Evolving energy systems in maritime transport : a parameter analysis for hydrogen fueled combined cycle gas turbine : MARPOWER project

Abstract

Climate change is pressuring the marine transportation section to cut down emissions and fast, starting with 2% in year 2025. The Maritime sector has an important role in the global economies since it is used for exporting goods and transporting people and the sector is only expected to grow. As regulations are set to mitigate emissions, renewable energy sources bring the solution to fueling the sector in the future. Hydrogen properties have made it stand out as the fuel of the future in for marine engines, especially in gas turbines. Combining hydrogen with combined cycle gas turbine optimizes the fuel usage and efficiency of the system.

This master’s thesis is done under the EU-funded MARPOWER project. The project aims to bring a combined gas turbine power system to maritime usage that can flexibly use the alternative fuels, including hydrogen. The aim was to see in what state the studies regarding gas turbines in marine sector are and analyze the gas turbine process with two cases that had different TITs. Parameter optimization of the combined cycle gas turbine shows the dependencies of seawater temperature and waste heat recovery boiler’s PPTD on other parameters. With set boundary conditions, a higher turbine inlet temperature results in lower boiler outlet temperature for exhaust gas and higher efficiency. The rising temperature of the seawater used in an intercooler as well as the increase of the PPTD effect negatively on the net electric efficiency. Higher turbine inlet temperature shows increasing ability to convey heat to the steam side in a WHRB to generate electricity. The efficiency of a gas turbine cycle can be improved by adding a WHRS to fully utilize the heat from the exhaust gas. The improvement in net electric efficiency can be over 4 percentage points.

Ilmastonmuutos pakottaa meriliikenteen vähentämään päästöjä nopeasti, alkaen 2 %:n vähennyksellä vuonna 2025. Merenkulkusektorilla on tärkeä rooli maailman talouksissa, sillä sitä käytetään tavaranvientiin ja ihmisten kuljetukseen, ja sektorin odotetaan vain kasvavan. Kun päästöjä rajoittavia säädöksiä otetaan käyttöön, uusiutuvat energialähteet tarjoavat ratkaisun alan tulevaisuuden polttoaineeksi. Vedyn ominaisuudet ovat tehneet siitä tulevaisuuden polttoaineen laivojen moottoreissa, erityisesti kaasuturbiineissa. Vedyn yhdistäminen yhdistettyyn kaasuturbiiniin optimoi polttoaineen käytön ja järjestelmän tehokkuuden.

Tämä diplomityö on tehty EU-rahoitteisen MARPOWER-hankkeen puitteissa. Hankkeen tavoitteena on tuoda kombiprosessi merikäyttöön, joka voi joustavasti hyödyntää vaihtoehtoisia polttoaineita, mukaan lukien vetyä. Tavoitteena oli selvittää, missä vaiheessa merialan kaasuturbiinitutkimukset ovat, sekä analysoida kaasuturbiiniprosessia kahdella eri turbiinin sisäänmenolämpötilalla. Kombiprosessin parametrioptimointi osoittaa meriveden lämpötilan sekä pinch point lämpötilaeron vaikutuksen jätelämpökattilan muihin parametreihin. Määritetyillä reunaehdoilla korkeampi turbiinin sisäänmenolämpötila johtaa pakokaasun alempaan kattilan ulostulolämpötilaan ja korkeampaan hyötysuhteeseen. Välijäähdyttimessä käytettävän meriveden lämpötilan sekä pinch point lämpötilaeron kasvu vaikuttavat negatiivisesti nettosähköhyötysuhteeseen. Korkeampi turbiinin sisäänmenolämpötila osoittaa parempaa kykyä siirtää lämpöä jätelämpökattilassa pakokaasulta höyrypuolelle. Kaasuturbiiniprosessin tehokkuutta voidaan parantaa lisäämällä jätelämmön talteenottojärjestelmä, joka hyödyntää täysin pakokaasujen lämpöä. Sen avulla nettosähkötehokkuuden parannus voi olla yli 4 prosenttiyksikköä.