A life cycle approach for the use of hydrogen as a marine fuel: Analysis and results

Γαργαλάκος, Αντώνιος; Gargalakos, Antonios

dc.contributor.author	Γαργαλάκος, Αντώνιος	el
dc.contributor.author	Gargalakos, Antonios	en
dc.date.accessioned	2025-03-19T09:04:08Z
dc.date.available	2025-03-19T09:04:08Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61351
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.29047
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	LCA	en
dc.subject	LCCA	en
dc.subject	Hydrogen	en
dc.subject	Uncertainty	en
dc.title	A life cycle approach for the use of hydrogen as a marine fuel: Analysis and results	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Life cycle analysis	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-11-15
heal.abstract	Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση κύκλου ζωής, περιβαλλοντική και οικονομική, των πλοίων που χρησιμοποιούν υδρογόνο ως καύσιμο για την πρόωση τους, χρησιμοποιώντας τους σχετικούς κανονισμούς των προτύπων ISO για τις αποτιμήσεις κύκλου ζωής. Η μελέτη συμπεριλαμβάνει σύγκριση των αποτελεσμάτων για τους διάφορους τύπους υδρογόνου(γκρι υδρογόνο, μπλε υδρογόνο, πράσινο υδρογόνο), καθώς και σύγκριση ανάμεσα σε υγροποιημένο και συμπιεσμένο αέριο υδρογόνο. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση με τα αντίστοιχα αποτελέσματα πλοίων που χρησιμοποιούν συμβατικά καύσιμα, καθώς στόχος της μελέτης είναι να εκτιμήσει τα περιβαλλοντικά οφέλη(ή αντίστοιχα την οικονομική επιβάρυνση) λόγω της χρήσης υδρογόνου. Για την εκπλήρωση της εργασίας και των απαραίτητων υπολογισμών αναπτύχθηκαν προγράμματα σε περιβάλλοντα Excel και Matlab. Αρχικά, γίνεται ανασκόπηση της σχετικής με το θέμα βιβλιογραφίας, έτσι ώστε ο αναγνώστης να αποκτήσει μια πρώτη επαφή με το πλαίσιο των αποτιμήσεων κύκλου ζωής και των μελετών που έχουν γίνει ως τώρα γύρω από αυτές. Όπως είναι λογικό, η έμφαση δίνεται σε μελέτες κύκλου ζωής σχετικές με το υδρογόνο ως καύσιμο, οι οποίες αναλύουν τις εκπομπές για τον πλήρη κύκλο ζωής του καυσίμου πριν την καύση του σε κάποια μηχανή. Επιπλέον, παρατίθεται μια σειρά από μελέτες σχετικά με το υδρογόνο ως ναυτιλιακό καύσιμο και γίνεται μια πρώτη σύντομη ανάλυση των αποτελεσμάτων τους. Το κεφάλαιο της βιβλιογραφικής ανασκόπησης περιλαμβάνει επιπλέον μια σύντομη αναφορά στην ανάλυση αβεβαιότητας, η οποία αποτελεί επίσης αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Κατόπιν, η εργασία αναφέρεται στην ποσότητα των εκπομπών στη θάλασσα παγκοσμίως και περιγράφει τα κύρια παραγόμενα αέρια από την καύση ορυκτών καυσίμων, καθώς και τις συνέπειες τους τόσο για την ανθρώπινη υγεία, όσο και για το περιβάλλον. Επιπλέον, γίνεται επεξήγηση των βασικών μέτρων περιορισμού των εκπομπών στην ναυτιλία, που έχουν ληφθεί από οργανισμούς όπως ο ΙΜΟ, η Ευρωπαϊκή Ένωση και ΟΗΕ. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται το χρονοδιάγραμμα του ΙΜΟ για την επίτευξη μηδενικών εκπομπών στην ναυτιλία ως το 2050, καθώς και η πολιτική της Ευρωπαϊκής Ένωσης γύρω από το θέμα των εκπομπών, απότοκος της οποίας είναι η καθιέρωση του φόρου εκπομπών από το 2024. Στόχος των παραπάνω είναι να κατανοήσει ο αναγνώστης την ανάγκη για ενεργειακή μετάβαση και υιοθέτηση χρήσης εναλλακτικών καυσίμων στην ναυτιλία. Στη συνέχεια, η εργασία εμβαθύνει στο υδρογόνο δίνοντας τα βασικότερα στοιχεία του θεωρητικού του υποβάθρου, ώστε ο αναγνώστης να αποκτήσει μια πρώτη επαφή με έννοιες που θα χρησιμοποιηθούν στην ανάλυση κύκλου ζωής. Έτσι περιγράφονται οι βασικές αρχές του υδρογόνου ως καύσιμο, ενώ γίνεται μια σύντομη ανάλυση των δύο κύριων μεθόδων παραγωγής του: παραγωγή με χρήση ορυκτών καυσίμων και παραγωγή με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Επιπλέον, γίνεται σύντομη αναφορά στις διάφορες κατηγορίες του υδρογόνου(μαύρο, γκρι, μπλε, πράσινο κλπ), ενώ περιληπτικά περιγράφεται και το ζήτημα της αποθήκευσης του υδρογόνου. Ξεχωριστή αναφορά γίνεται στην υγροποίηση του υδρογόνου και στα πλεονεκτήματα/μειονεκτήματα της, καθώς σύμφωνα με πολλούς συγγραφείς είναι απαραίτητη πριν την μεταφορά και αποθήκευση του υδρογόνου σε μεγάλες ποσότητες. Για το κομμάτι της μεταφοράς του υδρογόνου γίνεται συνοπτική περιγραφή της μεταφοράς μέσω αγωγών ή με χρήση φορτηγών, εξετάζοντας τόσο την περίπτωση υγροποιημένου υδρογόνου, όσο και την περίπτωση αέριου συμπιεσμένου υδρογόνου . Οι βασικές αρχές γύρω από την λειτουργία των κυψελών καυσίμου αναφέρονται επίσης, καθώς στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας θεωρείται ότι το υδρογόνο καίγεται αποκλειστικά σε κυψέλες καυσίμου και όχι σε μηχανές εσωτερικής καύσης. Επομένως, παρατίθενται οι κύριοι τύποι κυψελών καυσίμου, με τις κυψέλες τύπου PEMFC και SOFC να αναλύονται περισσότερο, ενώ γίνεται απαρίθμηση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων γύρω από τη χρήση κυψελών καυσίμου στη ναυτιλία. Στη συνέχεια της εργασίας εξηγείται αναλυτικά το πλαίσιο εφαρμογής των αποτιμήσεων κύκλου ζωής, το οποίο υποδεικνύεται από σχετικά πρότυπα ISO, αλλά και από άλλες σχετικές μελέτες. Με βάση το συγκεκριμένο πλαίσιο αναπτύσσεται κατόπιν αναλυτικό υπολογιστικό μοντέλο για την ακριβή αποτίμηση του κύκλου ζωής ενός πλοίου με υδρογόνο, ενώ παράλληλα αναπτύσσεται και αντίστοιχο μοντέλο για πλοίο με συμβατικά καύσιμα, προκειμένου να γίνουν οι σχετικές συγκρίσεις. Οι εξισώσεις των δύο μοντέλων παρουσιάζονται αναλυτικά και προέρχονται από τη διεθνή βιβλιογραφία και από άλλες σχετικές μελέτες. Ο δείκτης απόδοσης(KPI) που χρησιμοποιείται για την περιβαλλοντική ανάλυση είναι ο 〖GWP〗_100, που μετρά την υπερθέρμανση του πλανήτη σε βάθος 100 ετών και μετριέται σε μονάδες ισοδύναμου διοξειδίου του άνθρακα(〖CO〗_2eq). Για την οικονομική ανάλυση του κύκλου ζωής, από την άλλη, αθροίζονται όλα τα κόστη του κύκλου ζωής του πλοίου και γίνεται αναγωγή τους στο παρόν, με χρήση της μεθόδου της καθαρής παρούσας αξίας(ή καθαρό παρόν κόστος στην συγκεκριμένη περίπτωση). Το παραπάνω μοντέλο εφαρμόζεται τελικά σε 5 περιπτώσεις πλοίων: επιβατηγό/οχηματαγωγό, πλοίο μεταφοράς ξηρού φορτίου χύδην, πλοίο μεταφοράς πετρελαίου χύδην, πλοίο μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων και κρουαζιερόπλοιο. Στόχος του παραπάνω είναι να διαπιστωθεί κατά πόσο ο διαφορετικός τύπος πλοίου επηρεάζει τα τελικά αποτελέσματα της ανάλυσης κύκλου ζωής. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων παρουσιάζονται σε πινακοποιημένη μορφή και σχολιάζονται εκτενώς, ενώ γίνεται και σύγκριση τους με άλλες αντίστοιχες μελέτες της βιβλιογραφίας. Η μελέτη περιλαμβάνει επιπλέον μια οικονομική ανάλυση κύκλου ζωής υπό καθεστώς αβεβαιότητας, στην οποία λαμβάνεται υπόψιν η μεταβολή της τιμής των καυσίμων και του φόρου εκπομπών(για την περίπτωση πλοίου με συμβατικά καύσιμα). Για την ανάλυση αυτή χρησιμοποιούνται πραγματικές τιμές καυσίμων και εκπομπών για τα τρία προηγούμενα έτη(Σεπτέμβριος 2021-Σεπτέμβριος 2024).Η μεθοδολογία που επιλέχτηκε για την εκτίμηση των κατανομών που ικανοποιούν καλύτερα τα διάφορα δεδομένα είναι το Anderson-Darling Test, το θεωρητικό υπόβαθρο του οποίου αναλύεται συνοπτικά. Η πιθανοθεωρητική αυτή προσέγγιση στοχεύει στην εκτίμηση της κατανομής που ακολουθεί το καθαρό παρόν κόστος, καθώς και των πιθανοτήτων να είναι επικερδής μια επένδυση σε πλοίο με υδρογόνο, συγκριτικά πάντα με την επένδυση σε συμβατικό πλοίο. Τέλος, αναλύονται τα συμπεράσματα του συνόλου της μελέτης και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα γύρω από το θέμα της ανάλυσης κύκλου ζωής πλοίων με υδρογόνο. Στο 1ο κεφάλαιο, μέσω της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, γίνεται μια εισαγωγή στο πλαίσιο των αποτιμήσεων κύκλου ζωής και αναφέρονται σχετικές μελέτες άλλων συγγραφέων, καθώς και τα βασικά συμπεράσματα στα οποία αυτές κατέληξαν. Στο 2ο κεφάλαιο παρατίθενται στατιστικά για τις εκπομπές στο θαλάσσιο περιβάλλον, αναλύονται οι κύριες εκπομπές των ορυκτών καυσίμων και οι συνέπειες τους και αναφέρονται τα μέτρα των διαφόρων οργανισμών για τον περιορισμό των αερίων εκπομπών στην ναυτιλία. Στο 3ο κεφάλαιο επεξηγείται το θεωρητικό υπόβαθρο γύρω από το υδρογόνο, την παραγωγή του και τις διάφορες διεργασίες του. Οι κυψέλες καυσίμου επεξηγούνται επίσης σύντομα. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά το πλαίσιο του ISO για τις αναλύσεις κύκλου ζωής. Στο 5ο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά τα υπολογιστικά μοντέλα της περιβαλλοντικής και της οικονομικής ανάλυσης κύκλου ζωής. Οι χρησιμοποιούμενες εξισώσεις, καθώς και οι τιμές που επιλέγονται για τα διάφορα μεγέθη, αναφέρονται αναλυτικά. Στο 6ο κεφάλαιο περιλαμβάνονται οι 5 περιπτώσεις πλοίων στις οποίες εφαρμόζεται το μοντέλο. Τα αποτελέσματα της κάθε περίπτωσης παρουσιάζονται αναλυτικά σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων, ενώ γίνεται σύγκριση τους και με άλλες αντίστοιχες μελέτες της βιβλιογραφίας. Στο 7ο κεφάλαιο περιλαμβάνεται η οικονομική ανάλυση κύκλου ζωής υπό καθεστώς αβεβαιότητας, για την οποία χρησιμοποιούνται πραγματικές τιμές καυσίμων από την ευρωπαϊκή αγορά. Στο 8ο κεφάλαιο συνοψίζονται τα βασικά συμπεράσματα της μελέτης και συμπεριλαμβάνονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα.	el
heal.advisorName	Νικόλαος, Βεντίκος	el
heal.committeeMemberName	Ηλιοπούλου, Ελευθερία	el
heal.committeeMemberName	Κονοβέσης, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μελέτης Πλοίου και Θαλάσσιων Μεταφορών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false