Operational concepts for offshore nuclear power replenishment vessels

Abstract

Maritim transport står for ca. 3% av de globale klimagassutslippene fra menneskelig aktivitet. Tiltak bør iverksettes for å stoppe global oppvarming og miljøforurensning. Det finnes mange mulige løsninger, hvor bruk av kjernekraft er en av dem. Kjernekraft har sitt mest konkurransedyktige bruksområade i fartøysegmenter som opererer på lange ruter, har høyt effektbehov og en høy utnyttelsesgrad av hovedmaskineriet.

I denne oppgaven er en PRV (Power Replenishment Vessel) et fartøy med en kjernekraftreaktor om bord som kan lade andre skip med elektrisk energi. Fartøyet introduserer på denne måten kjernekraftteknologi til fartøysegmenter som ellers er vanskelige å gjøre konkurransedyktige med kjernekraft. Behovet for en reaktor om bord på hvert enkelt skip fjernes, og funksjonen sentraliseres til én PRV.

Oppgaven begynner med en gjennomgang av litteratur om kjernekraft og batteriteknologi som er relevant for skipsdesign. Deretter kommer en systematisering av ulike operasjonelle konsepter for PRVer. Det utvikles en metode for å estimere kostnadene ved å eie og drifte ulike konsepter. Kostnadsmodellen anvendes på konsepter i case-studier. I løpet av casene blir det dekket aspekter som bruk av batterier om bord, mobilitet under lading, stokastisitet i ankomsttider og valgfrihet i ladeoperasjoner.

Innføring av mobilitet under ladeoperasjoner reduserer leasingkostnadene for PRVen med 6%, mens integrasjon av batterier om bord gir 18% besparelser for case-ruten. Ved å optimalisere ankomsttider for maksimal reaktorutnyttelse, reduseres kostnadene med 45%. I en casestudie fører innføring av stokastiske ankomstrater og energibehov til en kostnadsøkning på 63% sammenlignet med optimal ankomstrate.

Funnene i studien viser at mobilitet og energilagring reduserer kostnaden for å eie og drifte PRVer under forutsetningene i de respektive casestudiene. Resultatene er imidlertid case-spesifikke, og det er ikke bevist at ett enkelt operasjonelt konsept konsekvent er bedre enn andre.

Maritime transport is responsible for approximately 3% of global greenhouse gas emissions from human activities. Measures should be implemented to stop global warming and environmental contamination. There is a large set of proposed solutions, with nuclear energy being one of them. However, nuclear power is most competitive for vessels requiring long range, high power and high machinery power utilization.

The PRV (Power Replenishment Vessel) concept in this thesis is a vessel with an onboard nuclear reactor which can charge other vessels with electric energy. The concept introduces nuclear technology to vessel segments that might otherwise would have been unable to utilize it, by removing the need for a reactor in each ship and centralizing the power production function to the PRV.

The thesis starts out by reviewing literature on nuclear power and battery technologies relevant for naval architecture, followed by a systematization of various operational concepts for PRVs. A methodology is developed to evaluate the cost of owning and operating different concepts. The cost model is applied to case studies with variations such as the use of onboard batteries, mobility during charging, stochastic ship arrivals, and optionality of replenishment.

Introducing mobility during charging operations reduces annual leasing costs by 6%, while the integration of onboard batteries achieves 18% savings for the case route. By optimizing ship arrivals to ensure continuous reactor utilization, costs are reduced by 45%. For a case study, incorporating stochasticity into ship arrival rates and energy demands leads to a 63% increase in costs compared to optimal arrival scheduling.

The findings show that mobility, energy storage, and optimized scheduling enhance the economic performance of PRVs under the assumptions of the respective case studies. However, the results are case-specific, and no operational concept is proven to consistently outperform the others.