Laivan sähköpropulsioiden vertailu
Luminiitty, Erno (2023)
2023
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-04-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304043470
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304043470
Tiivistelmä
Meriliikenteen osuus maailman vuotuisista kasvihuonepäästöistä on merkittävä. Ilmastokriisin seurauksena laivatekniikka on energialähteiden osalta murrosvaiheessa. Propulsiojärjestelmä tuottaa laivaa liikuttavaa työntövoimaa ja välittää sen potkureille. Sähköpropulsiossa energia välitetään potkureille sähköisesti. Perinteisesti sähköpropulsiojärjestelmien energia tuotetaan vaihtosähköpohjaisilla dieselgeneraattoreilla. Kasvavassa määrin laivoihin halutaan integroida vaihtoehtoisia, pääasiassa tasasähköpohjaisia energialähteitä ja -varastoja. Energialähdemurroksen seurauksena on uudelleenarvioitava eri sähköpropulsiojärjestelmien kannattavuutta. Markkinoilla on useita erilaisia sähköpropulsiojärjestelmiä, joiden todellisia projektikohtaisia hyötyjä ei tunneta. Laivojen tilaajilla on korkea kynnys lähteä käyttämään uutta propulsioteknologiaa, jos suuren investoinnin todellinen kannattavuus on epäselvä.
Diplomityön tavoitteena on selkeyttää sähköpropulsiojärjestelmien vertailuprosessia ja samalla madaltaa kynnystä investoida päästöjä vähentäviin teknologioihin. Diplomityö koostuu teoriapohjaisesta sähköpropulsioiden vertailusta sekä laskennallisesta tutkimustapauksesta. Teoriapohjaisessa vertailussa tarkastellaan sähköpropulsiojärjestelmiä ominaisuuslähtöisesti. Vertailussa tarkastellaan perinteistä diesel-sähköpropulsiota ja vaihtoehtoisten energialähteiden integroitavuus tuodaan vertailuun vaikuttavana muutostekijänä. Diplomityössä arvioidaan mahdollisuutta toteuttaa Excel-laskentatyökalu nopeaa laivakohtaista propulsiovertailua varten. Laskentatyökalun toimintaa testataan projekteihin perustuvan SUL-tutkimustapauksen avulla.
Diplomityön tuloksena voidaan todeta, ettei propulsiojärjestelmän valinta ole yksiselitteinen ja valinta riippuu hyvin pitkälti laivan toimintaprofiilista, teholuokasta ja tasasähköenergialähteiden integroitavuusasteesta. Yksinkertaista ja nopeaa Excel-laskentatyökalua voidaan käyttää propulsiovertailun tukena. Laskentatyökalua voisi kehittää aktiivisen hyötysuhdelaskennan suuntaan. Toisaalta passiiviseen hyötysuhdelaskentaan pohjautuva laskentatyökalu on lähtöaineiston tarkkuuteen nähden riittävän tarkka. Kiinnostavana jatkotutkimusaiheena olisi tarkastella laskentatyökalun avulla energiavarastojen ja maistasyötön mukautumista laivakohtaiseen toimintaprofiiliin.
Maritime transport accounts for a significant share of the world's annual greenhouse gas emissions. As a result of the climate crisis, ship technology is in a state of transition in terms of energy sources. The propulsion system generates thrust to move the ship and transmits it to the propellers. In electric propulsion, energy is transmitted to the propellers electrically. Traditionally, power for electric propulsion is generated by AC-based diesel generators. There is an increasing desire to integrate alternative DC-based energy sources and storages on board. Because of the energy source revolution, the viability of different electric propulsions needs to be re-evaluated. There are many different electric propulsion solutions on the market which real project-specific benefits are unclear. Shipowners have a high threshold for adopting new propulsion technologies if the true profitability of a large investment is unclear.
The aim of the thesis is to clarify the comparison process of electric propulsion systems and lower the threshold for investing in low-emission technologies. The thesis consists of a theory-based comparison of electric propulsion and a quantitative case study. In the theory-based comparison, electric propulsion systems are considered from a property-based perspective. The comparison examines conventional diesel-electric propulsion system and the integrability of alternative energy sources is introduced as a factor influencing the comparison. The thesis will evaluate the feasibility of implementing an Excel based calculation tool for rapid ship specific propulsion comparisons. The functionality of the calculation tool will be tested by means of a project-based SUL case study.
As a result of the thesis, it can be concluded that the choice of propulsion system is not straightforward and depends strongly on the ship's operating profile, power class and the degree of integration of DC power sources. A simple and efficient Excel calculation tool can be used to support the propulsion comparison. The calculation tool could be developed towards active efficiency calculation. On the other hand, a calculation tool based on passive efficiency calculation is sufficiently accurate for the accuracy of the input data. An interesting topic for further research would be to investigate the adaptation of energy storage and shore power to the ship-specific operating profile using this calculation tool.
Diplomityön tavoitteena on selkeyttää sähköpropulsiojärjestelmien vertailuprosessia ja samalla madaltaa kynnystä investoida päästöjä vähentäviin teknologioihin. Diplomityö koostuu teoriapohjaisesta sähköpropulsioiden vertailusta sekä laskennallisesta tutkimustapauksesta. Teoriapohjaisessa vertailussa tarkastellaan sähköpropulsiojärjestelmiä ominaisuuslähtöisesti. Vertailussa tarkastellaan perinteistä diesel-sähköpropulsiota ja vaihtoehtoisten energialähteiden integroitavuus tuodaan vertailuun vaikuttavana muutostekijänä. Diplomityössä arvioidaan mahdollisuutta toteuttaa Excel-laskentatyökalu nopeaa laivakohtaista propulsiovertailua varten. Laskentatyökalun toimintaa testataan projekteihin perustuvan SUL-tutkimustapauksen avulla.
Diplomityön tuloksena voidaan todeta, ettei propulsiojärjestelmän valinta ole yksiselitteinen ja valinta riippuu hyvin pitkälti laivan toimintaprofiilista, teholuokasta ja tasasähköenergialähteiden integroitavuusasteesta. Yksinkertaista ja nopeaa Excel-laskentatyökalua voidaan käyttää propulsiovertailun tukena. Laskentatyökalua voisi kehittää aktiivisen hyötysuhdelaskennan suuntaan. Toisaalta passiiviseen hyötysuhdelaskentaan pohjautuva laskentatyökalu on lähtöaineiston tarkkuuteen nähden riittävän tarkka. Kiinnostavana jatkotutkimusaiheena olisi tarkastella laskentatyökalun avulla energiavarastojen ja maistasyötön mukautumista laivakohtaiseen toimintaprofiiliin.
Maritime transport accounts for a significant share of the world's annual greenhouse gas emissions. As a result of the climate crisis, ship technology is in a state of transition in terms of energy sources. The propulsion system generates thrust to move the ship and transmits it to the propellers. In electric propulsion, energy is transmitted to the propellers electrically. Traditionally, power for electric propulsion is generated by AC-based diesel generators. There is an increasing desire to integrate alternative DC-based energy sources and storages on board. Because of the energy source revolution, the viability of different electric propulsions needs to be re-evaluated. There are many different electric propulsion solutions on the market which real project-specific benefits are unclear. Shipowners have a high threshold for adopting new propulsion technologies if the true profitability of a large investment is unclear.
The aim of the thesis is to clarify the comparison process of electric propulsion systems and lower the threshold for investing in low-emission technologies. The thesis consists of a theory-based comparison of electric propulsion and a quantitative case study. In the theory-based comparison, electric propulsion systems are considered from a property-based perspective. The comparison examines conventional diesel-electric propulsion system and the integrability of alternative energy sources is introduced as a factor influencing the comparison. The thesis will evaluate the feasibility of implementing an Excel based calculation tool for rapid ship specific propulsion comparisons. The functionality of the calculation tool will be tested by means of a project-based SUL case study.
As a result of the thesis, it can be concluded that the choice of propulsion system is not straightforward and depends strongly on the ship's operating profile, power class and the degree of integration of DC power sources. A simple and efficient Excel calculation tool can be used to support the propulsion comparison. The calculation tool could be developed towards active efficiency calculation. On the other hand, a calculation tool based on passive efficiency calculation is sufficiently accurate for the accuracy of the input data. An interesting topic for further research would be to investigate the adaptation of energy storage and shore power to the ship-specific operating profile using this calculation tool.