Termisk lagring og varmepumper: et skritt mot nullutslipps cruiseskip

Termisk lagring og varmepumper kan spille en nøkkelrolle i å dekke cruiseskips elektrisitets- og varmebehov, og samtidig sikre nullutslipp.

SINTEF er i dag involvert i flere prosjekter innen termisk lagring og varmepumper. Disse teknologiene anses som avgjørende for fremtidige industrielle og lokale energisystemer, som i større grad vil være basert på elektrisitet og fornybar energi. Så langt har fokuset i stor grad vært på teknologienes landbaserte applikasjoner. I CruiZE-prosjektet har vi stor tro på at termisk lagring og varmepumper er like relevante for den maritime industrien, spesielt om bord på cruiseskip.

Cruisenæringen skaper verdier i Norge

Cruisenæringen er viktig for norsk verdiskaping. Før covid-19-pandemien bidro næringen med 10 milliarder norske kroner og 10 000 årsverk til norsk økonomi. Sommeren 2019 mottok norskekysten cirka 2 000 cruiseskip og 850 000 cruiseturister.

Etter 15 måneders stillstand begynner cruiseskipene å gjenoppta driften, og problematikken rundt miljøavtrykk står igjen øverst på agendaen. Energibehovet til cruiseskip har tradisjonelt blitt dekket ved å brenne fossilt brensel, noe som resulterer i et høyt karbonavtrykk per passasjer samt luftforurensning i havner over hele verden.

Norske bedrifter er verdensledende innen utvikling av lavutslippsteknologi. Disse bedriftene står nå klare til å hjelpe cruiseindustrien i arbeidet med å redusere miljøpåvirkning og løse de tilhørende utfordringene.

En av bedriftene er Ulmatec Pyro som har lang erfaring med å utvikle, bygge og installere systemer for gjenbruk av overskuddsvarme på skip. Ulmatec opplever at automatisk styrte varmegjenvinningssystemer er på fremmarsj innen cruiseindustrien. Noen av installasjonene de har levert er til: to skip for Lindblads Expeditions bygd på Ulstein Verft, seks Sunstone skip bygd på China Merchants Holding Industry yards og fire Havila Kystruten skip bygd på Tersan Yards.

Strengere regler for utslipp av cruiseskip

Det stilles stadig strengere krav til utslipp fra cruiseskip på regionalt, nasjonalt, europeisk og globalt nivå. For eksempel:

• Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) har vedtatt å redusere utslippene med 50% innen 2050.
• Fra 2026 vil kun nullutslipps cruiseskip få lov til å operere i norske fjorder som står på UNESCOs verdensarvliste.
• Norske havner har etablert felles krav til cruiseskips utslipp under havneopphold.
• EU foreslår at cruiseskip skal bruke nullutslippsteknologi i EUs havner fra 2030.

Cruiseskip krever mye energi

Et cruiseskip er som et stort, flytende hotell. Energibehovet til hotellanleggene tilsvarer omtrent energibehovet for fremdrift. De viktigste forbruksområdene inkluderer elektrisitet til klimaanlegg, og varmeenergi (damp eller varmtvann) til romoppvarming, dusjer, bassenger, bysser og vaskerier. Selv om et skip ligger til kai i havn eller cruiser med lav hastighet langs fjordene, bruker det fortsatt store mengder energi. I løpet av et 10-timers havneopphold har et gjennomsnittlig cruiseskip et strømforbruk på rundt 6 MWt, og varmebehovet er nesten like stort. Til sammenligning er det årlige strømforbruket i en gjennomsnittlig norsk husholdning på 16 MWt. Dermed er det en betydelig utfordring for cruiseskip å nå null-utslipp.

Elektrisiteten til både fremdrift og hotellanlegg produseres normalt av fossile forbrenningsmotorer. Varmebehovet dekkes fortrinnsvis gjennom såkalt «spillvarme-gjenvinning», som betyr at motorenes varme avgasser og kjølevann gjenbrukes til oppvarmingsformål. De fleste skip har imidlertid også en oljefyrt kjel som kan brukes når det ikke er nok spillvarme. Dette skjer først og fremst når skipet ligger til kai i havn, eller opererer med et nullutslipps fremdriftssystem som batterier.

Landstrøm fra havner

Mange havner innfører landstrøm som et middel for å redusere utslipp fra skip under havneoppholdet. Dette betyr at skipet kobles til havnens elektriske nett i stedet for å kjøre sine fossile forbrenningsmotorer for å produsere egen elektrisitet. Å slå av motoren reduserer både luftforurensning og støy i havneområdet, og kan også bidra til å redusere utslipp globalt dersom nettstrømmen er basert på fornybar energi.

Hvor mye kan landstrøm redusere utslippene fra cruiseskip?

Det er ikke mulig å redusere utslippene 100% med landstrøm alene. For cruiseskip kan landstrøm bidra til å redusere utslippene i havn med rundt 50%. Enkelt sagt er dette fordi den oljefyrte kjelen fortsatt er nødvendig for å dekke det betydelige oppvarmingsbehovet til hotellfasilitetene. Faktisk må kjelen produsere mer varme, da det ikke genereres spillvarme når skipet kobles til landstrøm. Dette er en utfordring som må løses!

Hvorfor ikke bare bytte ut oljefyren med en el-kjel?

En el-kjel kan virke som den mest opplagte løsningen, men det krever ytterligere tiltak fra både redere og havneeiere. Skipene ville måtte gjennomgå kostbare ombygginger, i tillegg til de de allerede er forpliktet til å utføre i henhold til ulike forskrifter. I tillegg må strømnettet oppgraderes for å kunne levere omtrent det dobbelte av nåværende kapasitet, og mange havner sliter allerede med å levere nok landstrøm på grunn av elektrifiseringen av mange andre sektorer.

I denne sammenhengen kan det faktisk være kontraproduktivt å erstatte oljekjelen med en elektrisk kjele. Hvis havnen ikke kan levere nok landstrøm, vil skipet måtte produsere strømmen om bord ved å bruke sine ineffektive fossile forbrenningsmotorer til å drive el-kjelen, noe som i stedet vil øke utslippene og driftskostnadene. Likevel kan en el-kjel fortsatt være en god løsning dersom den kombineres med et energilager og/eller en varmepumpe, som vi kommer inn på senere.

Kan havner også levere «landvarme»?

Ja, i noen tilfeller kan dette være et alternativ. I Gøteborg mottar ett bestemt passasjerskip «landvarme» ved å koble seg til fjernvarmenettet når det ligger til kai. Men siden varmesystemet til de fleste cruiseskip er basert på damp, er fjernvarmevann ikke alltid et godt alternativ, med mindre det konverteres til damp ved hjelp av en varmepumpe, enten på land eller om bord. Igjen, dette vil kreve betydelig ombygging samt en standardisering av tilkoblingsutstyr.

Det kan også finnes andre alternativer for å levere varme fra havner. INTERPORT-prosjektet undersøker de økonomiske og tekniske aspektene ved ulike løsninger for havn-til-skip-forsyning av ulike energityper (elektrisitet, varme, drivstoff). Men i CruiZE fokuserer vi på hva som kan gjøres om bord på skipet.

Cruise uten utslipp med batterier

Det pågår mye FoU-arbeid med mulige løsninger for å oppnå nullutslipp i bestemte perioder, for eksempel ved innseiling i norske fjorder. Foreløpig er batterier den mest åpenbare løsningen. Men hvis batteriet også skal møte cruiseskipets varmebehov, kan det bli for stort for den tilgjengelige plassen ombord. Et annet potensielt nullutslippsalternativ er å bruke hydrogen og ammoniakk i enten motorer eller brenselceller. Men det vil ennå ta tid før dette blir et kommersielt alternativ for store cruiseskip, på grunn av høye energibehov, plassbegrensninger og sikkerhetshensyn.

Innovative løsninger ombord kreves

Hva kan så gjøres for å legge til rette for nullutslipps kraft- og varmeforsyning, ikke bare i havn, men også når skip går inn i sårbare områder som norske fjorder? Cruiseskip forventes, i det minste delvis, å være avhengig av forbrenningsmotorer i mange år fremover, noe som betyr at det fortsatt vil genereres mye spillvarme.

– Da gjelder det å ikke bare å fokusere på hvor mye av energien som kan gjenvinnes, men også på hvor mye som kan anvendes, sier Bernt-Auge Ulstein i Ulmatec. Det er her termisk lagring kommer inn.

Termisk lagring

Hensikten med et termisk energilagring er å balansere produksjon og etterspørsel av varme ved å lagre varmen (som varmt vann eller damp) til senere bruk– som i en termos. Når et cruiseskip går i full speed, genereres det mer spillvarme enn det som trengs om bord. I stedet for å slippe spillvarmen ut i omgivelsesluften eller sjøvannet, hvorfor ikke lagre det og bruke det når det trengs?

I havn kan den lagrede spillvarmen brukes i stedet for oljekjel eller for å redusere behovet for landstrøm til el-kjelen. Den kan også brukes når cruiseskipet går på batteri i fjordene, noe som betyr at batteriene ikke trenger å levere strøm til el-kjelen. Med andre ord kan skipet reelt sett operere med null utslipp over lengre tid. Det er dette som er gjort på det nybygde skipet Havila Kystruten. Her har Ulmatec Pyro installert en termostank med vann på 14 m³ og fire sanitærvanntanker, hver på 3m³. Målet på sikt er å redusere plassen disse tankene krever, og i 2022 vil derfor Ulmatec Pyro satse på utvikling av en «phase change materials» (PCM) -basert lagringsmetode som reduserer plassbehovet. Ved å bruke såkalte PCM kan volumet til en lagertank reduseres betydelig. Det finnes en rekke aktuelle PCMer, alle med ulike egenskaper, muligheter og utfordringer. I CruiZE testes ulike PCM-er som er egnet for marine applikasjoner.

En annen utfordring er at varmen som produseres og lagres kan ha en lavere temperatur enn det varmebehovet tilsier. Dette kan løses ved «toppoppvarming» med el- eller oljefyrt kjel, men det mest energieffektive alternativet er å bruke varmepumpe. Dette er også noe som Ulmatec nå vurderer.

Les mer: Termisk lagring for økt energieffektivitet

Varmepumper

Hensikten med en varmepumpe er å «løfte» varmen til et høyere temperaturnivå. Fordelen er at man kun trenger omtrent en tredjedel av elektrisiteten som kreves i en elektrisk kjele. Implementering av varmepumper på cruiseskip kan tjene forskjellige formål, å flere av disse undersøkes i CruiZE. Noen potensielle fordeler inkluderer:

• Når skipet er koblet til landstrøm vil en varmepumpe senke nødvendig landstrømkapasitet ved å eliminere behovet for – eller suppler bruken av – en elektrisk kjele;
• Når skipet går på batteri, vil en varmepumpe redusere batterikapasiteten som kreves til en elektrisk kjele, og dermed gjøre skipet i stand til å operere med null utslipp i en lengre periode;
• En varmepumpe kan produsere både varme og kjøling samtidig, for eksempel kaldt vann til klimaanlegg og varmt tappevann, og dermed redusere skipets totale energibehov;
• Varmepumper muliggjør gjenvinning av spillvarme ved lavere temperatur, som lavtemperatur kjølevann fra motorer eller batterier, eller gråvann;
• Bruk av varmepumpe i kombinasjon med termisk lagring vil gi fleksibilitet både i design og drift.

For at en varmepumpe skal anses som en nullutslippsteknologi, må den drives med fornybar elektrisitet og bruke såkalte naturlige kjølemedier. CO₂ er et ikke-giftig, ikke-brennbart, naturlig kjølemedium som også kan muliggjøre kompakte systemer. SINTEF og NTNU har i stor grad bidratt til utviklingen av varmepumper med CO₂ i supermarkeder, hoteller og fiskefartøy rundt om i verden. SINTEF har også nylig utviklet verdens «heteste» industrielle varmepumpe«. I CruiZE evalueres hvordan man kan tilpasse og bruke disse teknologiene om bord på cruiseskip.

Ulmatec Pyro har inngått samarbeid med en mindre leverandør av en CO2 varmepumpe. Foreløpig er dette en prototype, som kun er testet «på land».

-Vi ønsker nå å integrere denne i termiske systemer på skip, sier Bernt-Auge Ulstein i Ulmatec.

Her blir det viktig å integrere både lagringsenheten og varmepumpen i det totale energisystemet, og i CruiZE anvendes dynamisk modellering for å finne den beste måten å gjøre dette på.

Har du lyst til å være med på vårt cruise mot nullutslipp, er du hjertelig velkommen om bord!