Leveraging big data for enhancing energy efficiency on commercial cargo ship cooling systems
Loading...
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.
Author
Date
2024-08-19
Department
Major/Subject
Marine Technology
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
77
Series
Abstract
This thesis investigates the global saving potential achievable by optimizing central cooling systems in commercial cargo ships. The results are extended to a global scale through the application of big data. Given the significant fuel consumption and environmental impact of maritime transportation, optimizing ship cooling systems presents a valuable opportunity to reduce operating costs and greenhouse gas emissions. Additionally, these improvements can help ship owners meet regulatory targets. MATLAB simulations are employed to calculate the optimal state for the cooling system under each operating condition while ensuring system effectiveness. Optimization efforts include installing Variable Frequency Drives (VFDs) on seawater and low-temperature freshwater pumps and adjusting cooling water temperatures to reduce the Specific Fuel Oil Consumption (SFOC) of the main engine. The study combines the calculated operating points with a comprehensive dataset from the global fleet of Handymax bulk carriers around 2023. The data is based on AIS and seawater temperature data. The database from MarineBenchmark is used to explore the common characteristics of the fleet, like the most commonly used main engines, trading areas and utilization rates. Additionally, the financial feasibility of retrofitting ships with optimized cooling systems is assessed, considering current fuel prices, as well as regulatory pressures to decrease emissions, such as emission trading fees. Results indicate that significant energy savings can be achieved by optimizing central cooling systems, particularly through the adoption of VFDs, which adjust pump speeds based on real-time cooling demand and temperatures. However, installing VFDs alone is insufficient for an optimal solution, and the entire system must be optimized as a whole. The thesis discusses the strengths and limitations of the study and provides recommendations for further research.Tässä diplomityössä tutkitaan kaupallisen rahtialuksen keskusjäähdytysjärjestelmän optimoinnilla saavutettavaa polttoaineen säästöä maailmanlaajuisessa mittakaavassa. Meriliikenne kuluttaa vuosittain merkittävän määrän polttoainetta ja aiheuttavaa huomattavia päästöjä, joten optimointi tarjoaa sekä mahdollisuuden säästää laivan käyttökustannuksissa, että vähentää merenkulun ympäristövaikutuksia. Lisäksi kulutuksen optimointi voi auttaa viranomaisten tiukentuvien päästövaatimusten täyttämisessä. Tutkimuksessa jäähdytysjärjestelmä mallinnetaan MATLABin avulla. Järjestelmän optimoinnissa käytetään apuna pumppujen ohjaukseen käytettäviä taajuusmuuntajia meriveden ja makean veden kierroissa. Lisäksi pääkoneen polttoaineenkulutusta optimoidaan muuttamalla lämpötiloja makean veden kierrossa. Lasketut toimintapisteet painotetaan Handymax-kuivabulkkialusten AIS-järjestelmään perustuvan operointidatan avulla vastaamaan maailmanlaajuista laivastoa. Tutkimuksessa käytetty aikaväli kattaa kaikki vuonna 2023 käytössä olleet Handymax-kuivabulkkialukset. Käytetty data on peräisin MarineBenchmarkilta. Operointidatan lisäksi heidän tietokantaansa hyödynnetään valittujen laivojen ominaisuuksien tutkimiseen, kuten yleisimpien pääkoneiden, kulkureittien ja käyttöasteen selvittämiseen. Lopuksi työssä arvioidaan, kuinka taloudellisesti kannattavaa jäähdytysjärjestelmän optimointiin tarvittavan laitteiston jälkiasentaminen olisi. Arviossa otetaan huomioon nykyiset polttoainekustannukset ja viranomaisten määrittämät maksut, kuten EU:n sisäiset päästökauppamaksut. Diplomityön tulokset osoittavat, että jäähdytysjärjestelmän optimoinnilla on mahdollista säästää vuosittain merkittävä määrä polttoainetta. Tutkimuksessa huomataan, että pelkkä taajuusmuuntajien asentaminen ei ikinä johda optimaaliseen lopputulokseen. Sen sijaan on huomattavasti tehokkaampaa pyrkiä optimoimaan koko jäähdytysjärjestelmä yhtenä kokonaisuutena. Lopuksi diplomityössä käsitellään tehdyn tutkimuksen omia vahvuuksia ja rajoittuneisuutta, sekä annetaan suosituksia tulevaisuuden tutkimussuunnista.Description
Supervisor
Valdez Banda, OsirisThesis advisor
Ala-Peijari, JuhoKeywords
central cooling system, variable frequency drives, big data, maritime energy saving, operating cost reduction
