Feasibility of the implementation of nuclear reactors as main energy source in passenger vessels
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-08-21
Department
Major/Subject
Marine and Arctic Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
107+7
Series
Abstract
The world oceans carry 90% of traded goods globally in day-to-day operations, and the maritime sector is comprised of several activities that can create economic value. These economic possibilities come with challenges regarding greenhouse gas emissions. The maritime sector already stands for 2.89% of global anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions, and the volume of maritime trade is expected to triple by the year 2050 (OECD, 2023). By that same time, the International Maritime Organization (IMO) has set goals to reduce GHG emissions by 50%, and CO2 emissions by 70% (IMO, 2020). This means that significant changes need to be made to reach these goals. This thesis investigates the technology of nuclear power and its implementation as an energy source for ships. Nuclear ships do not emit any NOx, SOx, CO2, or particulate matter during their operational lifecycle. Concerning IMO’s 2050 ambitions, nuclear power is the only solution qualified to replace fossil fuels over the medium to long term. This thesis reviews the history of nuclear reactors for marine applications, investigates public perception on nuclear technology, discusses environmental concerns and the potential application of Small Modular Reactor (SMR) nuclear technology. Additionally, the science behind the energy production of nuclear reactors, existing SMR modules, and the feasibility of their implementation into an existing passenger ship concept design are studied. Safety requirements and risks are explored as well as regulations from classification societies. Finally, a techno-economic assessment is performed to determine the economic feasibility of using nuclear technology. The extent of the period examined proved important as payback periods for the ship concepts studied in the thesis verified 75% longer for ships with SMRs compared to conventional diesel engines. In contrast, accumulated costs over the lifecycles of the ships (30 years) were halved for the nuclear ship when considering only expenses related to energy conversion systems.Dagligen skeppas 90% av världshandeln havsvägen och följdaktligen omfattas den maritima sektorn av diverse möjligheter som kan åstadkomma ekonomiskt värde. Dessa ekonomiska möjligheter skapar samtidigt utmaningar angående växthusgasutsläpp. Den maritima sektorn står redan för 2.89% av världens växthusgasutsläpp skapade av människan och volymen av handelsvaror som skeppas havsvägen uppskattas öka trefaldigt fram till år 2050 (OECD, 2023). Samtidigt har den internationella maritima organisationen (IMO) satt upp mål att sänka växthusgasutsläpp med 50% och koldioxidutsläpp med 70% fram till 2050 (IMO, 2020). Detta innebär att betydelsefulla förändringar bör ske för att uppfylla dessa mål. Detta diplomarbete utforskar kärnkraftsteknologi och dess implementering som en energikälla för fartyg. Kärnkraftsfartyg släpper inte NOx, SOx, CO2 eller partikelutsläpp under deras funktionella livscykler. Vad beträffar IMOs ambitioner innan 2050, är kärnkraft den enda lösningen kvalificerad att ersätta fossila bränslen på medellång till lång sikt. Detta diplomarbete ger en historisk översikt av kärnkraftreaktorer i maritim tillämpning, allmänhetens uppfattning undersöks, miljöfrågor samt den potentiella tillämpningen av småskaliga modulära reaktorer (SMR) diskuteras. Vetenskapen bakom energiproduktion från kärnkraftverk behandlas, de vanligaste småskaliga modulära reaktorerna utforskas samt en genomförbarhetsstudie utförs för implementering av småskaliga modulära reaktorer i ett färdigt existerande passagerarfartygskoncept. Säkerhetskrav och risker utforskas och regler från klassificeringssällskap genomgås. Till slut utförs en tekno-ekonomisk bedömning för att bestämma den ekonomiska genomförbarheten för att använda sig av kärnkraft i passagerarfartyg. De beräknade återbetalningsperioderna för skeppen visade sig vara 75% längre för kärnkraftsfartyg jämfört med fartyg med traditionella dieselmotorer. Däremot visade sig totala kostnaderna från energiomvandlingssystemen efter fartygets livscykel (30 år) halveras för kärnkraftfartyget jämfört med fartyget med konventionella dieselmotorer.Description
Supervisor
Hirdaris, SpyrosThesis advisor
Vahala, LiinaKeywords
marine technology, naval architecture, nuclear propulsion, green ships, shipping sustainability