Design of a methanol fuel cell-based power system onboard a small vessel
Kuokkanen, Eetu (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022102863647
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022102863647
Tiivistelmä
Maritime transport is responsible for a considerable share of the total global emissions. International regulations and concerns on the environment increase interest in systems capable of low-emission energy production suitable for maritime conditions. In various past projects fuel cell power systems have been tested in maritime traffic with promising results.
In this master’s thesis an energy system consisting of a methanol-powered fuel cell system, a battery pack and renewable energy production devices was designed for a small vessel. The properties of the designed energy system and the current diesel-powered energy system of the vessel were compared to assess how the introduction of the designed energy system could affect the fuel consumption, the emission production, and the operating costs of the vessel on certain specified trips.
The techno-economic assessment of this study revealed that the designed energy system renewal could reduce the amount of emissions produced by the operation of the vessel significantly. On the other hand, the system renewal would require expensive investments to be made and the direct operating costs of the vessel were projected to increase because of the energy system renewal. However, favourable trends in methanol fuel prices could increase the profitability of a maritime methanol-powered energy system, especially if the prices of conventional fuels, such as diesel, increase. Besides device acquisition and installation, the designed energy system renewal would also require regulation compliance. Meriliikenne tuottaa huomattavan osan maailman kokonaispäästöistä. Kansainväliset säädökset ja huoli ilmastosta kasvattavat kiinnostusta vähäpäästöiseen energiantuotantoon kykeneviä järjestelmiä kohtaan, mitkä soveltuvat meriliikenteen olosuhteisiin. Polttokennovoimajärjestelmiä on testattu meriliikenteessä monissa projekteissa lupaavin tuloksin.
Tässä diplomityössä metanolilla käytettävästä polttokennojärjestelmästä, akkupaketista ja uusiutuvan energian tuotantolaitteista koostuva energiajärjestelmä suunniteltiin pienelle alukselle. Suunnitellun energiajärjestelmän ja aluksen nykyisen dieselkäyttöisen energiajärjestelmän ominaisuuksia vertailtiin, jotta energiajärjestelmäuudistuksen vaikutuksia aluksen polttoaineenkulutukseen, päästöjen tuotantoon ja käyttökustannuksiin määritellyillä matkoilla voitiin arvioida.
Tutkimuksen teknis-taloudellisen arvioinnin perusteella suunniteltu energiajärjestelmäuudistus voisi vähentää aluksen käytöstä aiheutuvia päästöjä merkittävästi. Toisaalta järjestelmäuudistus vaatisi kalliita investointeja ja suorien käyttökustannusten voidaan odottaa nousevan energiajärjestelmäuudistuksen myötä. Suotuisa kehitys metanolipolttoaineen hinnassa voisi kuitenkin parantaa meriliikenteessä käytettävän metanolikäyttöisen energiajärjestelmän kannattavuutta etenkin, jos perinteisten polttoaineiden, kuten dieselin hinnat nousevat. Laitehankintojen ja -asennusten lisäksi suunniteltu energiajärjestelmäuudistus vaatisi säädösten noudattamista.
In this master’s thesis an energy system consisting of a methanol-powered fuel cell system, a battery pack and renewable energy production devices was designed for a small vessel. The properties of the designed energy system and the current diesel-powered energy system of the vessel were compared to assess how the introduction of the designed energy system could affect the fuel consumption, the emission production, and the operating costs of the vessel on certain specified trips.
The techno-economic assessment of this study revealed that the designed energy system renewal could reduce the amount of emissions produced by the operation of the vessel significantly. On the other hand, the system renewal would require expensive investments to be made and the direct operating costs of the vessel were projected to increase because of the energy system renewal. However, favourable trends in methanol fuel prices could increase the profitability of a maritime methanol-powered energy system, especially if the prices of conventional fuels, such as diesel, increase. Besides device acquisition and installation, the designed energy system renewal would also require regulation compliance.
Tässä diplomityössä metanolilla käytettävästä polttokennojärjestelmästä, akkupaketista ja uusiutuvan energian tuotantolaitteista koostuva energiajärjestelmä suunniteltiin pienelle alukselle. Suunnitellun energiajärjestelmän ja aluksen nykyisen dieselkäyttöisen energiajärjestelmän ominaisuuksia vertailtiin, jotta energiajärjestelmäuudistuksen vaikutuksia aluksen polttoaineenkulutukseen, päästöjen tuotantoon ja käyttökustannuksiin määritellyillä matkoilla voitiin arvioida.
Tutkimuksen teknis-taloudellisen arvioinnin perusteella suunniteltu energiajärjestelmäuudistus voisi vähentää aluksen käytöstä aiheutuvia päästöjä merkittävästi. Toisaalta järjestelmäuudistus vaatisi kalliita investointeja ja suorien käyttökustannusten voidaan odottaa nousevan energiajärjestelmäuudistuksen myötä. Suotuisa kehitys metanolipolttoaineen hinnassa voisi kuitenkin parantaa meriliikenteessä käytettävän metanolikäyttöisen energiajärjestelmän kannattavuutta etenkin, jos perinteisten polttoaineiden, kuten dieselin hinnat nousevat. Laitehankintojen ja -asennusten lisäksi suunniteltu energiajärjestelmäuudistus vaatisi säädösten noudattamista.