Evaluation of available waste heat recovery systems for a passenger cruise ship
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-12-13
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
124
Series
Abstract
Before the COVID-19 pandemic the cruise ship industry and the number of ships were expanding strongly. The shipping industry represents approximately 3 % of the anthropological CO2 emissions and approximately 40 % of the cost of shipping was shown to relate in fuel costs. The Internal Maritime Organization (IMO) has set a number of regulations for both emissions and efficiency of ships to improve fuel efficiency and to limit the level of emissions, of which the Energy Efficiency Design Index (EEDI) has been the most notable. This in addition to the rising fuel prices urges the industry to develop novel means to increase the efficiency of a ship’s power platform. The study reviewed the general aspects of cruise ship energy efficiency and the means to increase it. Less than 50 % of the consumed fuel energy is utilized to power production, and the rest is dissipated to the ambient air and sea. These different types of losses are Low and High Temperature (LT & HT respectively) cooling water and exhaust gases. A literature review was made of the novel waste heat recovery (WHR) –related technologies, of which Organic Rankine Cycle (ORC) and absorption technology were primary. These are novel means to utilize waste heat for electricity production by a generator (ORC), or to produce cooling power for the ship’s chilled water system. The literature showed some technical solutions and their potential in increasing efficiency up to 21 %. However, feasibility analysis & practical aspects such as commercial availability, space demand, and complexity issues require further study, especially from the shipyard’s point of view. A case study was presented, where two WHR devices were evaluated: A Climeon heat power device (similar to ORC) and a Gadcooler absorption chiller. Payback time was evaluated as 6 years for Climeon and from one (1) to two (2) years for Gadcooler. The solutions were not optimized, thus the study is only indicative. Practical aspects were discussed and a brief sensitivity analysis was made.Risteilyala sekä laivojen lukumäärä oli vahvassa kasvussa ennen COVID-19-pandemiaa. Meriliikenne tuottaa noin 3 % antropologisista CO2 päästöistä, ja noin 40 % meriliikenteen kustannuksista osoitettiin johtuvan polttoaineista. Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO) on asettanut laivojen päästöjä rajoittamaan ja niiden energiatehokkuutta kehittämään joukon säädöksiä, joista energiatehokkuuden suunnitteluindeksi (EEDI) on merkittävin. EEDI-sääntö sekä nousevat polttoainehinnat kannustavat kehittämään uudenlaisia keinoja parantaa laivojen koneiston energiatehokkuutta. Työssä tarkasteltiin risteilylaivan energiatehokkuuden yleispiirteitä sekä keinoja parantaa sitä. Alle 50 % käytetystä polttoaineen energiasta hyödynnetään voimantuottoon ja loput johdetaan ympäröivään ilmaan ja mereen. Näitä erityyppisiä häviöitä ovat matala- ja korkealämpöinen (LT & HT vastaavasti) jäähdytysvesi sekä pakokaasut. Suoritettiin kirjallisuuskatsaus uudentyyppisistä lämmöntalteenottoa (LTO, engl. WHR) hyödyntävistä tekniikoista, joista orgaanisten kiertoaineiden prosessi (ORC) sekä absorptiotekniikat olivat oleellisimmat. Nämä ovat uudenlaisia keinoja hyödyntää hukkalämpöä sähköntuottoon generaattorilla (ORC) tai tuottaa jäähdytystehoa laivan jäähdytysvesipiiriin. Kirjallisuuskatsaus esitteli muutamia tekniikoita sekä niiden potentiaalia parantaa hyötysuhdetta jopa 21 %. Toisaalta kustannushyötyanalyysi sekä käytännön näkökohdat, kuten kaupallinen saatavuus, tilankäyttö ja kompleksisuuteen liittyvät seikat vaativat lisätutkimusta, erityisesti telakan näkökulmasta. Esiteltiin tapaustutkimus, jossa arvioitiin kahta lämmöntalteenottolaitteistoa: Climeonin lämpövoimakone (kuten ORC) sekä Gadcooler absorptiojäähdytin. Takaisinmaksuajaksi Climeonille arvioitiin kuusi (6) vuotta sekä Gadcoolerille vuodesta (1) kahteen (2) vuotta. Sovelluksia ei optimoitu, joten tutkimus oli vain suuntaa-antava. Tarkasteltiin tapaustutkimuksen käytännön näkökohtia sekä tehtiin lyhyehkö herkkyysanalyysi.Description
Supervisor
Kujala, PenttiThesis advisor
Halinen, AleksiKeywords
waste heat recovery, cruise ship, energy efficiency, net present value, ORC, absorption chiller