Energioptimering og brændstofsbesparelse

Transkript

1 2015 Energioptimering og brændstofsbesparelse Udarbejdet af Høgni Olsen Studienummer: E Antal tegn: med mellemrum Antal normalsider: 25,52 Afleveringsdato: 27-05/2015 Fredericia Maskinmesterskole Bachelorprojekt

2 Indhold Forord... 2 Abstract... 3 Indledning... 4 Projektskabelon... 5 Projektafgrænsinger... 8 Dataindsamling... 8 Valg af optimeringsmuligheder og emnevalg... 9 Empiri Arbejdsopgaver ombord Maskineriet ombord Ventilationsanlæg Analyse af fremdriftsmotorene Analyse af drift af Maxi kedlen Energiberegninger Implementering af udstødningskedel Økonomisk betragtning af installation af udstødningskedel Tilbagebetaling af udstødningskedel Optimeringsforslag 2 (udnyttelse af varmeenergien i kølevandet) Analyse af kølevandssystemet Opgradering af kølevandssystem Økonomisk betragtning kølevandssystem Samlet konklusion Kilde og kildekritik Anerkendelser og tak Nomenklaturliste Diverse hjemmesider Interview Litteraturliste

3 Forord Som afslutning af maskinmesteruddannelsen, der er på 6 og sidste semester, er dette projekt blevet udarbejdet ombord på skibet Stril Mariner. Projektet omhandler maskinmesterrelateret stof, som den studerende elev har tilegnet sig i undervisningen. Dette projekt handler om brændstofs besparelse ved at energioptimere hydroforsystemet på skibet Stril Mariner og. Projektet i sin helhed, henvender sig til personer med en faglig viden og teknisk indsigt. Projektet tager udgangspunkt i et praktikophold i på Nordsøen hos rederiet Simon Møkster Shipping. Praktikopholdet strækker sig over en periode af tre måneder, 87 dage ombord på skibet Stril Mariner. De 87 dage er blevet brugt til at arbejde sammen med maskinbesætningen og til at finde optimeringsmuligheder ombord på skibet. Jeg vil gerne rette en tak til crewing manager Kristian Oskar Henriksen, som har gjort det muligt for mig at komme ombord på Stril Mariner og skrive mit afsluttende bachelorprojekt. Bilag til dette projekt, er samlet i et separat bilagshæfte og henvisninger er dertil skrevet i teksten og fremgår af fodnoter. 2

4 Abstract This report is a bachelor project conducted as the last part of the education to marine engineer at Frederica Maskinmesterskole. Since January 1 year 2014, the company Simon Møkster Shipping started the Fuel Race campaign in order to save fuel among the ships. With an interest of this campaign, the case in this project is therefor led to how reduce the fuel consumption by improving the energy consumption of the hydrophore system onboard the ship. Currently all the heat of in the hydrophore system, is produced by an electric boiler. This type of heat production comes at a great cost both, environmentally and financially. This bachelor project will examines if it is possible to reduce the financial expenses that are associated in the hydrophore system. To improve the energy consumption on this system, there will be developed suggestions, which contains installing waste heat recovery system to exploit the thermal energy in the exhaust gas. During the internal combustion, the diesel engines have at range of thermal losses. One of the largest losses are found in the exhaust system. While the engine is running under normal conditions, the temperature is varying from 280 to 417 degrees Celsius. The second suggestion to optimize the hydrophore system, is how to optimize the existing high temperature cooling system. While the engine is running, the coolant fluid is been cooled down by a box cooler to lower the temperature. There will be given a suggestion of how to exploit the thermal energy in the cooling water to the hydrophore system in order to reduce the financial expenses. 3

5 Indledning Stril Mariner tilhører det norske rederi Simon Møkster Shipping. Rederiet blev tilbage i 1968 etableret i Stavanger af Kaptain Simon Møkster. Efter at Simon købte det første skib, MV Mokstein, blev dette starten på en æra, hvor Simon opkøbte og solgte 107 skibe. For at sikre at rederiets fremtid, var køb og salg af skibe, rederiets mest indbringende faktor økonomisk. I 1981 gik rederiet over satse på offshore markedet og købte skibet Strilmøy. Strilmøy blev efter købet, konverterede til et standby og rescue vessel og var dengang et af de mest avancerede skib i offshore industrien i den tid. Simon Møkster var anset for a være en af pionærene indenfor standby og rescue på den norske sektor og blev den største ejer og manager indenfor området i den tid. Siden da har rederiet valgt at fokusere på offshore markedet og har i dag en flåde på 23 skibe og cirka 550 ansatte på onshore og offshore sektoren 1. Rederiet er idag 100% familieejet af Møkster familien og har deres eget slogan der er always ready 2 Stril Mariner blev bygget i året 2009 på byggeværftet Simek A/S i flekkefjord og var værftets byggenummer 121. Prisen for byggeriet at skibet var cirka på 300 millioner kroner 3. Da skibet blev færdigbygget på værftet fik det færøsk mandskab og indgik i en kontrakt med BP i Nordsøen, hvor det ligger klart til at servicere tre olieplatforme hos BP imellem Danmark og England. Skibet blev ombygget i 2012 på værftet Simek hvor det blev bygget, efter ordre fra BP og Talisman. Det blev her besluttet at skibet at skibet skulle opgraderes med et forbedret olieopsamlingsudstyr (ORO og NOFO system) og beredskab. Dette betød at skibet vil have en hurtigere responstid i tilfælde af olieforurening på havet. ORO systemet der havde en kapacitet på 1257 m3 blev efter ombygningen øget til 1500 m3 4. Skibet blev i forbindelse med ombygningen, udstyret med en daugther craft, der anvendes til redningsaktioner og udsætning af NOFO udstyret. På grund af de stigende oliepriser indførte rederiet i starten af 2014, en sparekampagne, der opfordrede alle skibe i rederiet om at spare på brændstoffet. I projektet undersøges det om det yderligere kan laves nogen form for brændstofsbesparelse, der tilgodeser udgifterne til brændstof, ved at energioptimere nogle af systemerne der findes ombord. Der forventes i undersøgelserne og forslagene i dette projekt, fører frem til, at der kan opnås yderlige brændstofsbesparelser ved at energioptimere hydroforsystemet med andre uudnyttede energikilder der forefindes ombord på skibet Interview/samtale med managing director Anne Jorunn Møkster ombord på Stril Mariner

6 Projektskabelon Emne Energioptimering og brændstofbesparelse Skribenter Høgni Olsen Vejledere Thomas Schmolke og Stig Libori. Problemstilling Med diskussion med maskinbesætningen om mulige energioptimeringer, blev det ret hurtigt i min praktikperiode, hvad jeg gerne ville sætte fokus på. Rederiet har siden starten af 2014 indført den såkaldte Fuel race konkurrence, der opfordrer alle rederiets skibe at spare på brændstofsforbruget. Dette projekt er derfor målrettet til, hvordan man yderligere kan lave brændstofsbesparelser, ved at energioptimere det eksisterende hydroforsystem ved hjælp af røggassystemet og kølevandssystemet. Denne diskussion har ført til at implementere en udstødningskedel til en skibets diesel elektriske motor, da skibet i forvejen ikke har udstødningskedler installeret. Diskussionen har også ført til hvordan man kan udnytte varmeenergien der findes i motorernes kølevand. Derfor er problemstillingen i denne opgave at jeg vil komme med to forskellige forslag på, hvordan man kan udnytte varmeenergien fra røggassen, ved at implementere udstødningskedler, og hvordan man kan energioptimere kølevandssystemet, da man ellers anvender en elektrisk elkedel til opvarmning af varmt forbrugsvand. 5

7 Problemformulering Hypotese I dette bachelorprojekt vil der blive analyseret om der er nogle brændstofsbesparelser ved at energioptimere hydroforsystemet, der anvender en elektrisk kedel til opvarmning. Der vi som det første forslag undersøges om man implementere en udstødningskedel til det eksisterende udstødningssystem fra motoren.i projektet vil det eksisterende røggassystem blive beskrevet og analyseret imens det er i drift. Det vil også blive undersøgt, om der er nok røggaseffekt til det nødvendige effektbehov som hydroforsystemet kræver af varmeenergi, ved hjælp af energiberegninger der er baseret på målte data. Der vil på bagrund af analysen for maxi kedlen blive lavet beregninger, for at se hvilken model af udstødningskedel der kan indgå i installationen og om det er økonomisk rentabelt at installere den på en årerække. Der vil på det andet forslag blive kigget på det eksisterende kølevandssystemet på højtemperatursiden og blive undersøgt og analyseret hvilke potentialer der er af energi i kølevandet. Der vil blive Ved hjælp af analyse, energiberegninger og erfaring af maskinrumsbesætningen, forventes der at ved installation af udstødningskedler til hovedmaskineriet eller energioptimering af kølevandssystemet, kan opnås en økonomisk besparelse af skibets brændstofsforbrug, set i forhold til det eksisterende system. 6

8 Metode I dette projekt vil der blive der som nævnt blive givet to forskellige forslag til energioptimering af skibets hydroforsystem. Der vil som det første forslag blive analyseret på skibets eksisterende røggassystem og redegjort for dets opbygning og funktion for at få et overblik over systemet. For at kortlægge, hvor i udstødningssystemet der kan laves energioptimering, vil jeg i skibet følge opbygningen af udstødningssystemet og lave skitser af systemet, da tegninger af udstødningssystemet ikke er til rådighed. For at kunne kortlægge det samlede effektforbrug på elkedlen Maxi boiler vil disse data findes og måles og danne baggrund for det nødvendige effektbehov som udstødningskedlen eller kølevandssystemet skal kunne klare at levere. Analysen i dette projekt vil være baseret på dataindsamling af temperaturer samt energiberegninger samt kortlægge hvilket driftsmønster motorerne kører efter. Som det andet forslag vil der blive kigget på skibets kølevandssystem og redegjort for dets opbygning og funktion. Kølevandssystemet vil blive analyseret, observeret og der vil blive aflæst temperaturværdier i forskellige driftstilstande, der er foretaget med mit 3 måneders praktikophold ombord på skibet Stril Mariner. Der vil samtidigt anvendes maskinrumspersonalets erfaring til at få klarlagt opbygningen af det nuværende kølevandssystem og røggassystem og hvor i systemerne der kan laves energioptimering. 7

9 Projektafgrænsinger For at projektet ikke skal blive for omfattende, er der blevet foretaget nogle afgræsninger. Der vil ikke blive taget højde for det modtryk, der kan opstå ved installation af en udstødningskedel, da dette regnes med at være forbeholdt af kedelleverandøren. Der vil i forbindelse med de to foreslåede forslag ikke blive kigget på vedligeholdsomkostninger og levetid på diverse komponenter, såsom udstødningskedel, pumpe, magnetventiler og nye rør, der er anvendt i forslagene. Der vil i forbindelse med forslag 2 ikke blive taget højde for anskaffelsesomkostninger for pumpe, nye rør og magnetventiler og reguleringskomponenter i forbindelse med ombygningen af kølevandssystemet. Dataindsamling I forbindelse med mit ophold med Stril Mariner har jeg indsamlet så meget datamateriale som muligt for at kunne opbygge projektet med. De data som er blevet indsamlet, har jeg vurderet kritisk også sammen med maskinbesætningen. Da jeg endeligt havde valgt hvilke brændstofs optimeringer jeg skulle i gang med, har det vist sig for at være en noget udfordrende proces. I forbindelse med at finde flow af kølevand og temperaturer, har det været noget udfordrende proces at komme igennem. Ved hjælp af egen erfaring og sammen med maskinbesætningen, har man kunnet lokalisere sig frem til problemet og kunnet vurdere og beregne sig frem til en eventuel energioptimering, der kan bidrage til brændstofsbesparelse. Der har i forbindelse med projektet, været flere forslag til brændstofsbesparelse, som er blevet kasseret, da det er vurderet, ikke at være egnede til at spare på brændstof. I forbindelse med temperaturaflæsninger på kølevand og røggas, er disse vurderet kritiskt, for at give det mest realistiske billede af en fremtidig energioptimering. I forbindelse med alle de maskinrunderinger som jeg har foretaget hver morgen, har disse hjulpet mig meget med at danne et indtryk af hvordan skibet og alle systemerne er konstrueret sammen. 8

10 Valg af optimeringsmuligheder og emnevalg Som det bliver i skrevet i problemstillingen, er kernen i dette projekt brændstofsbesparelse i forbindelse med Fuel Race konceptet, som rederiet har indført. Efter at have påmønstret skibet og gået med de daglige maskinrunderinger hver morgen, havde jeg efter nogen tid observeret, erfaret og snakket med maskinbesætningen om mulige forslag til brændstofs besparelser. Forslag: 1. Implementering af udstødningskedler 2. Energioptimering af kølevandssystemet 3. Energioptimering af belysningen, implementering af LED-lysstofrør 4. Energioptimering af elektriske blæsere For at projektet ikke skal blive for omfattende, har jeg i projektet besluttet at fravælge punkt 3 og 4. Punkt 3 vedr. lysstofrør, har jeg undersøgt om man kan konvertere belysningen (lysstofrørene) om til LED. Jeg har i praktiktiden regnet lidt på besparelsen, og er kommet til den konklusion, at der ikke er så meget energi og brændstofsbesparelse at hente. Da det også giver et andet lysudbytte og kvalitet, er der sammen med maskinbesætningen vurderet at det ikke er en optimal løsning. Punkt 3 vil derfor ikke blive behandlet videre i dette projekt. I henhold til punkt 4 er der blevet undersøgt på energiforbruget på de elektriske blæsere, der er placeret i de forskellige rum i skibet. Efter diskussion med maskinbesætningen, er funktionen med disse blæsere at holde fugten i rummene på afstand. Før installation af de elektriske blæsere, havde nogle af rummene problemer med at fugten og luftcirkulationen. Da rummene også er opbevaringsrum for reservedele, vurderede jeg, at dette ikke var en optimal løsning. Der blev vurderet, at man kunne eventuelt kunne have dem slukket i sommerperioderne og aktiveret i vintermånederne. Men når næsten alle rummene ligger under havoverfladen, vil der i forbindelse med søvandet konstant dannes kondens på væggen og øge om luftfugtigheden i rummene. Punkt 4 der er om de elektriske blæsere, vil derfor ikke blive behandlet videre i dette projekt. 9

11 Efter at have været påmønstret i nogen tid og dannet mig indtryk af skibet og dets maskineri kom jeg frem til skibets hydrofor system. Da dette system var forbundet og opvarmet med en elektrisk kedel Maxi boiler tænkte jeg om man kunne udnytte nogle andre energikilder, der ikke var udnyttet og anvende dem i stedet for den elektriske kedel eller som et supplement. Efter at have overvejet hvordan man kunne energioptimere hydroforsystemet, var der truffet beslutning om hvordan dette kunne gøres. Jeg vil i dette projekt give to forskellige forslag om hvordan man kan energioptimere det eksisterende hydroforsystem. 1. Det første forslag er genvinding af varmeenergien der er i udstødningsgassen. Da skibet ikke har nogen form for genvinding af varmen i udstødningsgassen, vil jeg i denne rapport give forslag hvordan dette kunne gøres. 2. Det andet forslag i rapporten, er at belyse hvordan man kan energioptimere det eksisterende kølevandssystem på højtemperatursiden og udnytte varmeenergien der er i kølevandet og overføre det til hydroforsystemet. For at kunne realisere disse forslag, er det vigtigt at man sætter sig ind i systemet samt observere og have nok datamateriale til at færdiggøre dette projektet. Empiri For at opnå et solidt data grundlag for analyse af energipotentialet i røggassen og i højtemperatur kølevandet, vil empiri blive indsamlet ved hjælp af kvantitativ og kvalitativ metode. Disse værdier er indsamlet fra skibets IAS system og NOX anlæg og inkluderer temperaturer og massestrømme. Der er også anvendt termografi for at afdække temperaturer på kølevandsrør En del af projektets data er blevet indsamlet ved hjælp kvalitativ metode, der gennem telefonsamtale og skriftelig kommunikation. Fremgangsmåden på den kvalitative metode har været, at der først er sendt en skriftelig beskrivelse om et emne og spørgsmål til en relevant person. Derefter er svaret blevet givet ved hjælp via telefonisk kommunikation og via en skriftelig besvarelse af de fremsendte spørgsmål. 10

12 Arbejdsopgaver ombord Ombord på skibet Stril Mariner er der for hvert hold påmønstret 14 mand. Hvert hold er ude på Nordsøen i en periode på 4 uger for at derefter blive udskiftet med det andet hold. Opdelingen af mandskabet er fordelt således at oppe på broen er der 4 mand, Kaptajnen, Over styrmand, 1 styrmand og 2 styrmand, der alle fordeler vagten imellem sig. På dækket er der 4 matroser, der i hold på to deler arbejdsskifte. I maskinrummet er der maskinchefen, 1 mester, 2 mester og maskinkadetten. I forbindelse med praktikken er jeg blevet påmønstret som maskinkadet. Maskinrummet er godkendt som vagtfrit om natten, hvor det ikke er nødvendigt at have mandskabet i kontrolrummet. Hvis der opstår en alarm nede i maskinrummet, vil maskinbesætning vil få alarm på deres telefoner og skal reagere så hurtigt som det nu kan lade sig gøre. Skibet har 21 kahytter ombord således at der i alt kan være 31 besætningsmedlemmer. Alle kahytter har deres eget toilet og bad og udstyret med køje, sofa/bord og TV. I forbindelse med redningsaktioner, er skibet godkendt til at have plads til 300 personer. Skibet har fuldt udstyret hospital, der kan behandle tilskadekomne personer i forbindelse med f.eks. redningsaktioner og personale. 11

13 Driften på Stril Mariner Når f.eks. skibet ligger ved kaj til mandskabsskifte, er det kun en motor der kører og leverer effekt til alle forbrugere, dette er også gældende når skibet ligger i DP 5 eller i venteposition hvor vejret er godt. I denne driftstilstand kan man reducere effektforbruget og udkoble den ene Azimutpropel og bovthruster, da der ikke skal bruges så meget elektrisk energi for at holde skibet på fast position. Når skibet det meste af tiden ligger standby på feltet i DP, skal der mere elektrisk energi til azimuterne og bovthrusterne for at holde skibet på fast position, ved dårligt vejr. I tilfælde af denne situation bliver der som oftest indkoblet to motorer ind til hovedtavlen, således at man sikrer at der nok af effekt til at holde skibet i fast position. Denne driftstilstand opstår som oftest i vintermånederne 6. I tilfælde af at skibet skal under en boreplatform til at levere ferskvand eller levere/flytte dele, er skibet udstyret med et system der gør at hovedtavlen kan splittes op i to systemer bagbord og styrbord. Dette er en sikkerhedsforanstaltning, der gør at hvis den ene motor/er får f.eks. et blackout, bliver den anden side ikke berørt af situationen og kan stadig manøvrere på den anden halvdel. I denne tilstand kan der være 1 eller 2 motorer inde på hver sin side, hvilket gør at skibet kan manøvrere sig fra platformen. Figur 1 viser en generel illustration af et DP system. Figur 1: Principskitse af et Dynamic Position System 5 DP Dynamic Position System 6 Samtale med maskinmestre Bogi Jacobsen og Bárdur Zacariassen 12

14 Maskineriet ombord Stril Mariner er diesel elektrisk fremdrevet og har fire hovedmotorer installeret, og er af typen Cummins KTA-50 (M1). Ydelsen for hver motor er på 1730 BHP (1291 KW) 7, hvilket vil sige at den samlede ydelse ligger på 5164 KW. Motorerne er hver koblet til en generator, hvis nominelle effekt er på 1240 KW. Effekten der bliver genereret af generatorerne bliver overført til elmotorerne, der er mekanisk tilkoblet til to azimutpropeller og er af mærket Rolls Royce. Elmotorerene der er tilkoblet azimutterne, har en maximal effekt på 2 x 1500 KW og er af typen Marelli. Skibet er desuden udstyret med to bovthrustere der hver har en effekt på 800 KW og er af typen Rolls Royce. Som førnævnt er maskineriet, fuldt udstyret med et DP2 system dynamic position system der i samspil med maskineriet kan fastholde enhver vilkårlig position. Dette system bliver især anvendt når skibet ligger i venteposition og når skibet skal til at ligge ved siden af boreplatforme. Når DP systemet er af klasse 2, betyder det, at hvis DP systemet mister forbindelsen til satellitterne, så er det udstyret med UPS 8 anlæg, der har sin egen strømforsyning og kan fastholde styringen/positionen over en tid på cirka 30 min. Figur 2: Principtegning af fremdriftsmaskineriet 7 Bilag 1 Data på motorer 8 UPS Uninterrupted Protection System 13

15 Ventilationsanlæg Ombord i skibet, er der placeret ventilationsanlæg der leverer luftskifte til de enkelte kahytter og apteringen som helhed. Der er på toiletterne udsugning, således at når den friske luft bliver indblæst til kahytterne, så bliver den derefter udsuget på toiletterne. I toiletterne er der så elektrisk gulvvarme i der bliver trinvist styret efter behov. I ventilationsrummet er der placeret en varmeveksler og en cirkulationspumpe, der via maxi kedlen modtager varmeenergi og opvarmer indblæsningsluften. Temperaturen på indblæsningsluften kan variere en del, men er blevet observeret til 15 C før varmeveksleren og 18 C efter varmeveksleren. Ventilationsanlægget er dimensioneret til at levere en luftmængde på 13,5 kubikmeter i sekundet. Ventilationsanlægget er også udstyret med et køleanlæg der bliver anvendt, hvis nu udetemperaturen skulle blive for høj, hvilket er om sommeren. Figur 3: Opbygningen af ventilationsanlægget ombord 14

16 Analyse af fremdriftsmotorene Før en eventuel energioptimering af hydroforsystemet/varmtvandssystemet kan finde sted, bliver det først lavet en undersøgelse på hvordan skibet bliver anvendt. Ved analyse af driften på Stril Mariner er der indhentet oplysninger om driften på skibets hovedmotorer. Dette er for at afdække hvor mange driftstimer motorerne er aktive. Ifølge de udleverede oplysninger på timetallet på motorerne hos Stril Mariner, kan man se at skibet har en gennemsnitlig driftstid på 31,9 timer pr. dag for alle motorerne for hele året 9. Disse data stammer fra hele året 2014 og er hentet fra skibets ECR 10. Når man studerer timetallene, kan disse godt variere lidt efter hvilken måned, der er i året. Grunden til at man har disse variationer, er på grund af hvilke arbejdsopgaver skibet bliver sendt ud på og hvilket vejr der er på søen. Efter betragtning af timetallene, vurderes det som værende ok at regne med at der altid som minimum er en eller flere hovedmotorer der kører 100% af tiden. Driften på hovedmotorene vil derfor være således at man regner med at der altid er en motor kørende til at levere effekt til skibets forbrugere. Denne oplysning vil derfor blive brugt i dette projekt fremover. Det skal bemærkes at når man en stor del af tiden kun har en enkelt motor kørende, prøver man at tilpasse motorenes timetal således at man skifter imellem hvilke motorer skal være i drift. Denne oplysning vil der senere blive anvendt, når der skal implementeres udstødningskedel til en motor. Som førnævnt på belastningsgraden, er den blevet observeret ombord gennem mit ophold ombord. Denne belastning er vurderet til at være den mindste belastningsgrad, der er på 25% 11 når skibet ligger ved kaj, hvilket medfører at det specifikke brændsstofsforbrug er aflæst til at være 0,266 g/kwh 12. Dette specifikke brændstofsforbrug vil blive anvendt i projektet fremover, når der senere skal regnes på tilbagebetalingstid og besparelse. Når der senere i projektet skal gives forslag til energioptimering af hydroforsystemet, vil der i røggasforslaget blive undersøgt om man kan implementere en enkelt udstødningskedel på en motor. Som det andet forslag til energioptimering af hydroforsystemet, vil der blive undersøgt om man kan udnytte varmeenergien i motorens høj temperatur side. 9 Bilag 3 Tabel over timetal på motorer ho Stril Mariner og øvrige skibe I rederiet 10 ECR: Engine Control Room 11 Bilag 7 Belastning på motor når skibet ligger ved kaj 12 Bilag 1 Data på fremdriftsmaskineriet/dieselgenerator 15

17 Maxi kedlen Maxi kedlen ombord er en elektrisk drevet og termostatstyret kedel med en maximal effekt på 75 KW. Kedlens dimensioner er 1,50 m i højden, 0,50 m i bredden og 0,8 m i dybden 13. Kedlens primære opgave er at opvarme det varme forbrugsvand, tankvask systemet og til at opvarme ventilationsluften ombord. Inde i elkedlen sidder der en cylindrisk beholder med en volumen på 0,76 m3 som modtager varmen fra elektriske varmelegemer, der har direkte kontakt med kedelvandet. Kedlen har fire varmeelementer på henholdsvis 2x12,5 og 2x25 KW elementer, hvoraf kun tre er i brug. Maxikedlen er termostatsstyret. Varmeelementerne der overfører varmeenergi til vandet er af syrefast materiale Vandet i kedlen bliver cirkuleret i et lukket kredsløb imellem varmeveksleren (751-W02) der afgiver varmeenergi til forbrugsvandet, ventilationsanlægget og tilbage til kedlen 14. Kedelvandet bliver pumpet igennem en varmeveksler og ind i kedlen igen. Temperaturen ved denne del bliver opvarmet til ca. 69 C 15 Figur 4: Eget foto På den sekundære side af varmeveksleren, strømmer det returnerede vand forbi og modtager varmen igen i veksleren og bliver så pumpet ud igen til forbrugerne. Det varme vand bliver så ført videre til ventilationsanlægget og forbrugsvand til apteringen. I den lukkede kreds sidder der en varmtvandsbeholder (751-08) 16 der har et volumen på 170 liter. Denne beholder fungerer som en bank, som holder på det varme vand. Hvis der pludselig sker at man får et højt effektforbrug vil denne beholder afgive varmeenergi, således at elkedlen får tid til at skal starte op så snart 13 Bilag 14 Data på Maxi kedlen 14 Bilag 10 (581 Hydrofor system) 15 Bilag 21 Kontrolpanel for Maxikedel 16 Bilag 10 Lige over Maxi kedlen 16

18 der sker ændring i belastningen. Der er i forbindelse med elkedlen to varmtvandspumper, hvor den ene cirkulerer forbrugsvandet rundt i systemet og til varmtvandsbeholderen og den anden sidder som reservepumpe. På returlinjen sidder der en enkelt pumpe af samme størrelse og pumper vandet ind i varmeveksleren igen for at derefter at blive varmet op igen af elkedlens varmeenergi. Så snart elkedlen via en temperaturtransmitter placeret på tilgangssiden registrerer et fald i temperaturen, vil den aktivere varmeelementerne for at afgive varmeenergi til kedelvandet. 17

19 Analyse af drift af Maxi kedlen For at kunne kortlægge det aktuelle forbrug på Maxi kedlen, er der ved observation i løbet af to uger, indsamlet data til at få et estimeret gennemsnitsforbrug. For at kunne kortlægge forbruget på kedlen, blev dette til noget af en udfordring da man ikke havde nogen effektmåler til at registrere effektforbruget med. Efter en grundig overvejelse hvordan dette kunne gøres, fandt jeg en måde til at registrere forbruget, hvilket var at finde ud af hvor længe varmeelementerne var aktive. Effektmålingerne blev foretaget to gange i døgnet, dvs., morgenen og aften, i en periode på 20 minutter ad gangen. I disse 20 minutter blev i maskinrummet fysiskt observeret, hvor længe de tre forskellige varmeelementer var inde og levere effekt til kedelvandet. Dette var observeret over en periode på to uger for at få et realistisk gennemsnitligt resultat. Meningen med denne måling er at man får kortlagt hvor stort forbruget er og finde ud af om kan finde en udstødningskedel, i det første forslag, der kan klare behovet. Dette gør sig også gældende for kølevandsoptimeringen i det andet forslag, om den kan klare at overføre denne effekt til kedelvandet. Nedenfor er der udarbejdet en grafisk oversigt af bilag 5 der viser det gennemsnitlige effektforbrug pr. dag for skibets elektriske kedel over en tid på to uger 17. Som man kan se på den illustrerede graf, så kan der konstateres, at den varierer noget fra dag til dag. Grunden til disse variationer kan der være flere årsager til. Årsagerne kan være de skiftende udetemperaturer, der gør at der skal mere effekt til ventilationsvarmeveksleren for at opretholde temperaturen. En anden faktor der også gør sig gældende er hvor meget varmt vand der bliver Figur 5: Grafisk oversigt over elkedlens effektforbrug pr.time anvendt hvilket f.eks. kunne være bruserne, og kabyssen. For at kunne belyse hvor meget det koster at holde Maxi kedlen i drift, vil der nu blive lavet en beregning over driften under energiberegninger. For at få det realistiske resultat, er det på den grafiske oversigt (Figur 5) lavet en graf, der strækker sig over forbruget i en periode på to uger. På bilag 5 kan man se effektværdierne og der også udregnet hvor stort det gennemsnitlige forbrug er. 17 Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) 18

20 Forbruget er på bilag 5 udregnet til at være 23,91 KW/h 18. Den største belastning der er blevet observeret ligger på 30,54 KW og er blevet observeret den 31-03/ Priser på MGO Skibet Stril Mariner har sin daglige rute på Nordsøen hvor det ligger standby og klart til at servicere tre forskellige platforme hos BP (British Petroleum) Skibet har en fast 5 årig aftale med BP til at levere dieselolie når skibet anløber i havn 20. Da priserne på oliemarkedet kan svinge en del, anvender jeg en fast pris på 5700 kr. pr. metrisk tons der er fra år Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) 19 Bilag 5 Driftsanalyse af varmtvandskedlen (Maxi kedlen) 20 Samtale med maskinchef Ebbe Petersen 21 Bilag 4 Tabel over olieforbrug og pris 19

21 Energiberegninger Når der i projektet skal blive foretaget energiberegninger på varmtvandssystemet, er der nogle faktorer man skal være klar over. I forbindelse med motorenes belastning, er der blevet observeret belastningen på motoren når skibet befinder sig i moderat sø, er blevet observeret til at være ca. 25 % belastning, med en motor kørende. Denne belastningsgrad vil blive anvendt fremover i projektet, i forbindelse med udregningerne i forbindelse med SFOC 22. På tabellen nedenfor kan man se hvordan det specifikke brændstofsforbrug varierer med belastningen på motoren. Ved 25 % belastning kan det specifikke brændstofsforbrug aflæses til at være 0,266 g/kwh 23. Dette betyder at ved denne aktuelle belastning koster det 0,266 gram MDO 24 for at kunne producere 1 KWh ombord. Der vil nu blive regnet lidt på Maxi kedlen, for at afdække hvor store omkostningerne er for at have den elektriske kedel i drift. Forbrug af Marine Diesel Oil pr. døgn = (effektforbrug Maxi * SFOC)*24 timer = 23,91*0,266*24 =152,64 Kg MDO/døgn = Liter MDO/døgn Pris pr. døgn = antal liter MDO * pris pr. liter MDO = 177,48 * 5,700 = 1011,70 Nkr.pr. døgn Forbrug af Marine Diesel Oil pr. år På årsbasis = Liter MDO/døgn * 365 dage = 177,48 * 365 = liter MDO/årsbasis Pris pr. år = antal liter MDO * pris pr. liter MDO = * 5,700 = Nkr/årsbasis Som det ses i udregningerne, så er det noget omkostningsfuld at have Maxi kedlen kørende. Man er kommet frem til at på årsbasis, vil der blive brugt 64,78 m 3 af brændstof, hvilket svarer til en årlig omkostning på cirka Nkr om året. Efter at have analyseret driften på Maxi kedlen, vil der nu i projektet se på hvilke muligheder der er for at kunne energioptimere varmtvandssystemet/hydroforsystemet og måske helt erstatte Maxi kedlen. 22 SFOC Specific Fuel Oil Consumption 23 Bilag 1 Data på fremdriftsmotorene/dieselgeneratorene 24 MDO: Marine Diesel Oil 20

22 Optimeringsforslag 1 (Udnyttelse af røggassen) Der vil derfor som førnævnt i problemformuleringen, blive kigget på to forskellige systemer og givet to forskellige forslag. Disse forslag omfatter at udnytte skibets røggassystem ved at implementere en WHR 25. Det andet er hvordan man kunne udnytte varmeenergien der bundet i motorenes kølevand på højtemperatursiden. Som det første forslag til at energioptimere hydroforsystemet, vil der i denne første del blive undersøgt om en implementering af en WHR (Waste Heat Recovery) udstødningskedel kan finde sted. Udstødningskedler har igennem årene, vundet mere frem i den maritime sektor, grundet af det store energi potentiale der findes i udstødningsgassen og som ellers ville have gået tabt op i den blå luft. En fælles ting for alle dieselmotorer er, at det termiske tab med udstødningsgassen er meget stort i forhold til den energi, som udvikles ved forbrændingen i motorerne 26. For at kunne reducere disse tab, kan man ved implementering af en udstødningskedel, genvinde noget af effekten og bruge den til andre formål og spare på brændstoffet og reducere CO 2 udslippet, der bidrager til drivhuseffekten. Disse formål kan være at man anvender udstødningskedlen til at opvarme olie i forbrug og settlingstanke samt til opvarmning af ferskvand til skibets hydrofor system (kabyssen, baderum og toilet). En vigtig faktor når man skal til at energioptimere, er at kigge på driften på selve skibet. Som førnævnt i driftsanalysen er der kommet frem til at skibet har opereret i 100% af tiden for år Det kan konstateres at der altid har været som minimum været en motor inde og levere effekt til hovedtavlen. Der er blevet fortaget målinger af udstødningstemperaturen over en periode, hvor man er kommet frem til at temperaturen ligger og svinger imellem C 27 lige efter turboladeren. Det skal dog her bemærkes at udstødningstemperaturen varierer meget efter hvilken belastning der er på motoren. For at kunne installere en udstødningskedel ombord i maskinrummet, skal udstødningskedlen gerne monteres så tæt på motoren som det nu kan lade sig gøre. Dette er på grund af at få den bedste varmeudnyttelse, da temperaturen ellers vil falde ved en større afstand fra motoren. I maskinrummet på Stril Mariner har alle fire motorer, hver sit eget udstødningsrør og er isoleret med mineraluld og har en metalkappe udenpå. Grunden til at man har isoleret udstødningsrørene, er for at holde temperaturen i maskinrummet på et kølig niveau WHR Waste Heat Recovery 26 Dampkedler af K.F. Larsen side Bilag 19 Driftsdata på diesel generator 3 28 Bilag 15 billede af udstødningsrør i maskinrum 21

23 Da man skal til at bestemme effekten der findes i udstødningsgassen og hvor meget af effekten der bliver afsat til vandet i udstødningskedlen, er man nødt til at anvende noget kedelteori. Det man skal kende, er hvor megen røggas, temperaturfald og hvor stor varmekapaciteten i røggassen er. Effekten der bliver overført til vandet, kan udtrykkes i denne formel og beregnes ved: P kedel = m røg * (t 1 -t 2 ) * C røg (Kw/h) Hvor: m røg = massen af udstødningsgas i Kg/sek (t 1 -t 2 ) = Temperaturdifferencen til og fra udstødningskedlen C røg = Varmefylden i udstødningsgassen ved de pågældende temperaturer Det skal bemærkes at ved at bruge denne formel, så er tab til omgivelserne også medregnet. Der vil nu blive beregnet hvor stort røggastabet er, ved lavest belastning når skibet ligger ved kaj. Belastningen her ligger på 25% 29 som er den mindste belastning der er blevet observeret. En del af tallene jeg anvender i denne beregning stammer fra bilag 1 og bilag 19. Varmefylden fra røggassen er antaget til at være cirka 1,05 30 Massefylden for atmosfærisk luft er antaget for at være 1,225 Kg/m3 ved 15 C 31 Temperaturen i maskinrummet er observeret til at være 21 C. Massefylde for MDO er 0,86 Kg/m3. mluft = 1825 L/min = 1,825 m3/min = 1,825 x 1,225 = 2,23 Kg.luft/sek. mdiesel = 80 L/h = 80 *0,86 = 0,01911 kg.diesel/sek m røg = m Luft + m diesel = 2,23 + 0,01911 = 2,2547 Kg.røg/sek. Prøggas = mrøg x (trøg - tmaskinrum) * Crøg (Kw/h) Prøggas = 2,2547 * (280 21) x 1,05 = 613,175 Kw/h 29 Belastning af en motor, når skibet ligger ved kaj. 30 Dampkedler af K. F. Larsen

24 På udregningerne kan det ses at 613,175 Kw/h går tabt til omgivelserne ved den mindste observerede belastning på 25%. Hvis motoren bliver belastet yderlige, medfører det at temperaturen på røggassen derimod stiger. Dette medfører også at røggastabet yderligere vil stige i takt med belastningen. Set i lyset af dette store tab, med denne belastningsgrad, vurderes det, at en implementering af en udstødningskedel burde kunne finde sted. 23

25 Implementering af udstødningskedel Formålet med dette afsnit, er at der vil blive givet en forståelse på hvordan udstødningskedlen kan blive implementeret i systemet. I forbindelse med implementeringen af kedlen kræves der at der vil blive lavet et indgreb på det eksisterende hydroforsystem. Der i forbindelse med implementeringen blive ændret så lidt som muligt med henblik på omkostningerne der følger med. Udstødningskedlen tænkes som udgangspunkt at erstatte den eksisterende el kedel (Maxi boiler) som forsyner skibet med varmt vand. Der vil nu blive givet en forklaring på hvordan dette system kunne implementeres. På tegningen på højre side, øverst i tegningen, er der indhentet en tegning fra skibets hydroforsystem, der viser hvordan systemet er opbygget. Maxi kedlen som førnævnt, forsyner skibet med varmt vand til apteringen og ventilationssystemet. Nedenfor er der blevet skitseret et forslag på hvordan man kunne udbygge på det eksisterende system Figur 6: Skitse af forslag til implementering af udstødningskedel og varmeveksler. med en udstødningskedel. For at kunne forklare det på en mere overskuelig måde, vil der blive startet fra cirkulationspumperne. På systemet sidder der to cirkulationspumper der er nummererede ( og ) 32, der har til opgave at cirkulere det varme vand til skibets forbrugere. Pumperne er begge parallelt forbundne og hvor kun den ene er i drift, hvoraf den anden fungerer som backup, hvis nu den ene skulle svigte. Fra cirkulationspumpen bliver vandet ledt igennem Ventil 74 og videre til Ventil 71 og igennem Maxi kedlen, hvor det bliver opvarmet. 32 Bilag 10 Identifikationsnummer af cirkulationspumper på tegning 24

26 Da det nu tænkes at erstatte Maxikedlen med udstødningskedlen, er der blevet besluttet at bypasse vandet udenom Maxikedlen, ved at lukke for Ventil 70 og V71 og åbne for ventil Dette medfører at vandet bliver ledt udenom maxikedlen gennem ventil 72 og bliver pumpet til den implementerede udstødningskedel, hvor det får tilført varmeenergi af udstødningsgassen. Der vil fra Maxi kedlen blive ført nye rør til at forbinde udstødningskedlen med og ses som blå og rød farve på bilag 10. Vandet der nu har modtaget varmeenergi fra udstødningskedlen, bliver nu pumpet videre gennem ventil V69 og til en varmeveksler (751-W02) 34, hvor det afgiver noget af varmeenergien til forbrugsvandet, der er forbundet til varmeveksleren. Fra afgang fra varmeveksleren gennem ventil V68 bliver vandet så pumpet videre til skibets ventilationsanlæg hvor det igennem et varmeelement, afgiver varmeenergi til indblæsningsluften. Når vandet har været igennem ventilationssystemet og igennem cirkulationspumpen, vil det i stedet for at blive ført igennem Maxi kedlen, blive bypasset som førnævnt via ventil V.72 til Maxi kedlen, blive ført til udstødningskedlen for at derefter at blive opvarmet fra igen. Da der nu er blevet givet forslag på hvordan udstødningskedlen kan blive implementeret i hydroforsystemet, vil der blive undersøgt om der er nogen udstødningskedel der passer til behovet og motoren ombord. Efter at have undersøgt på nettet efter udstødningskedler, blev der fundet frem til firmaet Ulmatec, der er lokaliseret i Søvik Norge. Dette firma specialiserer sig at fremstille udstødningskedler, der er beregnet til mindre skibsmotorer 35. Som nævnt i analysedelen af Maxikedlen, så skal udstødningskedlen gerne have et kedeludbytte på minimum 30,54 KW, som er den største belastning der er blevet observeret på Maxi kedlen 36. Efter at have snakket og mailet 37 med firmaet Ulmatec, er man kommet frem til at de har en udstødningskedel i deres program der passer til varmebehovet ombord 38. Denne udstødningskedel har et kedelydelse 41 KW når motoren er belastet med 25%. Det skal dog bemærkes at hvis motoren belastes yderlige op til 50, 75 og 80% bliver kedelydelsen henholdsvis 122, 231 og 257 KW 39. Ud fra disse oplysninger kan det hermed konstateres at udstødningskedlen har effekt nok til at opvarme vandet til hydroforsystemet. 33 Bilag 18 ventiler V70, V71 og V72 34 Identifikationsnummer af varmeveksler på bilag Telefonisk samtale med Karstein Nygård fra firmaet Ulmatec 36 Bilag 5 Driftsanalyse af Maxi kedlen 37 Bilag 13 Udveksling af mails med Karstein Nygård 38 Bilag 17 Data på den dimensionerede udstødningskedel 39 Bilag 17 Data på udstødningskedel 25

27 KEDELYDELSE I KW/H På et eller andet givent tidspunkt, kan der godt forekomme at man får en overproduktion af varmeenergi, der bliver overført til kedelvandet. Dette kan tænkes at være om sommeren, hvor varmebehovet til f.eks. ventilationen ikke er så stort eller at hvis motorbelastningen er stor. Dette medfører at temperaturen på kedelvandet kan stige til et uacceptabelt niveau. For at forhindre dette, er kedlen forsynet med et bypassrør der sammen med et røggasspjæld, regulerer hvor stort flowet af udstødningsgas skal igennem kedlen. Røggasspjældet bliver reguleret af et pneumatisk stempel som bliver reguleret via en kedeltermostat, der direkte har forbindelse med kedelvandet. Dette betyder at selve udstødningskedlen er helt automatisk styret og ikke kræver at man laver eksterne reguleringer på den 40. På figur.7 er der vist en kurve over hvor belastningen på motoren i procent og kedelydelsen i Kw/h Cummings KTA50-D(M1) BELASTNING PÅ MOTOREN Figur 7: Grafisk oversigt over kedelydelse og motorens belastning Efter at have gennemgået beskrivelsen og implementeringen af udstødningskedlen, så den fungerer efter hensigten, vil der nu blive kigget på det økonomiske aspekt. Det vil sige at der nu vil blive regnet lidt på anskaffelsesomkostninger og tilbagebetalingstid for kedlen. 40 Telefonisk samtale med Karstein Nygård fra firmaet Ulmatec 26