are built with the use of energy-harvesting devices in mind. The reason for this is to decrease the emissions of the already existing fleet that will continue to sail for another 10 to 30 years.

Implementing energy-saving and energy-harvesting technologies onboard ships is a highly relevant topic; however, many technologies remain untested. The goal is that the assessments will make it easier to evaluate rotor sails as a possible energy-harvesting solution for existing ships. Throughout the thesis, we describe the theory and methods relevant to the problem. This includes theory and research about rotor sails, regulations and policies, and descriptions of the methods used within life cycle analysis and risk assessment.

The life cycle assessment results show that ship operation with rotor sails will have lower emissions and fuel consumption than regular operation. Expected power savings for the main machinery are 10.5% and total expected power savings are 9.2%. The total expected power savings are lower because of the power consumed by the rotor sails during operation. Power savings are also calculated for calm sea and heavy sea, where the expected power savings for the main machinery are 12.3% and 8.7%, respectively. The expected power savings for different operational speeds are also calculated to better understand the ship’s operation with rotor sails. The impact assessment of the life cycle assessment results in an 11.5% expected reduction of global warming impact and an improvement for human health equal to 80 years of full health.

The subsequent cost analysis shows that whether implementing rotor sails on the ship is economically profitable is highly dependent on the fuel price. Predicting fuel price was not part of the scope of this thesis, but the results have been presented for three fuel price cases: high (1200 USD/t), medium (500 USD/t), and low (200 USD/t). The results show that the payback period is between 5 years and longer than the remaining lifetime of the ship (20 years), depending on the fuel price. Additionally, the cost results show that costs linked to the auxiliary machinery will increase with rotor sails. This is because the rotor sails use the auxiliary engines as their power supply, thereby increasing their overall load.

Through the risk assessment, it was discovered that the most crucial change to the established system was a change in explosion risk. An explosion risk assessment showed that the general explosion risk increased by 47.2% when rotor sails without ATEX-compliancy were implemented. When the rotor sail was ATEX compliant, the increase was 23.2%, about half of before. The worst case leads to a new general explosion risk of 0.002583, which is still acceptable.

It was concluded that implementing rotor sails on the chemical tanker would be environmentally beneficial and safe but economically dependent on the fuel price. The operational costs vary with the fuel costs. For fuel prices lower than around 500 USD/t, which is today’s price, the installation and operation of rotor sails will not be beneficial from an economic perspective.