Når vi jobber mot å drifte cruiseskip med nullutslipp, er det viktig at vi reduserer energiforbruket til hotellsystemene om bord. Vi har modellert hotellsystemet til et cruiseskip i et bygningssimuleringsverktøy for å evaluere ulike energisparingsløsninger, inkludert passive tiltak, varmepumper og termisk energilagring. Passive tiltak utnytter bygningens struktur eller materialer for å redusere energiforbruket, for eksempel ved å øke eller redusere varme fra solinnstråling.
Reduserte utslipp fra cruiseskip krever redusert energiforbruk i hotelldelen
Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) har som mål å redusere klimagassutslippene fra internasjonal skipsfart med 50 % innen 2050 sammenlignet med 2008. For å nå dette målet er det nødvendig å redusere utslippene fra cruiseskip. Fokuset for slike satsinger er ofte på fremdriftssystemet til cruiseskipene, for eksempel vurdering av alternative drivstoff. Men i gjennomsnitt er 40 % av energiforbruket om bord knyttet til hotellsystemet, og de fleste relaterte varmebehov (romoppvarming, tappevann osv.) dekkes i dag av spillvarme fra dieselmotorene. Mange fremtidige cruiseskip vil i stedet bruke batterier eller brenselceller, som gir svært lite spillvarme. For å effektivt redusere utslippene, må vi derfor også redusere energiforbruket i hotellsystemene om bord. Målet med denne studien var å vurdere hvordan ulike innovative energisparingsløsninger kan redusere det årlige energiforbruket til et cruiseskips hotellsystem i et nordisk klima.
Tilpasning av et bygningssimuleringsverktøy til cruiseskip
IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) er et bygningssimuleringsverktøy, tradisjonelt brukt for å simulere energiforbruk og inneklima i bygninger. Siden cruiseskip deler mange likheter med bygninger, bestemte vi oss for å bruke IDA ICE på en helt ny måte ved å modellere hotellsystemet til et cruiseskip. Det er imidlertid også åpenbare forskjeller mellom bygninger og cruiseskip, for eksempel skipets motorsystem, som brukes til både fremdrift og tilførsel av strøm og varme til hotellsystemet. Dette kunne ikke enkelt implementeres i IDA ICE og ble derfor tatt hensyn til ved å kjøre resultatene gjennom et eget MATLAB-skript.
Modellen ble basert på cruiseskipet Color Fantasy, som seiler mellom Oslo, Norge og Kiel, Tyskland. Vi brukte designdata fra skipet for å bygge IDA ICE-modellen, og vi laget en egendefinert værfil ved å kombinere værfiler fra seks forskjellige steder på skipets rute. For å redusere modellerings- og simuleringstiden, modellerte vi lignende soner sammen som én sone, som deretter ble multiplisert.
Deretter la vi inn bygningsmaterialene i skipet, og varmetilskudd fra mennesker, belysning og elektrisk utstyr om bord. Til slutt inkluderte vi systemer for ventilering, oppvarming og kjøling av lugarer og fellesarealer, og produksjon av varmt tappevann (DHW). Vi validerte resultatene fra IDA ICE og MATLAB ved å sammenligne dem med det faktiske drivstofforbruket på Color Fantasy.
Skipsmodellen beskrevet ovenfor regnes som «base case» og representerer skipet slik det er i dag. Ved å bruke base case-modellen evaluerte vi effektiviteten til disse energisparingsløsningene:
Case 1: Øke isolasjonstykkelsen i utvendige konstruksjoner fra 150 til 300 mm.
Case 2: Øke isolasjonsevnen til alle vinduer og redusere størrelsen på store vinduer.
Case 3: Legge inn et 2 cm tykt lag med faseendringsmaterialer (PCM) i alle vegger, med mål om å redusere svingninger i innetemperaturen og dermed redusere kjølebehovet.
Case 4: Redusere oppvarmingen under havneopphold og om natten om vinteren.
Case 5: Slå av oppvarming på bildekkene i havn.
Case 6: Øke virkningsgraden til ventilasjonens varmegjenvinning fra 50 % til 80 %.
Case 7: Implementere ventilasjon med variabel luftmengde (VAV), kontrollert av bevegelsessensorer eller temperatur- og CO2-sensorer.
Case 8: Installere en luft-til-vann-varmepumpe med en installert effekt på 3,1 MW.
Ved hjelp av MATLAB-skriptet evaluerte vi også bruk av en varmtvannstank for å lagre spillvarme gjenvunnet fra motorene og bruke dette senere når skipet er i havn. På denne måten kan vi redusere den lokale forurensningen forårsaket av dagens bruk av brenselskjeler til oppvarming.
Luft-til-vann-varmepumpen sparte mest energi
Base caset hadde et totalt årlig energiforbruk på 54.7 MWh/passasjer, med 20 % (11.0 MWh/passasjer) til hotellsystemet. Dette er i samme område som energiforbruket per gjest i norske og svenske hoteller.
Figuren under viser energiforbruket, eksklusiv fremdrift, for de ulike energisparingsløsningene og base caset (BC). “Acc. heating” refererer til romoppvarming og oppvarming av bildekk levert av brenselskjeler og varmegjenvinning fra motorer. “El. heating/DHW” refererer til strømmen som brukes av varmepumpen i Case 8. “HVAC aux.” inkluderer strømmen som brukes av vifter og pumper i varme-, ventilasjons- og kjølesystemene (HVAC).
De tre passive tiltakene (Case 1-3) reduserte det årlige energiforbruket med mindre enn 1 %. Forbedret isolasjonsevne hadde begrenset innvirkning på varmebehovet, da mye mer varme går tapt gjennom ventilasjonssystemet enn gjennom de utvendige fasadene til skipet. PCM-lag i vegger var lite effektive på grunn av små variasjoner i innetemperatur om sommeren.
Case 4, med redusert oppvarming i havn og om natten om vinteren, reduserte energiforbruket med 5,3 %. Disse energibesparelsene kan økes ved å utvide løsningen til hele året. I Case 5, hvor oppvarming av bildekk ble slått av i havn, ble energiforbruket redusert med 1,4 %. Et alternativ kan være å senke oppvarmingens temperatursettpunkt med 1-2 grader til enhver tid.
I Case 6, med forbedret varmegjenvinning i ventilasjonen, ble varmebehovet redusert med 14 %, kjølebehovet med 2 %, og strømforbruket til vifter og pumper med 8 %. For Case 7, med VAV-ventilasjon, førte den reduserte ventilasjonen til 40 % reduksjon i varmebehov, 9 % økning i kjølebehov og 37 % reduksjon i energiforbruk til vifter og pumper. Case 6 og 7 var relativt effektive ettersom mye varme går tapt gjennom ventilasjonsanlegget.
Case 8, med en varmepumpe, viste størst energibesparelser av alle løsningene og er den eneste løsningen som ga redusert energiforbruk for varmtvann. Det totale energiforbruket til tappevanns- og boligoppvarming, inkludert strøm til varmepumpen, ble redusert med 57 % i forhold til base case. Sett bort ifra strømbruk, ble energiforbruket til boligoppvarming redusert med 83 %. Strømforbruket til vifter og pumper ble redusert med 30 %, mens det totale strømforbruket økte med 33 %.
Varmtvannstanker kan brukes til å dekke varmebehov i havn
Til slutt undersøkte vi et case med en varmtvannstank. For å dekke alle oppvarmingsbehov i havn, måtte tankstørrelsen være 1105 m3. I dette tilfellet ble tanken optimalisert for å redusere bruk av kjeler i havn, som gjorde at den noen ganger måtte lades av kjeler under seiling i tillegg til å bli ladet med spillvarme gjenvunnet fra motorene. Til tross for dette kunne tanken på 1105 m3 likevel redusere mengden varme levert fra kjeler med 14 %.
For de fleste skip er en tank på 1105 m3 urimelig stor, og vi har derfor undersøkt effekten av å bruke en mindre tank. Kjelenes årlige varmetilførsel i havn kan også reduseres betydelig ved bruk av en mindre tank, noe som derfor er et mer fornuftig alternativ, med mindre det er avgjørende å sikre nullutslipp i havn. En elektrisk kjel koblet til landstrøm kan også brukes i kombinasjon med en liten tank for å oppnå nullutslipp.
Redusert energiforbruk, utslipp og kostnader for eksisterende og fremtidige cruiseskip
For å sikre at IDA ICE-modellen gir korrekte resultater for alle energibrukerne på cruiseskipet, vil det være nyttig å samle inn mer data fra reell drift og validere modellen mer detaljert. Dette vil gjøre det mulig å bruke modellen til å designe fremtidige lavutslippscruiseskip.
Kun ved å endre værfilen kan modellen brukes til å undersøke energisparingsløsninger for lignende cruiseskip som seiler i hvilken som helst klimasone. I kombinasjon med en lønnsomhetsanalyse, kan vi bruke modellen til å finne de beste løsningene som reduserer energiforbruk, klimagassutslipp og driftskostnader, både for eksisterende og nye cruiseskip!
Denne bloggen er basert på den vitenskapelige artikkelen “Energy use and energy efficiency in cruise ship hotel systems in a Nordic climate” av August Brækken (SINTEF), Cecilia Gabrielii (SINTEF) og Natasa Nord (NTNU). Den presenterte forskningen ble gjennomført i prosjektene “LowPass – Future low-emission passenger ships” og “CruiZE – Cruising towards Zero Emissions”.
0 kommentarer på “På vei mot nullutslippsbygg til sjøs”