Space demand of a hydrogen fuel cell powered propulsion system in a passenger cruise ship
Saloniemi, Veli-Matti (2022)
Diplomityö
Saloniemi, Veli-Matti
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022040426949
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022040426949
Tiivistelmä
The aim of this thesis is to gather relevant practices for quantifying the space usage of a hydrogen fuel cell powered prime mover system to a passenger cruise ship. Study focuses on a reference ship where the energy demand is known. In the theoretical part of the study the suitability of different technologies – fuel cell types and hydrogen storage solutions – is discussed. In addition, the demands of space usage are determined from the perspective of the current practices in cruise ships today, taking into account the safety issues and the limits of classification agencies. Pre-determined scope of power demand for the prime mover is used in order to calculate the needed space and dimensions for the system. Calculations for different setups of storage solutions are presented in the results as well as the overall feasibility of the current state of technologies.
Data set containing minute-to-minute data on vessel speed, power generation and power production was assessed in order to calculate the required tank size for the actual power demand of the ship. Generator size was assessed using the weight and size data of the commercially available fuel cells.
PEMFC’s combined with liquid hydrogen were chosen as potential technologies to replace the conventional power system of the reference ship. Replacing the conventional prime mover system with a PEMFC was found to be feasible. The actual space required for the liquid hydrogen was identified. Nonetheless the liquid hydrogen tank was found to surpass the limitations set for the storage tank when three different voyages of the reference ship were inspected. Maisterintyön tavoitteena on koota käytäntöjä, joilla voidaan arvioida vetypolttokennoihin perustuvan käyttövoimajärjestelmän tilantarvetta, kun laivan tehontarve tiedetään. Tutkimuksen teoreettisessa osassa käsitellään eri teknologioiden – polttokennotyyppien ja vedyn varastointiratkaisujen – soveltuvuutta. Tämän lisäksi tilan tarvetta arvioidaan verraten risteilyalusten nykyisiin käytäntöihin tilan käytössä. Tilan käyttöä arvioidaan myös turvallisuuden ja luokituslaitosten määräysten näkökulmasta. Järjestelmän vaatima tila lasketaan ennalta määrätyn tehontarpeen ja laivan kokoluokan perusteella. Tuloksissa esitetään varastointiratkaisuihin sidotut laskelmat tilan tarpeelle, sekä arvioidaan tekniikoiden nykytilaa.
Vetysäiliön koon laskemiseen käytettiin minuutin tarkkuudella kirjattua datasettiä, joka sisältää jatkuvaa tietoa laivan sähkönkulutuksesta ja nopeudesta. Generaattorin kokoa arvioitiin kaupallisesti saatavilla olevien PEM-polttokennojen paino- ja kokotietojen perusteella.
Vertailussa olleista vaihtoehdoista PEM-polttokennot ja nestemäinen vety katsottiin sopiviksi teknologioiksi referenssilaivan tavanomaisen tehojärjestelmän korvaamiseksi. Tavanomaisen generaattorin korvaaminen PEM-polttokennolla osoittautui toteutuskelpoiseksi ratkaisuksi tilankäytön näkökulmasta. Nestemäisen vedyn vaatima tilantarve selvitettiin. Nestemäisen vedyn säiliön havaittiin ylittävän sille asetetut tilankäytön rajat, kun kolmea eri laivamatkaa tarkasteltiin.
Data set containing minute-to-minute data on vessel speed, power generation and power production was assessed in order to calculate the required tank size for the actual power demand of the ship. Generator size was assessed using the weight and size data of the commercially available fuel cells.
PEMFC’s combined with liquid hydrogen were chosen as potential technologies to replace the conventional power system of the reference ship. Replacing the conventional prime mover system with a PEMFC was found to be feasible. The actual space required for the liquid hydrogen was identified. Nonetheless the liquid hydrogen tank was found to surpass the limitations set for the storage tank when three different voyages of the reference ship were inspected.
Vetysäiliön koon laskemiseen käytettiin minuutin tarkkuudella kirjattua datasettiä, joka sisältää jatkuvaa tietoa laivan sähkönkulutuksesta ja nopeudesta. Generaattorin kokoa arvioitiin kaupallisesti saatavilla olevien PEM-polttokennojen paino- ja kokotietojen perusteella.
Vertailussa olleista vaihtoehdoista PEM-polttokennot ja nestemäinen vety katsottiin sopiviksi teknologioiksi referenssilaivan tavanomaisen tehojärjestelmän korvaamiseksi. Tavanomaisen generaattorin korvaaminen PEM-polttokennolla osoittautui toteutuskelpoiseksi ratkaisuksi tilankäytön näkökulmasta. Nestemäisen vedyn vaatima tilantarve selvitettiin. Nestemäisen vedyn säiliön havaittiin ylittävän sille asetetut tilankäytön rajat, kun kolmea eri laivamatkaa tarkasteltiin.