Increasing energy efficiency for boil-off gas management for liquefied natural gas and ammonia fueled ships

Abstract

In the maritime industry, significant efforts are being made to lower the climate impact and greenhouse gas emissions. This is mainly done by moving towards low- or zero-carbon technologies and by increasing energy efficiency. Gaseous fuels are being used more, which brings the challenge of boil-off gas (BOG) handling. The BOG can be handled in various ways, including BOG compressors, subcooling and re-liquefaction. The study is written in collaboration with Wärtsilä and focusing on their fuel gas supply systems for LNG and Ammonia. The aim of the study is to determine the most suitable BOG management system for Wärtsilä’s products, and to try to increase the energy efficiency of them. Additionally, other types of energy recovery methods are discussed.The results for the LNG system show that the BOG compressor is the most energy efficient way to manage the BOG. By recovering energy from the subcooling system, and use it for warming up the gas, similar efficiencies can be achieved. Great cost savings can be achieved by utilizing the subcooling system, compared to the BOG compressors. For the ammonia system, all cases compared were subcooling systems. The integration of the subcooling system to the rest of the fuel gas system was not successful, because the operating conditions for the systems were not compatible. Energy recovery is however not as important for the ammonia system, as for the LNG system, since the energy losses in the refrigeration process are less for ammonia. Further development and discussions with equipment suppliers are still needed before implementation of the systems.

Inom sjöfartsindustrin görs betydande arbete för att minska klimatpåverkan och utsläppen av växthusgaser. Detta görs främst genom en ökad användning av teknologier med låga koldioxidavtryck och genom att öka energieffektiviteten av systemen som används ombord. På grund av detta, har användningen av bränslen i gasform blivit alltmer vanligt. Dessa bränslen medför en del utmaningar då det kommer till lagringen av dem. Ett av dessa problem är avkokningsgas, boil-off gas (BOG) på engelska. För att hantera avkokningsgasen och se till att trycket i tanken inte blir för högt, finns flertal metoder. Några exempel är BOG-kompressorer, underkylning och förvätskning. Detta arbete är skrivet tillsammans med Wärtsilä och fokuserar på deras bränsletillförselsystem för LNG och ammoniak. Målet med arbetet är att bestämma det mest lämpliga sättet att hantera avkokningsgasen för Wärtiläs produkter och även öka energieffektiviteten för dem. Olika typer av energiåtervinningssystem som skulle kunna kombineras med Wärtläs system undersöks också, men enbart baserat på litteratur. Resultaten för LNG-systemet visar att BOG-kompressorer är det mest energieffektiva sättet att hantera avkokningsgasen. Genom att återvinna energi från underkylningssystemet och använda den för att värma upp resterande del av naturgasen kan liknande effektivitet uppnås. Kostnaderna för underkylningssystemet är även betydligt lägre än de för BOG-kompressorsystemet. För ammoniaksystemet används enbart underkylning som metod för att hantera avkokningsgasen. Även för detta system gjordes ett försök att återvinna energin från kylsystemet till att värma resterande del av gasen. Teoretisk kunde detta vara möjligt, men i praktiken kommer designen på kylsystemet bli för invecklad och komplex. Orsaken för detta är att förhållandena för kylsystemet och resten av systemet inte överensstämmer. Energiåtervinningen är inte heller lika avgörande för ammoniaksystemet som för LNG-systemet, eftersom kylsystemet för ammoniak har mindre energiförluster. Innan någon av de nya teknologierna som tas upp i denna studie implementeras i Wärtsiläs bränsletillförselsystem, behövs ytterligare utveckling, diskussioner med underleverantörer och tester.