Μελέτη σκοπιμότητας για τη χρήση κυψελών καυσίμου σε ναυτικές εφαρμογές. Μελέτη περίπτωσης ενός επιβατηγού/οχηματαγωγού πλοίου

Τιμολέων, Ευάγγελος; Timoleon, Evangelos

dc.contributor.author	Τιμολέων, Ευάγγελος
dc.contributor.author	Timoleon, Evangelos
dc.date.accessioned	2019-12-02T10:53:46Z
dc.date.available	2019-12-02T10:53:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49513
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17211
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Κυψέλες καυσίμου	el
dc.subject	Μελέτη σκοπιμότητας	el
dc.subject	Οικονομία υδρογόνου	el
dc.subject	Υβριδικό σύστημα	el
dc.subject	Πλοίο αναφοράς	el
dc.subject	Εκτίμηση κόστους κύκλου ζωής	el
dc.subject	Fuel cells	en
dc.subject	Feasibility study	en
dc.subject	Hydrogen economy	el
dc.subject	Hybrid system	el
dc.subject	Target ship	el
dc.subject	Life cycle cost	el
dc.title	Μελέτη σκοπιμότητας για τη χρήση κυψελών καυσίμου σε ναυτικές εφαρμογές. Μελέτη περίπτωσης ενός επιβατηγού/οχηματαγωγού πλοίου	el
dc.title	Exploring fuel cell potential for marine power plants. Economic feasibility study for a Ro/Pax vessel	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Θαλάσσιες μεταφορές	el
heal.classification	Οικονομική μελέτη	el
heal.classification	Μελέτη πλοίου	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-09-23
heal.abstract	Θεμέλιος στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η διείσδυση στον κόσμο των κυψελών καυσίμου και του υδρογόνου και η έρευνα της οικονομικής τους δυναμικής στον τομέα των θαλασσίων μεταφορών. Αρχικά, στο 1ο κεφάλαιο , παρουσιάζεται μια επισκόπηση των περιβαλλοντικών ζητημάτων που αφορούν τον ναυτιλιακό τομέα. Συγκεκριμένα, επιδεικνύεται πως οι συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες για μεταφορά προϊόντων χάραξαν μια ρυπογόνα εξέλιξη στον τομέα των θαλασσίων μεταφορών με πρωτοφανή νούμερα τόσο σε εκπομπές ρύπων όσο και σε αερίων του θερμοκηπίου. Αυτή η δυσμενής για το περιβάλλον και την ανθρώπινη ζωή πρακτική, οδήγησε τη ναυτιλία σε ηθικά διλήμματα και περιβαλλοντικά αδιέξοδα. Αποτελεί ακριβώς εκείνη την ανάγκη η οποία επιτάσσει την θεμελίωση μιας περιβαλλοντικά φιλικής πολιτικής στον τομέα των μεταφορών, μιας ανάγκης που επρόκειτο να αναζωπυρώσει ιδέες, όπως η έννοια της βιώσιμης ανάπτυξης, οι οποίες προτείνουν την ανάδυση στον τεχνολογικό ορίζοντα νέων – φιλικών προς το περιβάλλον – τεχνολογιών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή και για την πρόωση των πλοίων. Tεχνολογιών οι οποίες δύναται να φέρουν μια πραγματική επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο ο κόσμος εξελίσσεται και προοδεύει. Έχοντας κατανοήσει της κοινωνικές επιταγές αλλά και τις νομοθετικές προσταγές για την ανάπτυξη μιας περιβαλλοντικά φιλικής πολιτικής στον τομέα των μεταφορών , το 2ο κεφάλαιο παρουσιάζει τις βασικές αρχές των κυψελών καυσίμου; μιας τεχνολογίας με δυνατότητες για απόδοση που ξεπερνούν το κατώφλι της αρχής του Carnot και με μηδαμινούς ρύπους. Αρχικά, επιχειρείται μια σύντομη ιστορική αναδρομή στον κόσμο των κυψελών καυσίμου ενώ παράλληλα αναφέρονται κάποια βασικά στοιχεία της βιομηχανίας του. Ακολούθως, παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές αρχές οι οποίες διέπουν τη λειτουργία τους, ενώ ταυτοποιούνται οι κύριοι τύποι αυτής της καινοτόμας τεχνολογίας. Στη συνέχεια, στο 3ο κεφάλαιο επιβιβαζόμαστε στα κυριότερα πλοία - εκπροσώπους της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου και του υδρογόνου στο παγκόσμιο ναυτιλιακό στερέωμα. Πραγματοποιώντας μια σύντομη περιδιάβαση, αναγνωρίζεται το επίπεδο ωριμότητας της τεχνολογίας, οι δυνατότητες ορθής και ασφαλούς εφαρμοσιμότητάς της σε εμπορικά πλοία, εντοπίζεται η ενεργειακή και οικονομική της αποδοτικότητα ενώ αναδύονται τα συνολικά της ευεργετήματα – πλεονεκτήματα αλλά και οι αδυναμίες -μελανά σημεία. Ωστόσο, καμία τεχνολογία δεν μπορεί να εφαρμοστεί στην πράξη εάν δεν διασφαλίζεται η ομαλή της λειτουργία από κατάλληλο νομοθετικό πλαίσιο. Για το λόγο αυτό, στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια συλλογή στοιχείων – μια βιβλιοθήκη με οδηγίες από συνομοσπονδίες Νηογνωμόνων και νομοθετήματα από παγκόσμιους φορείς (Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός & Διεθνής Οργανισμός Τυποποίησης) – με στόχο την διαπίστωση της εφαρμοσιμότητας της συνέργειας των κυψελών καυσίμου τροφοδοτούμενων με υδρογόνο. Μέσω από αυτήν την περιπλάνηση, εντοπίζονται νομοθετικά κενά και προτείνονται λύσεις για την γεφύρωση των νομικών χασμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο. Ακολούθως, στο 5ο κεφάλαιο πραγματοποιούμε ένα καινούργιο γνωσιακό ταξίδι με προορισμό τον κόσμο του υδρογόνου. Για το λόγο αυτό, μεταβαίνουμε σε όλα τα μήκη και τα πλάτη της Γης ώστε να αναγνωρίσουμε έργα-σταθμούς στην ανάπτυξη της οικονομίας του υδρογόνου; μιας οικονομίας που για πολλούς επιστημονικούς αναλυτές αποτελεί, σε χρονικό ορίζοντα 30 ετών, τη χρυσή τομή για την επίτευξη μιας βιώσιμής ανάπτυξης και την απανθράκωση του τομέα των μεταφορών. Στον πλου αυτόν, πληροφορούμαστε για τις μεθόδους παραγωγής υδρογόνου, τους δυνατούς τρόπους αποθήκευσης και συντήρησής του στα πλοία ενώ μέσω της παρουσίασης συνοπτικών τεχνικοοικονομικών αλλά και περιβαλλοντικών επιχειρημάτων απορρίπτονται οι περισσότερο αδύναμες ενώ προκρίνονται οι ισχυρότερες εναλλακτικές. Παράλληλα, για την σφαιρική και πολύπλευρη τριβή του αναγνώστη με το αντικείμενο, εντοπίζονται τα κυριότερα θέματα ασφαλείας που προκύπτουν από τη λειτουργία με καύσιμο υδρογόνου, ενώ προτείνονται λύσεις μέσω της προσομοιώσής τους με εφάμιλλα που έχουν ήδη καταπιαστεί ερευνητικά: όπως αυτά που αφορούν τον δεξαμενισμό και ανεφοδιασμό πλοίων με υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG). Κλείνοντας αυτό το κεφάλαιο, για να ολοκληρώσουμε το γνωσιακό μας πλαίσιο, εισχωρούμε στον κόσμο της οικονομίας των κυψελών καυσίμου; μιας οικονομίας η οποία έχει όλα τα χαρακτηριστικά της οικονομίας κλίμακας. Μέσω καταλόγων κατασκευαστών ενημερωνόμαστε για τις τρέχουσες τάσεις της αγοράς των κυψελών καυσίμου, εντοπίζουμε τρέχοντα και μελλοντικά χαρακτηριστικά τους γνωρίσματα και καταλήγουμε στους κυριότερους εκπροσώπους της (Κυψέλη Καυσίμου Πολυμερισμένης Μεμβράνης – PEMFC, Τηγμένων Ανθρακικών Αλάτων – MCFC και Σταθεροποιημένων Οξειδίων – SOFC). Έχοντας στο γνωσιακό μας οπλοστάσιο όλη την απαραίτητη γνώση, είμαστε πλέον έτοιμοι για την κατασκευή του ερευνητικού μας έργου - μιας μελέτης σκοπιμότητας προσανατολισμένη στην οικονομική και περιβαλλοντική αξιολόγηση τεχνολογιών κυψελών καυσίμου εφαρμοσμένα σε ένα πλοίο-αντιπρόσωπο της ελληνικής ακτοπλοΐας. Ως πρώτος σταθμός αυτής της ανάλυσης, ορίζεται η ηλεκτρική ενεργειακή μελέτη ενός πλοίου αναφοράς; του Blue Star Paros. Έτσι, στο 6ο κεφάλαιο, αφού καθορίζεται ένα προφίλ λειτουργίας του πλοίου - για ένα δεδομένο κυκλικό ταξίδι - , πραγματοποιούνται όλοι οι απαραίτητοι ενεργειακοί υπολογισμοί με σκοπό την αναγνώριση των απαιτήσεων ισχύος και ενέργειας οι οποίες θα πρέπει να καλυφθούν από τις πιθανές προτεινόμενες τοπολογίες των κυψελών καυσίμου. Παράλληλα αναγνωρίζονται οι οικονομικές δαπάνες και ο περιβαλλοντικός αντίκτυπος από την λειτουργία της συμβατικής ηλεκτρολογικής εγκατάστασης των 3 ντιζελογεννητριών του πλοίου. Τέλος, στο 7ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η σπονδυλωτή μορφή της ενεργειακής μελέτης. Αρχικά με κατάλληλη επιχειρηματολογία και εν συνεχεία μέσω αριθμητικών υπολογισμών εντοπίζονται τα περισσότερο ευοίωνα σενάρια εφαρμογής τεχνολογίας κυψελών καυσίμου με υδρογόνο ή υγροποιημένο φυσικό αέριο στην ελληνική ναυτιλία. Παράλληλα, προσδιορίζονται οι λειτουργικές δυσκολίες που παρουσιάζει το άκρως στοχαστικό περιβάλλον της θάλασσας, οι οποίες οδηγούν στην ανάγκη για συνέργεια της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου με κάποιο εφεδρικό σύστημα ενέργειας, ικανό να ανθίσταται στις εναλλασσόμενες και απότομες ενεργειακές μεταβολές που συνοδεύουν τη λειτουργία του πλοίου (οι οποίες κυριαρχούν κατά τις φάσεις των ελιγμών). Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου φαίνεται να αποτελούν μια εφικτή λύση. Μέσω κύκλων φόρτισης-αποφόρτισης καθορίζεται ένα συγκεκριμένο προφίλ λειτουργίας της μπαταρίας, και ορίζεται η απαιτούμενη χωρητικότητά της. Η τεχνολογία των κυψελών καυσίμου συνοδευόμενη με την λειτουργική ασφάλεια που παρέχει η μπαταρία, κατά τα μεταβατικά φαινόμενα, δημιουργούν μια συνδυαστική δράση ικανή να καλύψει πλήρως τις ενεργειακές απαιτήσεις του πλοίου. Μαζί, συνθέτουν ένα τυπικό υβριδικό σύστημα για την κάλυψη των ηλεκτρολογικών αναγκών του Blue Star Paros. Στη συνέχεια, και εφαρμόζοντας την κατοχυρωμένη γνώση από τα προηγούμενα κεφάλαια, μοντελοποιούνται τα τρία εναλλακτικά σενάρια εφαρμογής των κυψελών καυσίμου: 1) LH2 – PEMFC, 2) LNG – MCFC, 3) LNG – SOFC. Αφού προσδιοριστούν οι παράμετροι κάθε προτεινόμενης τοπολογίας, εκκινεί η οικονομική ανάλυσή τους. Για τον σκοπό αυτό, εφαρμόζεται η οικονομική μεθοδολογία της εκτίμησης του κόστους κύκλου ζωής τόσο για τα προτεινόμενες διατάξεις όσο και για την τρέχουσα – συμβατική. Ακολούθως, πραγματοποιείται σύγκριση και σχολιασμός των προκυπτόντων αποτελεσμάτων κάθε σεναρίου. Έπειτα, για την μελέτη της μελλοντικής δυναμικής των κυψελών καυσίμου, διενεργείται ανάλυση ευαισθησίας έχοντας ως παραμέτρους τα κυριότερα χαρακτηριστικά γνωρίσματα κάθε σεναρίου. Καταληκτικά, προσανατολιζόμενοι στην οπτική μελλοντικών επενδυτών, αναγνωρίζεται το επίπεδο ανταγωνιστικότητας των προτεινόμενων συστημάτων συγκριτικά με το συμβατικό ανάλογο, ενώ προσδιορίζονται οι συνθήκες κάτω από τις οποίες οι τεχνολογίες κυψελών καυσίμου υπερέχουν σε οικονομικούς όρους.	el
heal.abstract	The fundamental purpose of this dimploma thesis encompasses the world of fuel cells and hydrogen, as well as, research in their economic potential in the field of marine transport. The first chapter covers an overview of environmental issues concerning the field of marine industry, specifically illustrating that the continuous increasing needs to transport products have opened a polluted progression in the field of marine transport with unprecedented figures in pollutants and green house gases being unfavorable for both the environment and human life. This practice has propelled the shipping industry to moral dilemmas and environmental deadends. It consists of the need to dictate the foundation of an eco-friendly policy in transportation sector; a need which might ignite ideas such as that of a sustainable development which suggests the emergence of a technological horizon comprised of new friendly- to-the-environment breakthroughs for the production of electric energy and the propulsion of ships. Technology which has the potential to bring a tremendous revolution in world progress. Having understood the social demands and legal regulations for the development of an eco-friendly policy in the field of marine transport, chapter 2 introduces the main principals of fuel cells; a technological breakthrough with a potential in efficiency that exceeds the threshold of Carnot while minimalizing emissions. Endeavoring into a brief historical retrospect of fuel cells and exploring the basic elements of their industry, we comprehend the current level of their technological maturity. Whereupon, this chapter introduces briefly the main principles of the operation of this pioneering technology and also identifies its major types. In the third chapter we encounter major ships-representatives of fuel cell technology to the global marine foundation. Delving into the level of maturity in technology, the ability of righteous and safe applicability in commercial ships there is detection in their energy and economic efficiency emerging the complete advantages and disadvantages of fuel cell technology. However, no technology can be applied in practice if its operation cannot be assured in a legal framework. For this reason, in chapter 4, a collection of data is introduced – a “library” filled with instructions – rules from the classification societies and regulations from global bodies (International Maritime Organization – IMO and International Organization for Standardization – ISO) – with the goal to ascertain the application of the hydrogen fuel VIII cells on board. Through this we detect legal gaps and suggest solutions for their bridging on a global level. Chapter five endeavours a journey in knowledge to the land of hydrogen. Travelling across all the corners of the globe to recognize landmarks in hydrogen economy; an economy which for many scientific analysts will bring, in a span of thirty years, the golden solution for the achievement of a sustainable development and decarbonization of the transport sector. At the same time, insight is gained about the methods of hydrogen production and the possible ways of storage and conditioning on vessels through the presentation of technoeconomical and environmental arguments, rejecting the weaknesses while qualifying the strongest alternatives. Simultaneously, for the global knowledge of the reader with the subject, the main issues of safety which arise from the usage of hydrogen as a marine fuel are detected, and solutions are suggested through their simulation with equivalent topics that arise from the usage of LNG as valuable information can be derived from related studies (especially concerning bunkering and infrastructure matters). Concluding, the world of fuel cell economy arises, an economy which has all the characteristics of an Economy of Scale. Through manufacture catalogues are informed about current trends of the market of in fuel cells, where we detect current and future distinctive features, recognize their commercial status to finally identify the primary representatives of this technology (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC, Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC and Solid Oxide Fuel Cell – SOFC). Having acquired all this essential information, it is evident that we are ready for the realization of our research – a feasibility study, which is oriented in the economic and environmental evaluation of fuel cell technologies when applied on one of the ships of the Greek fleet. The first phase of this research is defined in an electric energy analysis of a target ship, the Blue Star Paros. So in the sixth chapter, since the profile of the ship in its operation is determined – for a specific round trip – all the energy calculations are carried out for the purpose of detecting the demands in power and energy which have to be covered by the proposed fuel cell topologies. Furthermore, the economic expenses and environmental impact is estimated from the operation of the pre-installed conventional configuration consisting of three diesel generators that united they form the electrical generation plant of the Blue Star Paros. In the seventh chapter, the modularity of the energy analysis is introduced. Firstly, with the proper usage of argumentation and in continuation through numerical calculations the most promising scenarios of fuel cell applications powered with hydrogen or LNG are being developed for the purposes of our target ship. Furthermore, functional difficulties, found in IX the stochastic sea habitat, lead to the need of a synergy between fuel cell technology with an energy storage system, are detected and addressed. This combination is capable of withstanding the alternating and steep energy variations (which are dominant during maneuvering phases) that accompany the operation of a ship. Lithium-Ion Batteries (LIBs) seem to consist a plausible and effective solution. Through charging and discharging cycles, a specific profile of operation is defined for the usage of our LIB installation for the dimensioning of its capacity. The established fuel cell technology along with the provided security that derives from the operation of the battery packs (especially during transient phenomena) create a combination of reactors which can offer an effective coverage of the complete electric energy demands of the target ship.Together, they form a typical hybrid system gathering and exploιting the merits of its components. In continuation, applying established knowledge from the previous chapters, there is a modeling if three alternative scenarios of fuel cell installations: 1) LH2 – PEMFC , 2) LNG – MCFC, 3) LNG –SOFC. After specifying the parameters of each proposed topology, economic analysis is launched. For this purpose, a Life Cycle Cost Analysis is conducted for each scenario and the pre-existing installation. Subsequently, there is a comparison and comments about the calculated results. Furthermore, for the research in the potential of fuel cells to power future on-board applications, there is a sensitivity analysis having as parameters the main characteristics of each scenario. Concluding, from the perspective of future investors, the level of competition of the proposed scenarios is recognized and compared with their conventional analog, while conditions are defined in which the technology of fuel cells prevails in economic terms.	en
heal.advisorName	Λυρίδης, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Τόλης, Αθανάσιος
heal.committeeMemberName	Προυσαλίδης, Ιωάννης
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	328 σ.
heal.fullTextAvailability	false