A case study of rotor sails for electric pendulum ferries

Abstract

Ettersom den globale skipsfartsindustrien forsøker å begrense sin miljøpåvirkning, har den norske regjeringen satt et mål om å redusere utslipp av klimagasser med 50% innen 2030 for innenriks sjøfart og fiske. Som svar på dette imperativet utforskes ulike energieffektive teknologier, inkludert Flettner-rotorer. For å evaluere potensialet til Flettner-rotorer som en bærekraftig løsning, gjennomfører denne avhandlingen et case studie på en batterielektrisk ferge som opererer langs ruten Flakk-Rørvik i Trondheimsfjorden, Norge.

Studiet har hatt to hovedmål som fokus: 1) besparelser i propellkraft og 2) reduksjon i batteriets utladningsdybde (DoD), ved å endre rotorstørrelseskonfigurasjoner. Fergen i case studiet var utstyrt med to Flettner-rotorer, og tre ulike rotorstørrelseskonfigurasjoner ble undersøkt basert på teknisk informasjon fra Norsepower (2022). De to hovedmålene ble undersøkt gjennom en analyse av case studie der hovedberegningene ble utført ved bruk av værdata målt fra sensorer plassert på hver side av fergeforbindelsen. Vindmålingene brukt i caset hadde en tidsramme på 1 år. I løpet av denne perioden hadde en av sensorene betydelig nedetid. Tidsrammen for nedetiden ble filtrert ut fra begge sensorer for å sikre ekvivalent datagrunnlag når resultatene ble analysert. Imidlertid, for å undersøke potensialet til Flettner-rotorene også i løpet av nedetidsperioden, ble en ytterligere analyse utført ved bruk av all tilgjengelig data fra sensoren som ikke hadde noen nedetid.

Motstanden til fergen som ble brukt i case studiet ble utledet gjennom en speed-power kurve fra en CFD-analyse utført på skroget levert av fergens operatør, med antagelsen ηD = 0.7. Skyvekraften og effekten fra Flettner-rotorene ble beregnet basert på semi-empiriske polynomer for løft-, drag- og effekt-koeffisienter fra Tillig and Ringsberg (2020).

Analysen av forskjellige rotorstørrelseskonfigurasjoner avdekket en interessant trend for effekten generert fra Flettner rotorene. Basert på vinddata fra sensoren som ikke hadde noen nedetid, ble det observert at økning av rotorstørrelse førte til betydelige gevinster i effekten generert, med en økning på ca. 19% ved overgang fra den minste (4m x 18m) til den mellomstore rotoren (4m x 24m). Imidlertid avtok den inkrementelle gevinsten etter hvert som rotorstørrelsen økte ytterligere, noe som antyder et punkt med avtagende avkastning i forhold til Flettner rotorenes evne til generering av effekt.

Studien viste også reduksjoner i DoD over alle rotorstørrelseskonfigurasjoner, noe som resulterte i bemerkelsesverdige besparelser i batterisyklus. Basert på vinddata fra sensoren som ikke hadde noen nedetid, var den maksimale endringen av DoD for rotoren av størrelse 4m x 24m -1,460%, dvs. ved å utstyre fergen med to 4m x 24m Flettner-rotorer, ble DoD redusert fra 11,17% til 9,71%. Dette sparer ca. 12 415 sykluser av batteriets syklusliv. Dette betyr videre at batteriet kan fullføre ca. 12 415 fullstendige lade-utladningssykluser mer når fergen er utstyrt med de to Flettner-rotorene enn uten.

As the global shipping industry attempts to limit its environmental impact, the norwegian government has set the goal of limiting the emissions of greenhouse gases by 50% by 2030 for domestic shipping and fishing. In response to this imperative, various energy-efficient technologies are being explored, including Flettner rotors. To evaluate the potential of Flettner rotors as a sustainable solution, this thesis conducts a case study analysis on a battery-electric ferry operating along the Flakk-Rørvik route in Trondheimsfjorden, Norway.

The study investigated two main objectives 1) savings in propeller power and 2) reductions in Depth of Discharge (DoD), by changing the rotor size configurations. The ferry was equipped with two Flettner rotors, and three rotor size configurations were examined based on technical information from Norsepower (2022).The objectives were investigated through a case analysis using weather data measured from sensors located at each side of the ferry connection. The case was conducted based on wind data measured during a timeframe of one year. During this period, one of the sensors had significant downtime. The timeframe for the dowtime was filtered out from both sensors to ensure equivalent data basis when analysing the results. However, to investigate the potential of the Flettner rotors also during the timeframe of the downtime, a second analysis was performed using all available data from the sensor that did not have any downtime.

The resistance of the ferry used in the case study was derived through a speed-power curve, with the assumption of ηD = 0.7, from a CFD analysis performed on the hull provided by the ship operator of the ferry. The thrust and power from the Flettner rotors were calculated based on semi-empirical polynomials for the lift-, drag- and power coefficients from Tillig and Ringsberg (2020).

The analysis of different rotor size configurations revealed an interesting trend in power generation efficiency. Based on the wind data that did not have any downtime it was seen that increasing rotor size led to significant power generation gains, with an ≈19\% increase observed when transitioning from the smallest (4mx18m) to the medium-sized rotor (4m×24m). However, the incremental gain diminished as rotor size further increased, suggesting a point of diminishing returns.

The study also demonstrated reductions in DoD across all rotor size configurations, resulting in notable battery cycle savings. Based on the wind data from the sensor that did not have any downtime, the maximum change of DoD for the rotor of size 4m×24m was -1.460%, i.e., by equipping the ferry with two 4m×24m Flettner rotors, the DoD diminished from 11.17% to 9.71%. This saves ≈12 415 cycles of the battery's cycle life. This further means that the battery can complete ≈12 415 full charge-discharge cycles more when equipped with with the Flettner rotors than without.