Ship energy efficiency analysis
Lönnqvist, Max (2021)
Diplomityö
Lönnqvist, Max
2021
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859506
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859506
Tiivistelmä
Export and import are heavily dependent on a well maintained and efficient fleet of ships, and a mutual interest within the mankind is to reduce the ecological footprint in all human activity, marine transport included. The aim of this thesis is to research the fundamental factors included in the efficiency of a ship and by operational data calculate how the ships of today could be built more fuel-efficient tomorrow. Since every ship is a machine built for a specific purpose, the main aim of this work is to study how ships are operated and how these ships are constructed. Together with operational speed profile and knowledge of ship construction and their efficiencies, an estimate of ship fuel consumption has been made using empirical calculation methods. The operational speed profile is based on Automatic Identification system data, from which the speed is converted into propulsion power.
The calculations are repeated with a different machinery design to find if a ship has significant advantage of a shaft generator or diesel electric propulsion, and if a ship type and speed profile have an impact on usefulness of a shaft generator or electric propulsion. Ultimate aim of this study is to gain a quantifiable number on how much a shaft generator or diesel electric propulsion saves fuel. The modern propulsion system, its main components and efficiencies are studied by a literature review of the systems existing in the open market. The main source of information are the open-source publications of manufacturers within the marine industry, and a series of questionnaires to naval consultant companies and shipyards in Finland.
The Study in a nutshell was successful, and the forehand placed goals were met. The study provided with a useful calculation model, which anyone can utilize. The biggest sources of inefficiencies onboard a ship are the diesel engine and the propeller. The efficiency of the power transmission is practically close to unity in both mechanical and electrical transmissions. The computations show that a use of a shaft generator can lower the total fuel consumption by up to 2 % and electric powertrain by up to 5 %. Det globala importexport ekosystemet är beroende av väl upphällt och effektivt flotta av civila fartyg, på samma tid gemensamt nyttigt är att detta ekosystem funktionerar med det minsta kolfotavtrycket som möjligt. Målet för denna examenstext är att undersöka vilka faktorer omfattar effektiviteten av ett fartyg, och i vidare skede undersöka med att utnyttja operativdata från fartyget sig själva att hur dagens skepp kan byggas mera effektivare i framtiden. På grund av att alla maskiner är byggda för ett visst ändamål, är det viktigaste undersökningsproblemet att hur fartyg är opererade och byggda. Med den kända operationella hastighetsprofilen och information av fartygets konstruktion och komponenternas effektivitet, en uppskattning av fartygets bränsleförbrukning räknas med metoder av empirisk bakgrund. Operationella hastighetsprofilen samlas från Automatic Identification system data, och med empiriska metoderna konverteras till effekt.
Kalkylerna är repeterade med olika typ av maskinhelhet, målet med detta är att räkna ifall fartyget har speciell nytta av en axelgenerator eller diesel-elektrisk framdrivning, och hur ett visst fartyg av en viss typ och hastighetsprofil har nytta av dessa och hurdana skillnader i bränsleförbrukningar mellan fartyg typerna har med samma maskinhelhet. Den bästa möjliga slutsatsen för detta examenarbete är att räkna kvantitativa värden för hur mycket en axelgenerator eller diesel-elektrisk framdrivning sparar bränsle. Det moderna framdrivningssystemet, dess viktigaste komponenter och deras effektivitet på öppna marknader är undersökta med en litteratursundersökning. Den viktigaste källan för information är publikationer av tillverkare av komponenter till sjöfarten från de öppna-källorna. Detta kompletteras med frågeformulären till konsulter inom sjöfarts industrin och till dockar i Finland.
Studiet i korthet var en framgång, mål definierat i förhand var mötta. Studiet producerade en användbar kalkylmodell för alla att utnyttja. Största källorna for ineffektivitet hittades vara dieselmotorn och propellern. Effektiviteten av framdrivningen är i praktiken nära till värdet ett i både mekanisk och elektrisk framdrivning. Kalkylmodellen visade att en axelgenerator kan i rätta omgivningar spara 2 % i totala bränsleförbrukningen och diesel-elektriska framdrivningen till och med 5 %.
The calculations are repeated with a different machinery design to find if a ship has significant advantage of a shaft generator or diesel electric propulsion, and if a ship type and speed profile have an impact on usefulness of a shaft generator or electric propulsion. Ultimate aim of this study is to gain a quantifiable number on how much a shaft generator or diesel electric propulsion saves fuel. The modern propulsion system, its main components and efficiencies are studied by a literature review of the systems existing in the open market. The main source of information are the open-source publications of manufacturers within the marine industry, and a series of questionnaires to naval consultant companies and shipyards in Finland.
The Study in a nutshell was successful, and the forehand placed goals were met. The study provided with a useful calculation model, which anyone can utilize. The biggest sources of inefficiencies onboard a ship are the diesel engine and the propeller. The efficiency of the power transmission is practically close to unity in both mechanical and electrical transmissions. The computations show that a use of a shaft generator can lower the total fuel consumption by up to 2 % and electric powertrain by up to 5 %.
Kalkylerna är repeterade med olika typ av maskinhelhet, målet med detta är att räkna ifall fartyget har speciell nytta av en axelgenerator eller diesel-elektrisk framdrivning, och hur ett visst fartyg av en viss typ och hastighetsprofil har nytta av dessa och hurdana skillnader i bränsleförbrukningar mellan fartyg typerna har med samma maskinhelhet. Den bästa möjliga slutsatsen för detta examenarbete är att räkna kvantitativa värden för hur mycket en axelgenerator eller diesel-elektrisk framdrivning sparar bränsle. Det moderna framdrivningssystemet, dess viktigaste komponenter och deras effektivitet på öppna marknader är undersökta med en litteratursundersökning. Den viktigaste källan för information är publikationer av tillverkare av komponenter till sjöfarten från de öppna-källorna. Detta kompletteras med frågeformulären till konsulter inom sjöfarts industrin och till dockar i Finland.
Studiet i korthet var en framgång, mål definierat i förhand var mötta. Studiet producerade en användbar kalkylmodell för alla att utnyttja. Största källorna for ineffektivitet hittades vara dieselmotorn och propellern. Effektiviteten av framdrivningen är i praktiken nära till värdet ett i både mekanisk och elektrisk framdrivning. Kalkylmodellen visade att en axelgenerator kan i rätta omgivningar spara 2 % i totala bränsleförbrukningen och diesel-elektriska framdrivningen till och med 5 %.