Liquefied natural gas and its regasification as a part of a cruise ship’s energy balance
Hämäläinen, Arttu (2019)
Diplomityö
Hämäläinen, Arttu
2019
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019120345475
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019120345475
Tiivistelmä
As the mitigation of climate change becomes increasingly important, global energy production calls for generation methods that cause less greenhouse gas emissions. For many applications biomass combustion, or wind or solar power are great solutions, but not for transport. In the transport sector high energy density and continuity are important demands, that some fuels or power sources can’t meet.
Liquefied Natural Gas LNG is a fuel becoming more and more common in mobile applications. When combusted, it generates 30 % less carbon dioxide emissions than other fossil fuels and containing no sulphur. LNG itself is not combustible and it must be regasified back to natural gas by adding heat. In this process the LNG bounds 800 kJ/kg of heat, so it could be used as a heat sink for many processes.
This ”LNG cold” is already being utilized on larger scale sites such as LNG terminals, but hasn’t yet become common on smaller scales. In this master’s thesis, the applicability of some technologies utilizing the LNG regasification stage is analyzed on a cruise ship – Here the scale is smaller, and the maritime environment presents challenges that are not present on land applications. The technologies discussed are direct cooling, power generation with direct expansion and an ORC-system where the LNG evaporator doubles as the condenser, and freshwater generation with a freeze desalination system. The calculations are based on measurements conducted on an actual cruise vessel during a study of energy efficiency. This way the calculations are directly connected to a real-world scenario. The example vessel’s fuel gas flow defines the availability of the heat sink that is the basis of the calculations throughout this thesis. Based on the results obtained, LNG regasification utilization seems like an attractive investment especially for cooling, where it would supplement existing refrigeration cycles. However, none of the discussed systems can replace existing solutions entirely. Ilmastonmuutoksen hillinnän kasvattessa edelleen merkitystään energiantuotannossa on kasvava tarve siirtyä vähemmän kasvihuonekaasupäästöjä aiheuttaviin energianlähteisiin. Monissa sovelluksissa tuuli- ja aurinkovoima tai biomassa ovat kasvavissa määrin hyviä ratkaisuja, mutta liikenne ja kuljetus eivät kuulu näihin. Näissä korkea energiasisältö sekä tuotannon yhtäjaksoisuus ovat tärkeitä vaatimuksia, joita osa polttoaineista ja energianlähteistä ei pysty täyttämään.
Nesteytetty maakaasu LNG on yleistyvä polttoaine etenkin liikkuvuutta vaativissa sovelluksissa. Palaessaan maakaasu synnyttää noin 30 % vähemmän hiilidioksidipäästöjä kuin muut fossiiliset polttoaineet, eikä se sisällä ollenkaan rikkiä. Itsessään se ei kuitenkaan ole syttyvää, vaan ennen käyttöä se on höyrystettävä takaisin maakaasuksi lisäämällä siihen lämpöenergiaa. Tässä prosessissa kaasu sitoo noin 800 kJ/kg lämpöä, joten sitä voitaisiin käyttää lämpönieluna monille eri prosesseille.
LNG:n kylmää hyödynnetään jo suuremman mittakaavan laitoksissa kuten LNG-terminaaleissa mutta pienemmässä mittakaavassa teknologia ei ole yleistynyt. Tässä diplomityössä arvioidaan erilaisten LNG:n faasimuutosta hyödyntävien teknologioiden soveltuvuutta risteilyalukselle, jossa mittakaava on pieni ja meri luo toimintaympäristön, joka eroaa huomattavasti ”normaalista” maalla toimimisesta. Valitut teknologiat ovat kylmän suora hyödynnys jäähdytykseen, sähköntuotanto suorapaisunnalla sekä ORC-prosessilla jossa LNG-lämmönvaihdin toimii myös lauhduttimena, sekä makean veden tuotanto merivedestä jäädyttämällä. Työssä suoritetun laskennan pohjana toimii risteilyalus, jolla on kerätty dataa energiatehokkuusmittauksia suoritettaessa. Näin laskenta saadaan kytkettyä suoraan reealimaailman tilanteeseen. Esimerkkialuksen polttoainevirtaus määrittää käytettävissä olevan LNG kylmän määrän, joka toimii mitoittavana parametrina läpi laskennan. Tulosten perusteella LNG:n höyrystämisen hyödyntäminen vaikuttaa hyvin potentiaaliselta ratkaisulta etenkin suorajäähdytykseen, missä järjestelmä osin korvaisi nykyiset kylmäkoneet. Mikään käsitellyistä järjestelmistä ei kuitenkaan kykene korvaamaan olemassaolevia ratkaisuja täysin.
Liquefied Natural Gas LNG is a fuel becoming more and more common in mobile applications. When combusted, it generates 30 % less carbon dioxide emissions than other fossil fuels and containing no sulphur. LNG itself is not combustible and it must be regasified back to natural gas by adding heat. In this process the LNG bounds 800 kJ/kg of heat, so it could be used as a heat sink for many processes.
This ”LNG cold” is already being utilized on larger scale sites such as LNG terminals, but hasn’t yet become common on smaller scales. In this master’s thesis, the applicability of some technologies utilizing the LNG regasification stage is analyzed on a cruise ship – Here the scale is smaller, and the maritime environment presents challenges that are not present on land applications. The technologies discussed are direct cooling, power generation with direct expansion and an ORC-system where the LNG evaporator doubles as the condenser, and freshwater generation with a freeze desalination system. The calculations are based on measurements conducted on an actual cruise vessel during a study of energy efficiency. This way the calculations are directly connected to a real-world scenario. The example vessel’s fuel gas flow defines the availability of the heat sink that is the basis of the calculations throughout this thesis. Based on the results obtained, LNG regasification utilization seems like an attractive investment especially for cooling, where it would supplement existing refrigeration cycles. However, none of the discussed systems can replace existing solutions entirely.
Nesteytetty maakaasu LNG on yleistyvä polttoaine etenkin liikkuvuutta vaativissa sovelluksissa. Palaessaan maakaasu synnyttää noin 30 % vähemmän hiilidioksidipäästöjä kuin muut fossiiliset polttoaineet, eikä se sisällä ollenkaan rikkiä. Itsessään se ei kuitenkaan ole syttyvää, vaan ennen käyttöä se on höyrystettävä takaisin maakaasuksi lisäämällä siihen lämpöenergiaa. Tässä prosessissa kaasu sitoo noin 800 kJ/kg lämpöä, joten sitä voitaisiin käyttää lämpönieluna monille eri prosesseille.
LNG:n kylmää hyödynnetään jo suuremman mittakaavan laitoksissa kuten LNG-terminaaleissa mutta pienemmässä mittakaavassa teknologia ei ole yleistynyt. Tässä diplomityössä arvioidaan erilaisten LNG:n faasimuutosta hyödyntävien teknologioiden soveltuvuutta risteilyalukselle, jossa mittakaava on pieni ja meri luo toimintaympäristön, joka eroaa huomattavasti ”normaalista” maalla toimimisesta. Valitut teknologiat ovat kylmän suora hyödynnys jäähdytykseen, sähköntuotanto suorapaisunnalla sekä ORC-prosessilla jossa LNG-lämmönvaihdin toimii myös lauhduttimena, sekä makean veden tuotanto merivedestä jäädyttämällä. Työssä suoritetun laskennan pohjana toimii risteilyalus, jolla on kerätty dataa energiatehokkuusmittauksia suoritettaessa. Näin laskenta saadaan kytkettyä suoraan reealimaailman tilanteeseen. Esimerkkialuksen polttoainevirtaus määrittää käytettävissä olevan LNG kylmän määrän, joka toimii mitoittavana parametrina läpi laskennan. Tulosten perusteella LNG:n höyrystämisen hyödyntäminen vaikuttaa hyvin potentiaaliselta ratkaisulta etenkin suorajäähdytykseen, missä järjestelmä osin korvaisi nykyiset kylmäkoneet. Mikään käsitellyistä järjestelmistä ei kuitenkaan kykene korvaamaan olemassaolevia ratkaisuja täysin.