Utilising voyage optimisation in ship design

Abstract

The current marine industry has a central objective of improving energy efficiency and decreasing emissions in worldwide maritime operations, under the wider trend of decarbonization due to climate change. One of the tools that has been explored to improve efficiency in ship operations has been voyage optimization. By optimizing the route and speed profile according to operating conditions, shipping efficiency can be improved, decreasing both carbon emissions and fuel costs for shipping stakeholders. The use of this tool has so far been limited to operations of existing ships. This study seeks to explore an avenue through which voyage optimization could be used in the early ship design phase.

The main subject of this thesis is one case study, for an early-stage bulk carrier ship design model. This case study seeks to analyse voyage optimization data output for this ship design model on one route between Northern Brazil and Northern China. The route was chosen for its diverse operating conditions, high traffic, and economic relevance. The goal is to find whether by using voyage optimization to analyse the ship model, the main engine definition could be refined and decreased in size through studying this data. This one route was optimized through a voyage optimization tool with 60 departures spread over one calendar year. The data set created through this method was used to calculate power estimation data for all routes and collated through statistical analysis to compare with the simpler power estimate calculated by more conventional methods.

The study found tentative positive results for the method. The results indicated a potential decrease to main engine power of 5% to 17%, depending on the alternative powering scheme chosen. However, this study was a simplified case examination, and open questions remain to the realistic ability to implement these results on actual vessels.

Meriteollisuus on nykyään merkittävän paineen alla vähentää laivojen hiilidioksidipäästöjä ilmastonmuutoksen torjumiseksi. Yksi uudemmista työkaluista, joita on kehitetty tätä varten, on reittioptimointi. Optimoimalla laivan reittiä ja operointiprofiilia energiatehokkuuden maksimoimiseksi, voidaan saada aikaan sekä vähennyksiä päästöissä, että tuotettua rahallista hyötyä laivan varustajille matalampien polttoainekustannuksien muodossa. Toistaiseksi reittioptimoinnin hyödyntäminen on rajoittunut jo käytössä olevien laivojen operointiin. Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia keinoja hyödyntää reittioptimointia työkaluna jo laivan varhaisessa suunnitteluvaiheessa.

Keskeisin osa tämän diplomityön selvitystä on yksi tapaustutkimus varhaisen suunnitteluvaiheen rahtilaivamallille. Tapaustutkimuksessa tälle mallille tuotetaan yhdestä työkalusta optimoituja reittejä pohjois-Brasilian ja pohjois-Kiinan välisellä reitillä. Tavoitteena on tutkia, voidaanko tätä reittidataa hyödyntämällä parantaa laivan pääkoneen määritystä, ja erityisesti pienentää sitä, verrattuna yksinkertaisempaan tyypilliseen tehoarvioon. Tätä kahden sataman välistä reittiä optimoitiin 60 lähtöpäivämäärällä, jaettuna yhdelle kalenterivuodelle. Näiden reittien tuottamaa tietokantaa käytettiin laskemaan vaaditut tehoarvot kaikissa reittipisteissä, ja koottiin tilastoanalyysissä. Koottuja tehoarvoja verrat-tiin perinteisemmällä menetelmällä laskettuun tehokäyrään.

Tutkimus saavutti alustavia lupaavia tuloksia metodin käyttökelpoisuudesta. Koneen tehonmäärityksessä oli potentiaalista vähennysvaraa 5–17%, riippuen valitusta tulosvastaavuudesta. Tämä tapaustutkimus oli kuitenkin yksinkertaistettu ja rajattu, ja selvittämättä on tämän metodin aito hyödyllisyys todellisessa tapauksessa.