Optimal retrofit path for a ship for carbon emission reduction

Abstract

Med implementeringen av CII, prøver den International Maritime Organization, IMO, å gjøre sitt for å bidra til å redusere klimagassutslipp. Siden dette vil påvirke den globale skipsflåten, er det viktig for den maritime næringen å få en forståelse av hva det er og konsekvensene av dens implementeringen.

Den første delen av oppgaven tar sikte på å få en bedre forståelse av hvordan CII fungerer, hvordan den vil bli brukt og innledende mottakelse med tilhørende kritikk. Deretter presenteres de utslippsreduserende tiltakene som vil bli vurdert i denne oppgaven for å forbedre et skips CII.

Den andre delen er utviklingen av en kode for å estimere de initielle utslippene og CII fra et skip. Denne koden vil også bli brukt til å estimere effekten de vurderte utslippsreduserende tiltakene vil har på skipet. Deretter følger en optimeringsmodell for å identifisere den optimale retrofit-veien for skipet. Den vil identifisere hvilke tiltak som skal implementeres og på hvilket tidspunkt, for å sikre at skipet forblir i samsvar med det målrettede CII-nivået til en potensiell reder. Modellen gjør det samtidig som den minimerer investeringskostnaden for tiltakene og årlig driftskostnad for skipet. Optimeringsmodellen vil deretter bli testet med en casestudie på et referanseskip med to forskjellige initielle årlige utslippsnivåer. For testingen er det to forskjellige reduksjonsstrategier. Den første strategien er å redusere utslippene til ønsket nivå umiddelbart. Den andre er å redusere utslippene til ønsket nivå innen en 5-årsperiode. Det innledende utslippsnivået til skipet og resultatene fra optimaliseringsmodellen vil bli diskutert og evaluert basert på 4 T metoden.

Resultatene viser at initielle utslipp fra referanseskipet er tolerabelt for det grunnleggende CII kravet og at det kan ettermonteres dersom et høyere CII krav er målet. For det høyere utslippsnivået kan skipet ettermonteres for begge strategier og alle CII krav. De foretrukne tiltakene er en kombinasjon av WHRS, landstrøm og Ayro-seil, og at de skal implementeres så tidlig som mulig. For høyere CII-krav, er det også tatt i bruk en biodrivstoff blanding med 10% biodrivstoff og 90% marin diesel. Ettersom referanseskipet har et dieseldrevet fremdriftssystem, ser biodrivstoffblandinger ut til å være det beste alternativet for et alternativt drivstoff ved ettermontering, siden det er et drop-in drivstoff, betyr det ingen kostnad for tapt lasterom, som er en faktor i de andre drivstoffenes utelukkelse.

Siden det ikke er noen økonomiske insentiver for bedre nivåer av CII-overholdelse, er det kun en reders mål for CII-krav som er den motiverende faktoren. Markedsattraksjon av lavutslippsskip kan være en motivasjonsfaktor, men gevinsten ved dette er vanskelig å kvantifisere.

Nyere skip er generelt mer drivstoffeffektive enn eldre skip. Det er da kun nødvendig med mindre endringer for å forbedre et skips CII. Fra resultatene er det beste alternativet for å minimere fortjenesten og overholde CII-krav, å implementere drivstoffbesparende tiltak og så tidlig som mulig. For eldre skip, hvor utslippene må reduseres mer, må det iverksettes flere tiltak. Når drivstoffbesparende tiltak ikke er tilstrekkelige, er overgang til et alternativt drivstoff det beste alternativene. Det vil være en økning i drivstoffkostnadene, men sparte kostnader fra tapt lasteplass veier opp for denne forskjellen. For et dieseldrevet skip betyr dette å skifte til biodrivstoff.

With the implementation of the carbon intensity indicator, CII, the International Maritime Organisation, IMO, tries to do their part in contributing to reducing green house gas emissions. As this will impact the global fleet, it is important for the maritime industry to get an understanding of what it is and the consequences of its implementation.

The first part of the paper aims at getting a better understanding of how the CII works, how it will be used and initial reception with associated criticisms. This is followed by presenting the emissions reducing measures that will be considered in this thesis for improving a ships CII.

The second part is the development of a calculation code to estimate the initial emissions and CII of a ship. This calculation program will also be used to estimate the effect of the considered emission reducing measures have on the ship. Following that is an optimization model to identify the optimal retrofit path for the ship. It will identify which measures to implement and at what time, to ensure that the ship stays compliant with the targeted CII compliance level of a potential ship owner. The model does so while minimizing the investment cost of the measures and the operational cost of the ship. The optimization model will then be tested with a case study on a reference ship with two different initial annual emission levels. For the testing, there are two different compliance strategies. The first strategy is to become compliant to the desired level immediately. The second is to become compliant within a 5 year period. The initial emission level of the ship and the results from the optimization model will be discussed and evaluated based on the 4 T's method.

The results show that the base reference ship is tolerable for basic compliance with CII and treatable if higher levels of compliance is wanted. For the higher emissions level, the ship is treatable for both strategies and all compliance levels. The preferred measures are a combination of waste heat recovery system, shore power and Ayro sails, and for them to be implemented at the earliest possible time period. For better levels of CII compliance, a bio fuel blend with 10% bio fuel and 90% marine diesel is also installed. As the reference ship has a diesel powered propulsion system, bio fuel blends seems to be the best option for an alternative fuel when retrofitting since it is a drop-in fuel meaning no cost of lost cargo space, which is a factor in the other fuels exclusion.

As there are no financial incentives for better levels of CII compliance, only a ship owners target for CII compliance is the motivating factor. Marketability of low emission ships could be a motivating factor, but the gain from this is difficult to quantify.

Newer ships are generally more fuel efficient than older ships. It is then only necessary with minor changes to increase the ships CII. From the results gathered, the best option to minimize profits and stay CII compliant is to implement fuel saving measures and as early as possible. For older ships, where emissions must be reduced more, more measures must be implemented. When fuel saving measures are not sufficient, drop in alternative fuels are the best options. There will be an increase in fuel costs, but saved costs from lost cargo space makes up for this difference.