Thermal energy storage for cruise ship's cooling system: System design and operating principles

Abstract

Shipping is a globally significant individual producer of anthropogenic greenhouse gas emissions. The emission reduction targets set by the International Maritime Organization (IMO) place demands on the sector to continuously develop cleaner technology solutions. Improving the energy efficiency of cruise ships and further reducing emissions from their operation has become a major focus for the cruise industry. Especially in hot climates, the cooling load on a cruise ship’s air conditioning system is high and varies greatly depending on the time of day. In addition, the maximum power peaks experienced by the air conditioning cooling system may be significantly higher than the average load.

This thesis studied the potential of using thermal energy storage to support cruise ships’ air conditioning cooling systems. The study was divided into a theoretical part and a case study. In the theoretical part, current development areas in ship technology were studied, and a literature review of research on thermal energy storage was conducted. A medium-sized cruise ship was selected for a case study, which was used to evaluate the effects of thermal energy storage on the ship’s air conditioning cooling system. Five simulation models were constructed using the dynamic simulation software Apros. The simulation results allowed the evaluation of the effects and potential benefits of thermal energy storage on the operation of the cruise ship’s air conditioning cooling system.

The literature review identified that thermal energy storage could improve the energy efficiency of a cooling system by increasing the system’s flexibility. With thermal energy storage, the chillers producing the cooling energy for the air conditioning on a cruise ship would not have to constantly respond to the cooling load, while cold storage could balance the load. In addition, energy consumption and emission formation during port visits could be reduced by generating cooling energy for storage during sea crossings. In the case study of this work, it was decided to examine the effect of integrating water tanks of the sizes 1700 m3, 700 m3 and 200 m3 on the operation of the air conditioning cooling system of the selected cruise ship. Based on the simulation results, an electrical energy saving of 2.6 % was achieved compared to the conventional cooling system. During port visits, an electrical energy saving of 1.8 MWh was achieved, and the maximum electrical power demand was reduced by 14.6 %.

The results presented in the thesis showed that thermal energy storage has the potential to improve the energy efficiency of a cruise ship’s air conditioning system and reduce energy consumption and greenhouse gas emissions during port visits. Further research proposed in this thesis concerns the optimization of chiller use, the utilization of other thermal energy storage technologies, and the study of the effects of thermal energy storage on other cruise ship energy systems.

Laivaliikenne on merkittävä yksittäinen ihmisen toiminnasta aiheutuvien kasvihuonekaasupäästöjen tuottaja maailmanlaajuisesti. Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) määrittämät päästörajoitustavoitteet asettavat vaatimuksia alan toimijoille kehittää jatkuvasti puhtaampia teknologiaratkaisuja. Risteilyalusten energiatehokkuuden parantaminen ja edelleen näiden toiminnasta aiheutuvien päästöjen vähentäminen ovat nousseet keskeisiksi teemoiksi toimialalla. Erityisesti kuuman ilmaston alueilla risteilyaluksen ilmastointijärjestelmän jäähdytyskuormitus on suuri ja kuormitus vaihtelee voimakkaasti vuorokaudenajan mukaan. Lisäksi ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmän kokemat maksimitehopiikit saattavat olla huomattavasti keskiarvokuormitusta korkeampia.

Tässä diplomityössä tutkittiin termisen energiavaraston hyödyntämismahdollisuuksia risteilyalusten ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmän tukena. Työ jakaantui teoriaosaan ja tapaustutkimukseen. Teoriaosassa tutkittiin laivatekniikan tämän hetkisiä kehityskohteita sekä tehtiin kirjallisuuskatsaus termisen energian varastoinnin parissa tehtyyn tutkimustyöhön. Tapaustutkimuksen kohteeksi valittiin keskikokoinen risteilyalus, jota käytettiin termisen energiavaraston vaikutusten arviointiin kyseisen aluksen ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmän tapauksessa. Työssä rakennettiin viisi simulointimallia dynaamisen simulointiohjelma Aprosin avulla. Simulointitulosten perusteella pystyttiin arviomaan termisen energiavaraston vaikutuksia ja mahdollisia hyötyjä risteilyaluksen ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmän toiminnalle.

Kirjallisuuskatsauksen perusteella todettiin, että termisen energian varasto voisi parantaa jäähdytysjärjestelmän energiatehokkuutta lisäämällä järjestelmän joustavuutta. Termisen energiavaraston avulla risteilyaluksen ilmastoinnin jäähdytysenergian tuottavien jäähdyttimien ei tarvitsisi jatkuvasti vastata jäähdytyskuormitukseen, vaan kuormitusta voitaisiin tasoittaa jäähdytysenergian varastoinnin avulla. Lisäksi voitaisiin vähentää energian kulutusta ja päästöjen muodostumista satamakäyntien yhteydessä tuottamalla jäähdytysenergiaa varastoon merisiirtymien aikana. Työn tapaustutkimuksessa päädyttiin tarkastelemaan 1700 m3, 700 m3 ja 200 m3 kokoisten vesivarastojen integroinnin vaikutusta valitun risteilyaluksen ilmastoinnin jäähdytysjärjestelmän toimintaan. Simulointitulosten perusteella saavutettiin suurimmillaan 2,6 % sähköenergian säästö verrattuna perinteiseen jäähdytysjärjestelmään. Satamakäyntien aikana saavutettiin parhaimmillaan 1,8 MWh:n sähköenergian säästö ja sähkön maksimitehon tarve laski 14,6 %.

Diplomityössä esitetyt tulokset osoittivat, että termisen energian varastoinnilla voidaan mahdollisesti parantaa risteilyaluksen ilmastointijärjestelmän energiatehokkuutta sekä vähentää energian kulutusta ja kasvihuonekaasupäästöjen muodostamista satamakäyntien yhteydessä. Työssä ehdotettuja jatkotutkimuksen kohteita ovat jäähdyttimien käytön optimointi, muiden termisen energian varastointiteknologioiden hyödyntäminen sekä termisen energiavaraston vaikutuksten tutkiminen risteilyaluksen muihin energiajärjestelmiin.