The potential of fuel cells as prime energy producers on cruise ships

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2021-08-23
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
153
Series
Abstract
Green technologies and conceptsof cruise industry are at the moment probably more current than ever before, while operators search for ways to cope with the stricter regulation and goals regarding the development of greenhouse gas and other emissions. Fuel cell power systems may replace conventional systems (e.g. internal combustion engines) in light of new stricter requirements. This thesis analyzes the changes and challenges in a cruise ship’s energy balance and general arrangement the fuel cell propulsion would cause. Energy producers and consumers of a 77,000 GT cruise ship aimed for international operation are identified and analyzed to form the energy balance for a state-of-art-cruise ship using the conventional technology at port and at the speed of 20 knots. Different possibilities to further utilize the energy flows onboard are reviewed, too. Consequently, the different fuel cell technologies (LT-PEMFC, HT-PEMFC and SOFC) and fuel options (hydrogen, ammonia, natural or biogas and methanol) with associated fuel processing systems are described and compared with the aim to find combinations of technologies (fuel cells and fuel systems) that can be utilized in a cruise ship. An overview of regulations and guidelines for fuel cell installation is also presented. The impact on the general arrangement and energy balance is studied in three different cases. The main goal is to get a clear picture of what does the leap from combustion engines to fuel cells mean for a cruise ship’s arrangement and whether it is feasible to build a cruise ship with similar service concept to today’s cruise ship using only fuel cell technology given the restrictions of cruise ship characteristics. In conclusion, despite certain challenges, the fuel cell propulsion is feasible and equivalent in terms of energy capacity as compared to a typical LNG-MGO dual fuel arrangement.

Risteilytoimialan ympäristökysymykset ovat tällä hetkellä ehkä ajankohtaisempia kuin koskaan. Alan toimijat etsivät keinoja vastata uusiin tiukentuneisiin sääntöihin ja tavoitteisiin, jotka tähtäävät kasvihuonekaasupäästöjen ja muiden päästöjen vähentämiseen. Polttokennojärjestelmiä on ehdotettu yhdeksi vaihtoehdoksi vastata haasteisiin. Tämä diplomityö tutkii muutoksia, joita polttokennojärjestelmään siirtyminen aiheuttaa laivan energiataseessa ja yleisjärjestelyssä. Työssä tarkastellaan ensin modernin 77 000 GT:n LNG-käyttöisen perinteisellä koneistolla ja sähköisellä propulsiolla varustetun risteilyaluksen energian tuottajia ja kuluttajia. Tarkastelun perusteella muodostetaan laivan sähkö- ja lämpötaseet kahdessa eri tarkastelutilanteessa: laivan ollessa satamassa ja laivan liikkuessa 20 solmun nopeudella. Myös mahdollisuuksia parantaa laivan energiatehokkuutta edelleen tarkastellaan lyhyesti. Seuraavaksi esitellään kolme vaihtoehtoista polttokennoteknologiaa (LT-PEM, HT-PEM ja SOFC) sekä neljä eri polttoainevaihtoehtoa (vety, ammoniakki, maakaasu ja sen johdannaiset, sekä metanoli) ja niihin liittyvät käsittelyjärjestelmät. Tavoitteena on löytää yhdistelmiä, joita voi hyödyntää risteilyaluksessa sen erityisvaatimukset ja -rajoitukset huomioiden. Myös saatavilla olevia laivojen polttokennojärjestelmille suunnattuja sääntöjä ja suosituksia tarkastellaan lyhyesti. Lopuksi yleisjärjestelyn ja energiataseen muutoksia tutkitaan kolmessa case-esimerkissä. Päätavoitteena on saada selkeä kuva siitä, mitä siirtyminen polttokennojärjestelmään tarkoittaa, ja onko polttokennojärjestelmää ainoana energiantuotantotapana hyödyntävän risteilyaluksen suunnittelu mahdollista siten, että laivojen konsepti pysyy nykyisenkaltaisena. Loppupäätelmänä ratkaisu todetaan mahdolliseksi, eivätkä laivan suoritusarvot haasteista huolimatta muutu merkittävästi verrattuna tyypilliseen LNG- MGO -kaksoispolttoainejärjestelmään.
Description
Supervisor
Hirdaris, Spyros
Thesis advisor
Aarnio, Markus
Keywords
fuel cell, cruise ship, LT-PEMFC, HT-PEMFC, SOFC, fuel cell power system
Other note
Citation