Arrangement for recovering and utilizing the waste heat generated onboard a ship in district heating
Vuorinen, Otto (2021)
Vuorinen, Otto
2021
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202104014134
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-202104014134
Tiivistelmä
The objective of the present Master’s thesis was to study the feasibility of an idea behind a Finnish patent to utilize the waste heat generated onboard a ship by it’s engines and to use it in an onshore application to reduce the fuel consumption and the CO2 emissions of district heating in a port town. The thesis was set up to determine whether commercially adequate amount of heat could be extracted from the waste streams of a ships engines, stored onboard and used onshore. Further the thesis aimed to determine if such waste heat production would make commercial sense as a conventional project.
A quantitative research method was used to identify recoverable waste heat energy content and to calculate the commercial feasibility of utilizing it in an onshore application as a district heating energy source. One part of the study was to determine if it was achievable to heat the ballast mass adequately in a voyage time frame onboard the ships parting from the Finnish seaports. The analysis part of the thesis studied energy pricing, CO2 emissions and the commercial feasibility of the system. One part of the study was also to draft the system description and PI configuration for the proposed waste heat recovery system. At the beginning of the study a mass of 1000mt of water was chosen as the basic set up for the calculations. This was estimated to be adequate for energy storing and yet practical for the port logistics for the ferries with fast turnaround in the ports. The study indicates that the suitable waste heat streams are available from the cooling water and the exhaust gas. These streams allow the thermal medium to be heated to 98 °C. This temperature would put the waste heat in the valuable range for district heating.
The study was able to produce the answers to the research questions defined at the begining. The study indicates that there are engine configurations available that would allow extracting adequate amount of waste heat energy, i.e. 61.68 MWh of heat in way of 1000m3 of water at a 98 °C temperature during a ten hours sea voyage. This however is an academic estimation and does not reflect the technical features or operational profiles of the ships currently sailing from the Finnish seaports. Further the study indicates that even with less optimistic waste energy yields and moderate waste energy prices the system would be an economically feasible way of producing district heating energy from the waste heat generated at sea.
The conclusion based on the study is that the waste heat utilization system described in the patent could make a feasible way of producing district heating energy from the waste heat in port towns. It would be one of the technologies to use the waste heat sources in order to reduce the need for burning fuel for the district heating purposes. The largest gains would be achieved when the district heating needs are low and thus one ship could supply a large percentage of the daily consumption.
JÄRJESTELY LAIVALLA SYNTYVÄN HUKKALÄMMÖN TALTEENOTTAMISEKSI JA SEN KÄYTTÖ KAUKOLÄMMÖNTUOTANNOSSA
Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää suomalaisessa patentissa kuvatun järjestelmän toteuttamiskelpoisuutta. Patentin idea on käyttää laivalla sen koneista syntyvää hukkalämpöä maissa. Pyrkimyksenä on vähentää polttoaineen kulutusta ja CO2 päästöjä satamakaupungin kaukolämmöntuotannossa. Opinnäytetyön lähtökohtana oli selvittää, onko aluksen koneiden hukkalämmön lähteistä mahdollista saada kaupallisesti riittävä määrä lämpöenergiaa, säilyttää se aluksella ja purkaa maihin hyötykäyttöä varten. Lisäksi selvitettiin, onko kyseinen hukkalämmöntuotanto kaupallisesti järkevää perinteisenä projektina.
Tutkimusmenetelmänä käytettiin kvantitatiivista menetelmää hyödynnettävän hukkalämmön energiasisällön määrittämiseksi ja kaupallisen toteuttamiskelpoisuuden laskemiseksi. Osa tutkimusta oli selvittää, onko suomalaisesta satamasta lähtevällä laivalla mahdollista lämmittää vesimassaa riittävästi merimatkan aikana. Työn analyysiosassa tutkittiin energian hinnoittelua, CO2 päästöjä ja järjestelmän kaupallista toteuttamiskelpoisuutta. Osa työtä oli myös luonnostella järjestelmä kuvaus ja PI-kaavio esitetystä hukkalämmön hyödyntämisjärjestelmästä. Työn alussa valittiin laskennan lähtökohdaksi 1000 tonnia vettä. Tämän arvioitiin olevan riittävä energian varastoimiseen ja mahdollinen toteutettavaksi satamalogistiikan osalta lautta-aluksille, joiden kääntöaika satamissa on lyhyt. Tutkimus osoittaa, että laivalla on saatavilla soveltuvaa hukkalämpöä jäähdytysvedestä ja pakokaasuista. Näillä hukkalämmönlähteillä on välittäjäaine lämmitettävissä 98°C lämpötilaan. Tämä asettaa hukkalämmön arvokkaaseen luokkaan kaukolämmöntuotannossa.
Opinnäytetyössä onnistuttiin vastaamaan asetettuihin tutkimusongelmiin. Työ osoittaa, että on olemassa voimalaitoskonfiguraatioita, jotka mahdollistaisivat riittävän hukkalämmön tuoton, 61,68 MWh lämpöä sitoutuneena 1000m3 vettä 98°C lämpötilassa, kymmenen tunnin merimatkan aikana. Tämä on kuitenkin vain teoreettinen arvio, eikä suoraan viittaa minkään nykyisen Suomen satamiin purjehtivan aluksen teknisiin ominaisuuksiin tai operointiprofiiliin. Tutkimus osoittaa lisäksi, että jopa hieman alemmalla energian saannolla ja maltillisemmilla energian hinnoilla järjestelmä olisi kaupallisesti toteuttamiskelpoinen tapa tuottaa kaukolämpöenergiaa merellä syntyvästä hukkalämmöstä.
Opinnäytetyön johtopäätös on, että patentissa kuvattu hukkalämmönhyödyntämismenetelmä saattaisi olla toteuttamiskelpoinen tapa tuottaa kaukolämpöenergiaa hukkalämmöstä satamakaupungeissa. Se olisi yksi hukkalämpöä hyödyntävistä menetelmistä vähentää polttoon perustuvan kaukolämmöntuotannon tarvetta. Merkittävimmät hyödyt syntyisivät tilanteissa, joissa kaukolämmön tarve on pieni, tällöin yksi laivakin voisi tuottaa merkittävän osan päivittäisestä kaukolämpöenergian tarpeesta.
A quantitative research method was used to identify recoverable waste heat energy content and to calculate the commercial feasibility of utilizing it in an onshore application as a district heating energy source. One part of the study was to determine if it was achievable to heat the ballast mass adequately in a voyage time frame onboard the ships parting from the Finnish seaports. The analysis part of the thesis studied energy pricing, CO2 emissions and the commercial feasibility of the system. One part of the study was also to draft the system description and PI configuration for the proposed waste heat recovery system. At the beginning of the study a mass of 1000mt of water was chosen as the basic set up for the calculations. This was estimated to be adequate for energy storing and yet practical for the port logistics for the ferries with fast turnaround in the ports. The study indicates that the suitable waste heat streams are available from the cooling water and the exhaust gas. These streams allow the thermal medium to be heated to 98 °C. This temperature would put the waste heat in the valuable range for district heating.
The study was able to produce the answers to the research questions defined at the begining. The study indicates that there are engine configurations available that would allow extracting adequate amount of waste heat energy, i.e. 61.68 MWh of heat in way of 1000m3 of water at a 98 °C temperature during a ten hours sea voyage. This however is an academic estimation and does not reflect the technical features or operational profiles of the ships currently sailing from the Finnish seaports. Further the study indicates that even with less optimistic waste energy yields and moderate waste energy prices the system would be an economically feasible way of producing district heating energy from the waste heat generated at sea.
The conclusion based on the study is that the waste heat utilization system described in the patent could make a feasible way of producing district heating energy from the waste heat in port towns. It would be one of the technologies to use the waste heat sources in order to reduce the need for burning fuel for the district heating purposes. The largest gains would be achieved when the district heating needs are low and thus one ship could supply a large percentage of the daily consumption.
JÄRJESTELY LAIVALLA SYNTYVÄN HUKKALÄMMÖN TALTEENOTTAMISEKSI JA SEN KÄYTTÖ KAUKOLÄMMÖNTUOTANNOSSA
Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää suomalaisessa patentissa kuvatun järjestelmän toteuttamiskelpoisuutta. Patentin idea on käyttää laivalla sen koneista syntyvää hukkalämpöä maissa. Pyrkimyksenä on vähentää polttoaineen kulutusta ja CO2 päästöjä satamakaupungin kaukolämmöntuotannossa. Opinnäytetyön lähtökohtana oli selvittää, onko aluksen koneiden hukkalämmön lähteistä mahdollista saada kaupallisesti riittävä määrä lämpöenergiaa, säilyttää se aluksella ja purkaa maihin hyötykäyttöä varten. Lisäksi selvitettiin, onko kyseinen hukkalämmöntuotanto kaupallisesti järkevää perinteisenä projektina.
Tutkimusmenetelmänä käytettiin kvantitatiivista menetelmää hyödynnettävän hukkalämmön energiasisällön määrittämiseksi ja kaupallisen toteuttamiskelpoisuuden laskemiseksi. Osa tutkimusta oli selvittää, onko suomalaisesta satamasta lähtevällä laivalla mahdollista lämmittää vesimassaa riittävästi merimatkan aikana. Työn analyysiosassa tutkittiin energian hinnoittelua, CO2 päästöjä ja järjestelmän kaupallista toteuttamiskelpoisuutta. Osa työtä oli myös luonnostella järjestelmä kuvaus ja PI-kaavio esitetystä hukkalämmön hyödyntämisjärjestelmästä. Työn alussa valittiin laskennan lähtökohdaksi 1000 tonnia vettä. Tämän arvioitiin olevan riittävä energian varastoimiseen ja mahdollinen toteutettavaksi satamalogistiikan osalta lautta-aluksille, joiden kääntöaika satamissa on lyhyt. Tutkimus osoittaa, että laivalla on saatavilla soveltuvaa hukkalämpöä jäähdytysvedestä ja pakokaasuista. Näillä hukkalämmönlähteillä on välittäjäaine lämmitettävissä 98°C lämpötilaan. Tämä asettaa hukkalämmön arvokkaaseen luokkaan kaukolämmöntuotannossa.
Opinnäytetyössä onnistuttiin vastaamaan asetettuihin tutkimusongelmiin. Työ osoittaa, että on olemassa voimalaitoskonfiguraatioita, jotka mahdollistaisivat riittävän hukkalämmön tuoton, 61,68 MWh lämpöä sitoutuneena 1000m3 vettä 98°C lämpötilassa, kymmenen tunnin merimatkan aikana. Tämä on kuitenkin vain teoreettinen arvio, eikä suoraan viittaa minkään nykyisen Suomen satamiin purjehtivan aluksen teknisiin ominaisuuksiin tai operointiprofiiliin. Tutkimus osoittaa lisäksi, että jopa hieman alemmalla energian saannolla ja maltillisemmilla energian hinnoilla järjestelmä olisi kaupallisesti toteuttamiskelpoinen tapa tuottaa kaukolämpöenergiaa merellä syntyvästä hukkalämmöstä.
Opinnäytetyön johtopäätös on, että patentissa kuvattu hukkalämmönhyödyntämismenetelmä saattaisi olla toteuttamiskelpoinen tapa tuottaa kaukolämpöenergiaa hukkalämmöstä satamakaupungeissa. Se olisi yksi hukkalämpöä hyödyntävistä menetelmistä vähentää polttoon perustuvan kaukolämmöntuotannon tarvetta. Merkittävimmät hyödyt syntyisivät tilanteissa, joissa kaukolämmön tarve on pieni, tällöin yksi laivakin voisi tuottaa merkittävän osan päivittäisestä kaukolämpöenergian tarpeesta.