Waste heat to electricity recovery techniques on large ships
Vahvanen, Juha (2020)
Diplomityö
2020
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899785
http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2020120899785
Tiivistelmä
In this Master’s thesis an evaluation is made on waste heat recovery technologies used in large ships to reduce fuel consumption, atmospheric emissions and operational costs. Evaluation is based on literature review and calculations on waste heat recovery potential of different technologies.
Currently, modern ship engines can reach efficiencies of nearly 50 %. A part of the lost energy can be used as heat energy in onboard uses, but most of it is ultimately wasted into the atmosphere and seawater. With modern waste heat recovery technologies the aim is to extract waste heat from engine exhaust, excess steam, engine jacket cooling water, charge air cooling and lubrication oil cooler circuit water and to convert part of the waste heat to usable form, such as electricity or cooling energy.
Several waste heat recovery technologies are reviewed in this work. A further calculation is made for steam and organic Rankine cycle turbines. These technologies have a potential to provide significant energy savings. In the basic scenario the investment into waste heat recovery is profitable for both shipowners and the environment. However, the feasibility of the investment depends on several factors, such as compatibility with the ship’s current technologies, operation conditions of the vessel, legislation, and the price of fuel. Tässä diplomityössä tutkitaan laivojen hukkalämmön talteenottojärjestelmiä polttoaineen kulutuksen, päästöjen ja käyttökustannusten alentamiseksi.
Nykyisten laivamoottoreiden hyötysuhde on jo lähes 50 %. Osa lopusta energiasta voidaan käyttää aluksen lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi, mutta suuri osa lämpöenergiasta päätyy hukkalämpönä ilmakehään tai mereen. Moderneilla hukkalämmön talteenottomenetelmillä hukkalämpöä voidaan ottaa talteen moottorin pakokaasuista, pakokaasukattilan ylijäämähöyrystä, moottorin jäähdytysvedestä, ahtoilman jäähdytysvedestä ja öljynlauhduttimen jäähdytysvedestä ja muuntaa osa siitä hyödynnettävään muotoon esimerkiksi sähköksi tai jäähdytysenergiaksi.
Tässä työssä käsitellään useita hukkalämmön talteenottomenetelmiä. Laskennallisesti perehdytään tarkemmin höyryturbiiniin ja ORC-turbiiniin. Tutkituilla teknologioilla päästään merkittävään energiansäästöön. Investointi hukkalämmön talteenottoon on kannattavaa sekä taloudellisesta että ympäristön näkökulmasta. Kunkin hukkalämmön talteenottoteknologian lopullinen kannattavuus riippuu kuitenkin useasta eri tekijästä, kuten laitteiston sopivuudesta laivan olemassa olevien laitteistojen kanssa, laivan käyttöprofiilista ja -olosuhteista, lainsäädännöstä ja polttoaineen hintakehityksestä.
Currently, modern ship engines can reach efficiencies of nearly 50 %. A part of the lost energy can be used as heat energy in onboard uses, but most of it is ultimately wasted into the atmosphere and seawater. With modern waste heat recovery technologies the aim is to extract waste heat from engine exhaust, excess steam, engine jacket cooling water, charge air cooling and lubrication oil cooler circuit water and to convert part of the waste heat to usable form, such as electricity or cooling energy.
Several waste heat recovery technologies are reviewed in this work. A further calculation is made for steam and organic Rankine cycle turbines. These technologies have a potential to provide significant energy savings. In the basic scenario the investment into waste heat recovery is profitable for both shipowners and the environment. However, the feasibility of the investment depends on several factors, such as compatibility with the ship’s current technologies, operation conditions of the vessel, legislation, and the price of fuel.
Nykyisten laivamoottoreiden hyötysuhde on jo lähes 50 %. Osa lopusta energiasta voidaan käyttää aluksen lämpöenergiantarpeen täyttämiseksi, mutta suuri osa lämpöenergiasta päätyy hukkalämpönä ilmakehään tai mereen. Moderneilla hukkalämmön talteenottomenetelmillä hukkalämpöä voidaan ottaa talteen moottorin pakokaasuista, pakokaasukattilan ylijäämähöyrystä, moottorin jäähdytysvedestä, ahtoilman jäähdytysvedestä ja öljynlauhduttimen jäähdytysvedestä ja muuntaa osa siitä hyödynnettävään muotoon esimerkiksi sähköksi tai jäähdytysenergiaksi.
Tässä työssä käsitellään useita hukkalämmön talteenottomenetelmiä. Laskennallisesti perehdytään tarkemmin höyryturbiiniin ja ORC-turbiiniin. Tutkituilla teknologioilla päästään merkittävään energiansäästöön. Investointi hukkalämmön talteenottoon on kannattavaa sekä taloudellisesta että ympäristön näkökulmasta. Kunkin hukkalämmön talteenottoteknologian lopullinen kannattavuus riippuu kuitenkin useasta eri tekijästä, kuten laitteiston sopivuudesta laivan olemassa olevien laitteistojen kanssa, laivan käyttöprofiilista ja -olosuhteista, lainsäädännöstä ja polttoaineen hintakehityksestä.