Fuel Cell Waste Heat Recovery in Marine Applications

Abstract

Kasvihuonekaasupäästöjä on kiireellisesti vähennettävä kaikilla sektoreilla ilmaston lämpenemisen hillitsemiseksi. Merenkulkualan arvioidaan aiheuttavan n. 7 % maailman kasvihuonekaasupäästöistä, ja IMO sekä muut sääntelyelimet ovat asettaneet huomattavia päästövähennystavoitteita tuleville vuosikymmenille. Laivojen voimantuotto perustuu tällä hetkellä liki yksinomaan öljypohjaisiin polttoaineisiin, mikä tarkoittaa, että merenkulkualan tulee löytää vaihtoehtoisia tapoja energian tuottamiseen päästötavoitteiden saavuttamiseksi. Polttokennot muuntavat polttoaineiden kemiallista energiaa sähkövirraksi. Polttokennoilla on korkea hyötysuhde erityisesti osakuormilla, ja ne ovat modulaarisia, luotettavia ja hiljaisia. Kennostot tuottavat pakokaasua, jonka lämpötila riippuu kennotyypistä. Lämmön talteenotto (LTO) kuumasta pakokaasusta kasvattaa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta. LTO-kattiloita voidaan hyödyntää höyryn tai kuuman veden tuottamiseen polttokennojen pakokaasuista. Laivoilla, erityisesti risteilyaluksilla, on tarvetta lämmölle höyryn tai kuuman veden muodossa mm. tilojen lämmitykseen ja keittiön tarpeisiin. Tämä diplomityö on tehty Alfa Laval Aalborg Oy:n toimeksiannosta. Työn tarkoitus oli selvittää, millainen rooli polttokennoilla on laivojen voimantuotannossa tulevaisuudessa. Työssä selvitetään myös, mitkä ovat tyypilliset polttokennojen pakokaasun massavirrat ja lämpötilatasot. Lisäksi pohditaan ripaputkikattiloihin liittyviä rajoitteita polttokennojen lämmöntalteenotossa. Polttokennoja on useaa eri tyyppiä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella laivasovelluksiin parhaiten soveltuvat kennotyypit ovat protoninvaihto-, kiinteäoksidi- ja sulakarbonaattikennot. Näistä kiinteäoksidi- ja sulakarbonaattikennot ovat ns. korkean lämpötilan kennoja, joiden toimintalämpötila voi olla jopa n. 1 000 °C. Protoninvaihtokennot toimivat useimmiten 65—85 °C lämpötiloissa, muuta ns. korkean lämpötilan protoninvaihtokenno voi toimia jopa 220 °C lämpötilatasolla. Kaikille kennotyypeille sopiva polttoaine on vety, mutta korkean lämpötilan kennot voivat käsitellä myös muita vetypitoisia polttoaineita kuten metaania, metanolia ja dieseliä. Kun polttoaineena käytetään vetyä, kennoston pakokaasu koostuu seuraavista yhdisteistä: H2O, N2, O2 ja H2. Hiilivetypolttoaineilla pakokaasu sisältää näiden lisäksi hiilidioksidia, hiilimonoksidia ja hiilivetyjen jäämiä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella merenkulun polttoaineissa tullaan kokemaan vaiheittainen siirtymä kohti nollapäästöjä: välivaihe dieselistä vähemmän päästöintensiivisiin polttoaineisiin, kuten nesteytettyyn maakaasuun, ja tämän jälkeen lähes täysin päästöttömiin polttoaineisiin kuten vihreään vetyyn. Siirtymän aikaikkuna riippuu vaihtoehtoisten polttoaineiden teknisestä kypsyydestä. Vihreällä vedyllä tankattavat polttokennot olisivat erittäin vähäpäästöinen ratkaisu, mutta erityisesti vedyn saatavuudessa ja jakeluinfrastruktuurissa on ratkaisemattomia ongelmia. Tällä hetkellä maailmassa on muutama polttokennoja käyttävä demonstraatioalus. Tässä diplomityössä tarkastellaan case-esimerkin kautta, voidaanko risteilyaluksen kuuman veden ja höyryn tarve kattaa polttokennojen savukaasuilla. Laskennassa hyödynnettiin dataa aluksen lämmön- ja sähkönkulutuksesta, sekä mittaustuloksia polttokennoston tehontuotannosta. Esimerkissä oletettiin, että kaikki laivan sähköntarve tuotetaan kiinteäoksidikennostolla. Pakokaasun massavirralle ja lämpötilalle muodostettiin korrelaatiot saatavilla olevan datan pohjalta kahdella osakuorman ajotavalla. Myös pakokaasun koostumus selvitettiin. LTO-kattilan höryn ja kuuman veden tuotto laskettiin kullakin hetkellä pakokaasun massavirran ja lämpötilan pohjalta, ja tuotantopotentiaalia verrattiin kulutusdataan. Tulokseksi saatiin, että lämmöntarve voidaan kattaa polttokennojen hukkalämmöllä lähes kokonaan, kattavuuskertoimen ollessa yli 90 % kaikille tarkastelluille tilanteille.

Drastic cuts to the greenhouse gas (GHG) emissions are urgently needed from every sector to combat the global warming. The maritime industry is estimated to produce around 7 % of global GHG emissions. Significant emission reduction targets are set for the coming decades by IMO and other regulatory bodies. Power production on ships is currently almost entirely based on oil- based fuels for both propulsion and auxiliary power, which means that the marine sector needs to find alternative ways for power production in order to fulfill the environmental goals. Fuel cells (FCs) are electrochemical devices that convert chemical energy in fuel to direct electrical current. Their most notable advantages are high efficiency even on partial loads, modularity, quietness, and reliability. FCs produce exhaust gas that might be very hot depending on the cell type. If this waste heat can be utilized, it would make the system even more environmentally friendly since more output is gained from the same amount of fuel. Waste heat recovery (WHR) boilers, producing steam or hot water, can be used for this task. Ships, especially cruise vessels, have a heating need for e.g. space heating, kitchen and laundry facilities. This thesis has been commissioned by Alfa Laval Aalborg Oy. The purpose of this thesis was to find out what the role of the FCs will be in the marine sector in the future. It was also investigated what are the typical temperature levels and mass flows of FC exhaust in different operating conditions. The limitations for applying finned tube boilers in FC WHR are considered. Several types of FCs exist. Based on literature review, the most suitable FC types for marine applications are proton exchange membrane (PEM), solid oxide (SOFC) and molten carbonate (MCFC) fuel cells. SOFC and MCFC are high temperature (HT) FCs that operate on temperatures up to 1,000 °C. PEM operates usually around 65-85 °C but HT-PEMs can operate in temperatures as high as 220 °C. The most suitable fuel for all cell types is hydrogen, but the HT cells are able to internally reform other hydrogen-rich fuels such as methane, methanol and diesel. FC exhaust consist of H2O, N2, O2 and H2 when operating on pure hydrogen, added with CO2, CO and remnants of hydrocarbons when operating on hydrocarbon fuels. In the future, the fuels used in the marine sector will be more diverse. According to a literature review, the ship power production is expected to go thorough transition, with the first stage being less carbon-intensive fuels, such as LNG or methanol combusted in engines, becoming increasingly common. After this intermediate period, the goal is a transition to fully carbon-free means of power production. The timeline of this final turning point depends on the development of the technological maturity of the alternative fuels, and it is expected to be only after 2050. FCs with green hydrogen would be the environmentally ideal solution, but there are unsolved challenges especially in the availability of green hydrogen and the storage and bunkering infrastructure. As a part of this thesis, a case study was carried out on covering the heat needs of a cruise ship with FC exhaust. Data of the electricity and heat consumption of a cruise vessel was utilized in the study, as well as experimental measurements of SOFC power production available in literature. The vessel was assumed to produce all the electricity with SOFC stacks. Constant air utilization and constant air mass flow partial load operation strategies were compared. Correlations were developed for the exhaust mass flow and temperature as a function of the electrical power production. The exhaust composition was also calculated. WHR boiler performance was evaluated as part of the system and the hot water and steam production were compared against consumption data. As a result, it was noticed that the steam and hot water demands could be fulfilled reasonably well, the coverage factors being over 90 % for all evaluated situations. The constant air mass flow operating strategy produces less variation in the exhaust mass flow but more variation in the cell temperature than constant air flow operating strategy.