Διερεύνηση δεικτών ενεργειακής απόδοσης σε πλοία με ηλεκτροπρόωση

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των δεικτών ενεργειακής απόδοσης σε πλοία με ηλεκτροπρόωση και η σύγκριση της ενεργειακής αποδοτικότητας των πλήρως εξηλεκτρισμένων πλοίων με αδελφά πλοία συμβατικής πρόωσης. Η σύγκριση επικεντρώνεται σε πλοία μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG carriers). Αρχικά, γίνεται αναφορά στο δείκτη EEDI (Energy Efficiency Design Index). Μελετάται η συνεισφορά των ηλεκτρογεννητριών στο δείκτη ως ποσοστό επί του συνόλου των εκπεμπόμενων ρύπων. Γενικά στα πλοία με συμβατική πρόωση αναμένεται αυτό το ποσοστό συνεισφοράς να είναι σχετικά μικρό αλλά όχι αμελητέο. Αντιθέτως, στο πλήρως εξηλεκτρισμένο πλοίο (All Electric Ship-AES), στο οποίο επικεντρώνεται το ενδιαφέρον της εργασίας, οι ηλεκτρογεννήτριες αποτελούν τις μοναδικές θερμικές μηχανές (καθώς τροφοδοτούν με ενέργεια το σύνολο των προωστήριων μηχανισμών), επομένως η συνεισφορά τους στο δείκτη EEDI είναι καθολική. Επιπρόσθετα, αναφέρονται συνοπτικά κάποια ιστορικά στοιχεία για το δείκτη EEDI (και ειδικότερα όσον αφορά τη διαμόρφωσή του κατά τις συνόδους MEPC), καθώς και μία σύντομη περιγραφή των μεγεθών που απαρτίζουν το δείκτη. Όπως είναι γνωστό, ο δείκτης EEDI αφορά το κάθε πλοίο στο στάδιο της σχεδίασης και κατασκευής από το εκάστοτε ναυπηγείο και επομένως η εφαρμογή του δεν μπορεί παρά να είναι απλά θεωρητική και να μην έχει κάποια πρακτική και λειτουργική σημασία. Η θεωρητική λοιπόν τιμή του δείκτη μπορεί σχετικά εύκολα να τροποποιηθεί προς συμμόρφωση με τα επιτρεπτά όρια των διεθνών κανονισμών πραγματοποιώντας θεωρητικές αλλαγές σε βασικά σχεδιαστικά και κατασκευαστικά στοιχεία του πλοίου όπως λόγου χάρη η ισχύς στην οποία θα λειτουργεί η μηχανή, η ταχύτητα πλεύσης κ.ο.κ. Οι τιμές αυτές μπορεί να παραμείνουν θεωρητικές και να μην ανταποκρίνονται στα πραγματικά στοιχεία λειτουργίας του πλοίου καθώς αυτό θα ταξιδεύει. Επομένως, η ικανοποίηση των ορίων για το δείκτη EEDI είναι απλώς μία τυπική και θεωρητική διαδικασία και δεν έχει κάποια ιδιαίτερη πρακτική σημασία στη λειτουργία για τη μετέπειτα ζωή του πλοίου. Για τον παραπάνω λόγο, η παρούσα διπλωματική εργασία εμβαθύνει κατά κύριο λόγο στη μελέτη του δείκτη ενεργειακής αποδοτικότητας κατά τη λειτουργία του πλοίου δηλαδή στον ΕΕΟΙ (Εnergy Efficiency Operational Index). Ο δείκτης αυτός κρίνεται πολύ πιο χρήσιμος σε σύγκριση με τον ΕΕDI καθώς σχετίζεται με τις επιδόσεις του πλοίου (όσον αφορά τους παραγόμενους αέριους ρύπους) κατά τη λειτουργία του πλοίου και πιο συγκεκριμένα κατά τη διάρκεια του ταξιδιού. Απεικονίζει λοιπόν την «πραγματική» ενεργειακή αποδοτικότητα του πλοίου και όχι μία απλή θεωρητική τιμή. Από την άλλη πλευρά, ο δείκτης ΕΕΟΙ συσχετίζει την κατανάλωση καυσίμου με το ωφέλιμο μεταφορικό έργο. Αυτό σημαίνει ότι η εφαρμογή του περιορίζεται σε καταστάσεις πλεύσης στην ανοιχτή θάλασσα (sailing modes), όπου το πλοίο διανύει ναυτικά μίλια επομένως υφίσταται η έννοια του μεταφορικού έργου (τόννοι μεταφερόμενου φορτίου × διανυθέντα ναυτικά μίλια). Σε διαφορετική περίπτωση, δηλαδή σε καταστάσεις εντός λιμανιού ή κοντά στο λιμάνι όποτε π.χ. λαμβάνει χώρα διαχείριση φορτίου (φόρτωση-εκφόρτωση) ο δείκτης δεν μπορεί να εφαρμοστεί και κρίνεται ανεπαρκής. Αυτό αποτελεί σημαντικό μειονέκτημα-πρόβλημα του δείκτη καθώς οι περιοχές γύρω από τα λιμάνια είτε ήδη αποτελούν, είτε σύντομα θα αποτελέσουν ζώνες περιορισμένων εκπομπών ρύπων (Emission Control Areas – ECA’s) και συνεπώς είναι επιτακτική η ανάγκη διαμόρφωσης ενός κατάλληλου δείκτη επιδοσομέτρησης για τις καταστάσεις αυτές (cargo handling mode, manouevering mode, idle mode). Ανάμεσα στους στόχους της παρούσας εργασίας είναι και η παράθεση προτάσεων για τη διαμόρφωση ενός τέτοιου δείκτη ο οποίος δε θα περιλαμβάνει το μεταφορικό έργο και θα περιγράφει επαρκώς την ενεργειακή αποδοτικότητα του πλοίου σε αυτές τις καταστάσεις πλεύσης. Τέλος, μέσω της παρούσας διπλωματικής εργασίας, προτείνεται περαιτέρω έρευνα που αφορά εκτεταμένες συγκρίσεις των δεικτών ενεργειακής αποδοτικότητας μεταξύ ηλεκτροκίνητου και συμβατικής πρόωσης πλοίου. Ο ολοένα και μεγαλύτερος αριθμός ηλεκτρικών πλοίων θα συντελέσει στη δημιουργία τιμών αναφοράς και για αυτά τα πλοία. Με αυτόν τον τρόπο, η σύγκριση μεταξύ πλοίου συμβατικής και πλοίου ηλεκτρικής πρόωσης θα είναι πιο ακριβής και ολοκληρωμένη.

The aim of this thesis is tν study the energy efficiency indicators on ships with electric propulsion and to compare the energy efficiency of all electric ships with the energy efficiency of similar ships with conventional propulsion. The comparison focuses on liquefied natural gas carriers (LNG carriers). Initially, reference is made to index EEDI (Energy Efficiency Design Index) focusing on the contribution of generators in the index as a percentage of the total emissions. Generally, this percentage is expected to be quite low but not negligible for ships with a conventional propulsion system. In contrast, the fully electrified ship (All Electric Ship-AES), on which this thesis focuses, generators are the only existing heat engines (as they provide energy for the total amount of the propulsion systems), so their contribution to the index EEDI is absolute. Additionally, reference is made to some historical data for index EEDI (especially regarding its configuration during sessions MEPC), and a brief description of sizes that make up the index. The EEDI index refers to the design and construction stage for each vessel and therefore, the application is theoretical and does not have any operational significance. The theoretical value of the index can easily be modified in order to comply with the limits of the international regulations, by performing theoretical changes in basic design and construction parameters such as nominal power, cruising speed etc. These values may remain theoretical and do not reflect the actual operating data of the vessel as it will travel. Therefore, meeting the limits for index EEDI is just one formal and theoretical process and has no particular practical importance in the operation of the ship. For the above reason, this thesis mainly focuses on the study of the Energy Efficiency Operational Index (EEOI) . This indicator is much more useful than the EEDI, as it has to do with the performance of the ship (the generated emissions) during its operation and more specifically during the trip. In other words, EEOI depicts the "real" energy efficiency of the ship and not a mere theoretical value. On the other hand, the index EEOI correlates fuel consumption with beneficial carryings. This means that the application is limited to situations of cruising in the open sea (sailing modes), as the ship travels some distance (nautical miles), so there is the concept of beneficial carryings (tonnes of cargo × travelled distance measured in nautical miles). Otherwise (situations of port or near port sailing, cargo handling or idling), the index is inadequate and cannot be applied. This is a major drawback of the index, as the areas around ports either are, or soon will become zones of limited emissions (Emission Control Areas - ECA's) and therefore there is an urgent need for an appropriate efficiency index for these situations (cargo handling mode, manouevering mode, idle mode). This thesis proposes the development of such an index which will not include traffic beneficial carryings and will adequately describe the energy efficiency of a ship in these situations. Finally, this thesis suggests further research involving extensive comparisons of indicators of energy efficiency between electric and conventional propulsion ship. The growing number of electric ships will help to create reference values for the EEDI. In this way, the comparisons between steam propulsion vessels and electric propulsion vessels will be more accurate and complete.