Tεχνικοοικονομική αξιολόγηση διαφόρων ενεργειακών συστημάτων πλοίων μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου

Abstract

Όπως γνωρίζουμε, τα πλοία μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου από το 1960 έως σήμερα αποτελούν μια αξιόπιστη λύση για τη μεταφορά του φυσικού αερίου σε περιοχές που δεν συνδέονται με δίκτυο αγωγών με τις χώρες παραγωγής του. Με την πάροδο τόσων ετών και τη συνεχή εξέλιξη της έρευνας και της τεχνολογίας στη ναυπηγική βιομηχανία, έγιναν πολλές βελτιώσεις στη σχεδίαση και στην κατασκευή των δεξαμενών φορτίου, ώστε να εξασφαλιστεί η μικρότερη δυνατή εξάτμιση του υγροποιημένου αερίου. Πολλές νέες σχεδιάσεις υιοθετήθηκαν από τον ναυτιλιακό χώρο και οδήγησαν στην ασφαλέστερη και αποδοτικότερη μεταφορά του φυσικού αερίου. Όσον αφορά όμως το σύστημα πρόωσης, δεν παρατηρήθηκε ανάλογη εξέλιξη. Ο ατμοστρόβιλος θεωρείται μια αρκετά αξιόπιστη και δοκιμασμένη λύση για την πρόωση αυτού του τύπου πλοίων καθώς και για τη διαχείριση των ατμών του φορτίου. Τα κατά καιρούς προτεινόμενα εναλλακτικά μέσα πρόωσης απορρίφθηκαν από το ναυτιλιακό χώρο, διότι είτε κρίθηκε ότι δεν μπορούσαν να εξασφαλίσουν την ίδια αξιοπιστία με τον ατμοστρόβιλο είτε ήταν οικονομικά ασύμφορη η εφαρμογή τους με βάση τις υπάρχουσες συνθήκες της αγοράς. Ο χαμηλός βαθμός απόδοσης του ατμοστροβίλου και η συνεπαγόμενη υψηλή κατανάλωση καυσίμου συνιστούν ένα από τα κύρια μειονεκτήματά του. Επίσης οι αυξημένοι ρύποι από την καύση αργού πετρελαίου, που δεν συμβαδίζουν με τους κανονισμούς της MARPOL, σε συνδυασμό με την αυξανόμενη ζήτηση του φυσικού αερίου η οποία μπορεί να οδηγήσει σε βραχυπρόθεσμα συμβόλαια ή ακόμα και στη στιγμιαία ναυλαγορά, συνιστούν εξελίξεις και στον τομέα της πρόωσης. Όλα τα παραπάνω οδηγούν στην ανάγκη για εύρεση ενός συστήματος πρόωσης αποδοτικότερου και πιο ευέλικτου, στις διάφορες συνθήκες της αγοράς, από αυτό του ατμοστροβίλου, που να εξασφαλίζει ασφαλή και γρήγορη μεταφορά του φυσικού αερίου με όσο το δυνατό χαμηλότερο κόστος λειτουργίας και μειωμένες εκπομπές ρύπων. Επίσης το σύστημα θα πρέπει να διαχειρίζεται τους ατμούς του φορτίου έτσι, ώστε να εξασφαλίζει το μεγαλύτερο δυνατό όφελος για τον ιδιοκτήτη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να διερευνήσει πιθανές εναλλακτικές λύσεις για την πρόωση των πλοίων αυτού του τύπου και να τις αξιολογήσει παρουσιάζοντας τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε μιας. Στη συνέχεια γίνεται μια προσπάθεια να μελετηθούν όσο το δυνατόν αναλυτικότερα μερικά από τα επικρατέστερα συστήματα πρόωσης έτσι, ώστε να προκύψουν κάποια χρήσιμα συμπεράσματα σε σχέση με το αν είναι πράγματι εφικτή και συμφέρουσα η εγκατάσταση ενός τέτοιου συστήματος αντί του ατμοστροβίλου.

LNG carriers have been used to transport liquefied natural gas overseas on a commercial basis since the late 1960s. Over the years, there have been many improvements in the designs, but the main propulsion system is still the same. In all other sectors of commercial shipping, the steam turbine has been replaced by much more efficient Diesel engines, but LNG carriers stick with steam turbines. The main reason for this is the steam turbine propulsion system's unique capability to running on two cheap fuels simultaneously: Heavy Fuel Oil and Boil-off Gas. This feat, combined with a very high reliability, ensured the survival of the steam turbine. The main drawback of the traditional steam turbine plant is its low thermal efficiency, and hence high fuel consumption. Also the lack of alternative usage for the boil-off gas has led to thinking that the boil-off gas is free. Alternative methods of utilising boil-off gas have forced changes in this thinking. Furthermore the natural boil-off quantity is decreasing in modern LNG carriers owing to advances in tank insulation technology and design. As a result, the natural boil-off is far from sufficient to fuel the propulsion power needed for the relatively high ship operating speeds. Therefore forced boil-off gas or heavy fuel oil is needed to top up the fuel demand of the boilers, both of which increase operating costs. On a laden voyage typically around 50 % of the energy requirement comes from heavy fuel, and up to 80 % during ballast voyage. Environmental aspects also need to be considered. The high fuel consumption of a steam turbine plant leads directly to high CO2 emissions which will become an increasing liability in the future. Although NOx emissions of traditional LNG carriers are very low owing to the combustion characteristics of boilers, their SOx emissions are considerable because of the heavy fuel used to top up the energy requirement. Among the other arguments often heard against steam plant are an increasing lack of competent steam engineers, poor manoeuvring characteristics, and limited propulsion redundancy. Furthermore short-term contracts and even spot cargoes are becoming more common today owing to the increasing LNG demand and supply. Some LNG carriers have even been ordered without any shipment contract or route, which was previously unheard of in the LNG business. Thus ship operators are bound to look for newbuildings with more operational flexibility and efficiency to adapt to varying contractual situations. This primarily calls for a flexible and efficient propulsion plant able to accommodate different ship speeds and alternative operating profiles. Already there have been inquiries about ships that would normally operate at about 15 knots, but have to be capable of doing 19 knots on spot cargo trades. These occasions in recent years stimulated the development of new techniques, represented by the boil-off-gas (BOG) reliquefaction plant, the dual fuel Diesel engine and the marine gas turbine, which have been put into practical use in quick succession. In 2002, Chantiers de l'Atlantique in France received the first order from Gaz de France for a 74,000 cubic meter Diesel-electric driven LNG carrier, which was the first non steam turbine propelled LNG vessel in recent years1. The decision to select Diesel engine instead of the conventional steam turbine indicated that there are owners and/or charterers in the LNG shipping community who are willing to try new technology, which increases thermal efficiency of the propulsion plant. Due to the small size of the LNG carrier ordered at Chantiers de l'Atlantique, its power requirements are too low to lend itself for gas turbine drive. However, larger vessels with propulsion power requirements between 24 and 30 MW, are ideally suited for the use of aero-derivative gas turbines. The other possible candidates for the replacement of the traditional steam plant, such as slow speed Diesel with reliquefaction plant, slow speed gas-HFO Diesel engines, medium speed dual-fuel Diesel engines upgraded to burn HFO and other hybrid systems among the already proposed solutions are also attractive and promising alternatives. The strong intention to improve transportation costs by introduction of the enlargement of cargo tank capacity and alternative propulsion systems stimulated many new LNG carrier projects with propulsion system other than the steam turbine, which have been ordered since 2004. The propulsion plant that was selected in each case was either twin slow speed Diesel with reliquefaction plant or medium speed dual-fuel Diesel electric. Whatever propulsion plant is chosen, there has to be some way of handling the boil-off gas either by utilising it as fuel, or reliquefying it. The selection depends on the result of a feasibility study taking into account not only the operating profile of the ship but also oil price trends2 and the availability of bunkers of the correct grade in the vicinity. The challenge to shipowners for the selection of the optimum propulsion plant will increase as vessels are required to have, or be prepared for, emission control equipment. The purpose of this diploma thesis is to evaluate the possible alternative propulsion systems for LNG carriers presenting the advantages and disadvantages of each one. Furthermore there is an effort to perform a detailed evaluation, of techno-economic aspect, on some of the most viable solutions according to the present technological development and the current market requirements. This study was based on a selected LNG carrier size and has taken into account the main technical elements (such as the configuration of the prime mover, the type of fuel used, the boil off gas handling, the transmission system, the propulsion power requirement, the electrical power coverage, the propulsion unit to be installed, etc.) and economic elements (such as the investment cost, the operating profile, the operating cost, economic factors: price of liquid fuel and LNG, etc.) that should be considered when attempting to evaluate propulsion alternatives different to the typical steam propulsion plant.