Techno-economic feasibility study of retrofitting a double-ended Ro-Pax vessel with hydrogen fuel cells

Παπουτσάκης, Αθανάσιος; Papoutsakis, Athanasios

dc.contributor.author	Παπουτσάκης, Αθανάσιος	el
dc.contributor.author	Papoutsakis, Athanasios	en
dc.date.accessioned	2025-03-06T11:43:32Z
dc.date.available	2025-03-06T11:43:32Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61221
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28917
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	Μετασκευή	el
dc.subject	Κυψέλες καυσίμου υδρογόνου	el
dc.subject	Πράσινο υδρογόνο	el
dc.subject	Υβριδικό σύστημα παραγωγής ενέργειας	el
dc.subject	Ανάλυση κόστους κύκλου ζωής	el
dc.subject	Retrofit	en
dc.subject	Hydrogen fuel cells	en
dc.subject	Green hydrogen	en
dc.subject	Hybrid power system	en
dc.subject	Life cycle cost analysis	en
dc.title	Techno-economic feasibility study of retrofitting a double-ended Ro-Pax vessel with hydrogen fuel cells	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Marine engineering	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-10-14
heal.abstract	Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι να παράσχει μια λεπτομερή επισκόπηση των τεχνολογιών υδρογόνου και κυψελών καυσίμου στο πλαίσιο του ναυτιλιακού τομέα και να αξιολογήσει τη δυνατότητα εφαρμογής τους επί των πλοίων μέσω μιας τεχνοοικονομικής ανάλυσης σκοπιμότητας για την τοποθέτηση κυψελών καυσίμου υδρογόνου σε ένα υπάρχον σκάφος του ελληνικού στόλου. Αφορμή για αυτήν τη μελέτη αποτελούν οι ολοένα και αυστηρότεροι περιβαλλοντικοί κανονισμοί για την επίτευξη σημαντικών μειώσεων των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου (GHG) από τα πλοία, οι οποίοι και έχουν καταστήσει απαραίτητες ριζικές παρεμβάσεις και καινοτόμες λύσεις. Οι προτεινόμενες στρατηγικές εστιάζουν κυρίως σε τεχνολογίες ελέγχου των αέριων εκπομπών και σε εναλλακτικά καύσιμα ή/και εναλλακτικά συστήματα παραγωγής ισχύος. Προφανώς, ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση των εκπομπών είναι η υιοθέτηση καθαρότερων εναλλακτικών καυσίμων, με το υδρογόνο να αναδεικνύεται ως μία από τις πιο υποσχόμενες λύσεις λόγω του μηδενικού του αποτυπώματος άνθρακα και των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του. Αν και το υδρογόνο παράγεται επί του παρόντος σχεδόν αποκλειστικά χρησιμοποιώντας ορυκτά καύσιμα, η επίτευξη μακροπρόθεσμης βιωσιμότητας απαιτεί υδρογόνο που θα παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (πράσινο υδρογόνο). Μεταξύ των διαθέσιμων τεχνολογιών μετατροπής ενέργειας του υδρογόνου, οι κυψέλες καυσίμου θεωρούνται η πιο υποσχόμενη και βιώσιμη επιλογή για την αξιοποίηση υδρογόνου. Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές συσκευές που μετατρέπουν άμεσα χημική ενέργεια σε ηλεκτρισμό και θερμότητα με μόνο νερό ως παραπροϊόν, επιτυγχάνοντας υψηλή ενεργειακή απόδοση. Ωστόσο, οι κανονισμοί που αφορούν το υδρογόνο και τις κυψέλες καυσίμου παραμένουν υπό ανάπτυξη. Επιπλέον, οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου θεωρούνται προς το παρόν κατάλληλες κυρίως για εφαρμογές ναυσιπλοΐας μικρών αποστάσεων. Υπό αυτό το πρίσμα, ένα αμφίπρωρο Ro-Pax ferry της ελληνικής ακτοπλοΐας, που εκτελεί δρομολόγια στη διαδρομή Πέραμα-Παλούκια, επιλέχθηκε για την παρούσα τεχνοοικονομική μελέτη. Τα αποτελέσματα της προκαταρκτικής τεχνικής ανάλυσης για την εγκατάσταση των προτεινόμενων συστημάτων κυψελών καυσίμου υδρογόνου (συμπιεσμένου ή υγροποιημένου) επί του πλοίου δεν υπέδειξαν σημαντικά ζητήματα τεχνικής φύσεως. Για την ολοκληρωμένη αξιολόγηση της οικονομικής βιωσιμότητας των προτεινόμενων συστημάτων, πραγματοποιήθηκε συγκριτική Ανάλυση Κόστους Κύκλου Ζωής (LCCA) μεταξύ του συμβατικού και των εναλλακτικών σεναρίων, με την Καθαρή Παρούσα Αξία (NPV) να χρησιμοποιείται ως το κριτήριο αξιολόγησης επένδυσης. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας για να εκτιμηθεί ο αντίκτυπος των μεταβολών βασικών παραμέτρων στα εξαχθέντα αποτελέσματα. Αν και η οικονομική ανάλυση καταλήγει στο ότι τα προτεινόμενα συστήματα υδρογόνου δεν είναι επί του παρόντος οικονομικά βιώσιμα λόγω των υψηλών αρχικών και λειτουργικών δαπανών, οι προβλέψεις για τις μελλοντικές τάσεις της αγοράς αποκαλύπτουν την εν δυνάμει βιωσιμότητα του συστήματος αέριου συμπιεσμένου υδρογόνου (GH2), το οποίο σε όλες τις περιπτώσεις υπερτέρησε του εναλλακτικού συστήματος με υγροποιημένο υδρογόνο (LH2).	el
heal.abstract	The purpose of this dissertation is to provide an in-depth overview of hydrogen and fuel cell technologies within maritime contexts and assess their potential for onboard implementation through a technoeconomic feasibility analysis of retrofitting an existing vessel in the Greek fleet with hydrogen fuel cells. The motivation behind this study stems from the increasingly stringent environmental regulations aimed at achieving significant GHG emissions reductions, which have necessitated drastic interventions and innovative solutions. The proposed strategies primarily focus on emissions control technologies and alternative fuels and/or alternative power systems. Evidently, the most effective way to reduce emissions is by adopting cleaner alternative fuels, with hydrogen emerging as one of the most promising solutions due to its zero-carbon nature and favorable properties. Although the majority of hydrogen is currently produced from fossil fuels, achieving long-term sustainability will require hydrogen produced from renewable energy sources (green hydrogen). Among the available hydrogen energy conversion technologies, fuel cells are regarded as the most promising and sustainable option for utilizing hydrogen. Fuel cells are electrochemical devices that directly convert chemical energy into electricity and heat with only water as a by-product, achieving high energy efficiency. However, regulations surrounding hydrogen and fuel cells remain underdeveloped. Additionally, hydrogen fuel cells are currently considered most suitable for short-distance shipping applications. In light of this, a coastal Ro-Pax double-ended ferry operating on the Perama-Paloukia route was selected for the present techno-economic analysis. The results of the preliminary technical analysis for the installation of the proposed hydrogen fuel cell powertrain system onboard indicated no significant technical feasibility issues. To comprehensively evaluate the economic feasibility of the proposed systems, a comparative Life Cycle Cost Analysis (LCCA) was conducted between the conventional and alternative scenarios, with Net Present Value (NPV) used as the investment evaluation criterion. Additionally, a sensitivity analysis was performed to assess the impact of variations in key parameters. While the results suggest that the proposed hydrogen systems are not currently economically viable due to high upfront and fuel costs, projections of future market conditions reveal the potential viability of the GH2 system, which in all cases outperformed the LH2 alternative.	en
heal.advisorName	Λυρίδης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Προυσαλίδης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Ηλιοπούλου, Ελευθερία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	222 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false