Gass som energikilde i skip

Transkript

1 Gass som energikilde i skip - Fordeler og ulemper - Utfordringer i realisering av gassbruk Per Magne Einang Medlemsmøte - Maritim forening for Søre Sunnmøre 28. oktober

2 Klatawa Gas fuelled ships International experience Accolade II, Bulk carrier - Adelaide Australia (1982) Klatawa and Kulleet, Car/passenger ferries - Vancouver Canada (1985/1988) Canal boats - Amsterdam Netherlands Tourist boats - St.Petersburg, Moscow Russia (1994/1998) James C. Ecolds, Passenger ferry - Norfolk, Virginia, USA (1995) Glutra, Car/passenger ferry Molde, Norway (2000) Two supply ships Bergen, Norway (2003/2004) 2

3 Rules and regulations No international regulations existed for gas fuelled ships (disregarding LNG carriers) The Norwegian Maritime Directorate has established: Rules for gas fuelled passenger ships (2000) Rules for gas fuelled freight ship (2002) The Norwegian classification society, DNV has establish under rules for classification of ships: Gas Fuelled Engine Installation (2001) 3

4 Natural gas as fuel Type of ships Need relatively large space for storage Not to be weight sensitive Car/passenger ferries Costal freight ships Offshore supply ships Large high speed crafts 4

5 Stort potensiale for utslippsreduksjoner NOx - tonn per år Mål 2010 Reduksjonspotensialet ved overgang til naturgass: Ferge tonn/år Supply 500 tonn/år Nødvendig reduksjon tonn (30%) Andre Skip og båter Veitrafikk Prosessutslipp Industri Olje og gass 5

6 Nye gassferjer etter Glutra Behov for ytterligere forskning og utvikling? 6

7 Tema i gassferjediskusjonen: Miljøaspektet Gass gir permanent kosteffektive utslippsreduksjoner Gass eller reduksjonsteknologi? Dieselteknologi kombinert med SCR gir utslippsreduksjon. Teknologien imidlertid optimal bare for et mindretall av samband p.g.a. motorenes last- og operasjonsprofil ( har dokumentert at reduksjonspotensialet ligger reelt i området 30-55%) Gass distribusjon Etablert JIP prosjekt som arbeider med logistikkløsning for LNG distribusjon med skip langs norskekysten LNG distribusjon vil bli ytterligere utredet høsten 2003 (NVE). Må gass være dyrere enn diesel? FOU behov Miljøaspektet Gass eller renseteknologi? Gass distribusjon/logistikk Kostnadsnivå Reelle FOU behov Gass teknologi implementert. Er det reelle FOU behov? 7

8 M/F Nordfjord Installert SCR eksos rensing Samband: Isane Stårheim Målinger Aksel effekt Drivstofforbruk Avgassmålinger Tilfredstiller DNV klassenotasjon clean design Effekt [kw] Effektfordeling en rundtur - Hovedmotorer MCR kw Hovedmotor 1 Hovedmotor 2 MCR To hovedmotorer, to katalysatorer Katalysatoren taes ut av drift når: Motorbelastningen er under 10% Eksos temp. under 270 C Eksos temp. over 500 C 0 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 Tid [h:min] 8

9 M/F Nordfjord - Selektiv Katalytisk Reduksjon (urea) SCR katalysator installasjon Horisontalt i motorrom Multifunction: To trinn SCR Ett trinn oksiderende katalysator Integrert lyddemper NOx [g/kwh] NOx reduksjon NOx - før NOx -etter Last [% av MCR] NOx reduksjonsgrad NOx reduksjon: 80% ved lav last 55% ved høy last Prosjektert for å tilfredstille DNV klassenotasjon Clean design. Potensial for høyere NOx reduksjon 9

10 M/F Nordfjord SCR operativ tid Effekt [kw] SCR aktivitet en rundtur - Hovedmotor 1 1 Effekt SCR av/på SCR-anlegget er ute av drift 0 0 0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45 Tid [h:min] SCR av / på SCR aktiv i 23,1 % av tiden SCR av/på i store deler av tiden pga. lav temperatur (lav last). Anlegget operativt i 23,1% av tiden over en 5 timers periode. Total NOx reduksjon: 30 % Av / på (0=av, 1=på) 1 0 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 Tid [h:min] 10

11 Kostnader forbundet med SCR Kapitalkostnader M/F Nordfjord Innkjøp: Installasjon og idriftsettelse: Typisk 155 pbe. ferge Innkjøp: Installasjon og idriftsettelse: Driftskostnader Urea: ~ 2,00-2,50 kr pr kg urea, tilsvarer 3,50-4,00 kr pr. kg NOx Vedlikehold: Nøkkeltall ca 3% av innkjøpskostnadene Katalysatormasse må skiftes etter en gitt tid. Garantitid typisk timer Reduksjonspotensial Sterkt avhengig av samband og effektuttak av motorer ~ 20%-50% kr pr. kg NOx 11

12 Kritiske spørsmål i gassfergediskusjonen: Kostnadsnivå En prototyp ferje bygget (Glutra). Potensial for betydelig kostnadsreduksjon for neste generasjoner ved: Utvikle regelverk og redusere kostnadsdrivende elementer Utvikling av fremdriftssystem tilpasset og optimert for direkte drift. Utvikling av LNG bunkrings system. De tre skip som er bygget har hentet system utviklet for helt andre anvendelser. Utvikling og optimalisering av bunkrings system for fremtidens LNG distribusjonssystem FOU behov Vil redusere kostnadsnivået Nødvendig for å utvikle regelverk For utvikling av beslutningsstøtteverktøy for objektiv konseptog anbudsevaluering For utvikling av fremtidig eksportprodukt for norsk industri 12

13 M/F Glutra 100 pbe ferge Samband: Sølsnes Åfarnes Målinger Akseleffekt Drivstofforbruk Avgassmålinger Drivstoff: LNG (flytende naturgass) 99% metan One round trip - Power Generator 2 & 3 Power [kw] Generator 2 Generator Time [min] Fire gass motor generatorsett To generatorer i drift ved normal operasjon Samlet NOx reduksjon sammenlignet med dieseldrift 75% 13

14 M/F Glutra Gasselektrisk fremdrift Gassmotor generatorsett Lean Burn forkammer tennplug 4 generatorsett 675 kw per enhet Generatorsett i separate motorrom NOx [g/kwh] NOx emissions Diesel operation Gas operation Load [%] NOx utslipp NOx reduksjon i gjennomsnitt 75% sammenlignet med dieseldrift 14

15 FOU behov fremdrifts-system Fremdriftssystemet for gassferjer har for mange vært ensbetydende med elektrisk overføring til propell/truster. Årsaken til dette er at samtlige gassmotorer som kan tilbys en ferje er utviklet for kraftproduksjon og dermed optimert for generatordrift. En gassmotor kan like gjerne utvikles for direkte drift av propell/truster. Siden det ikke har eksistert et slik marked finnes heller ikke produktet. Så langt vi kjenner til har bare en produsent, Rolls-Royce Bergen, annonsert at de er villige til å gjøre det. Gassmotorene kan enten være rene gassmotorer med gnisttenning eller Dual-Fuel motorer med dieseltenning og med mulighet for å operere på 100% diesel olje. Begge systemene kan benyttes i en gassferje. 15

16 4 gassmotor generatorer (676kW) 2 LNG lagertanker (30 m 3 ) Gasselektrisk fremdrift 16

17 Karakteristisk gassmotor på 2,5 MW God virkningsgrad på høy last > 60 % av nominell ytelse Økt spesifikt forbruk ved lav last Konstant lave NOx-utslipp 170 over lastområdet 160 Spesifikt brennstofforbruk [g/kwh] Last [% av MCR] sfoc - propellerkurve sfoc - generatorkurve NOx NOx [g/kwh] 17

18 The Rolls Royce Lean Burn Concept K-type engine Performance Engine load (Bmep): bar Shaft efficiency: 44% NO x : 1,1 g/kwh 18

19 Rolls Royce K-type Lean Burn Gas engine Transient test at (water brake) 0 - nearly 100 % load: Combinator & idle to rated in 10 sec. speed ramp RPM Nm torque Lambda measured

20 FOU behov: LNG bunkring system LNG lagertank om bord i ferjen er en av de mest kostbare komponentene. Også her er det tilgjengelig teknologi fra en annen type anvendelse som er puttet om bord. En riksveiferje vil operere så mange dager per år som mulig. Den trenger derfor ikke en lagertank designet for langtidslagring av LNG. LNG bunkringssystem kan gjøres direkte fra bil eller fra egen landtank. Bunkringssystemet må ses i sammenheng med tilgang på LNG, nødvendig lagingsvolum om bord og system for overføring av LNG til lager om bord. Arrangement av fremdriftssystemet og LNG-lager/ fuel system kan gjøres på en rekke forskjellige måter. Det er ikke åpenbart i dag hva som gir mest kostoptimale løsning, hverken med hensyn på bygging og drift. 20

21 21

22 22

23 Budsjettkostnader 155 pbe gassferge Tankanlegg: ~ 7 mill. Merkostnad motor + kontrollsystem: ~ 3,5 mill. Andre kostnader: ~ 1,5 mill Total: 12 mill Annuitetskostnad: 1,2 mill (20 år, 8% rente) Merkostnad drivstoff: pr år (Forutsatt dieselekvivalent pris på energibasis) Reduksjonspotensial: 90% 160 tonn pr år pr ferge Kost-nytte: 11 kr pr kg NOx En gasspris ca 20% laver enn dieselolje kan bære hele investeringen 23

24 FOU behov regelverk Regelverket (forskiftene) er foreløpige og i sin nåværende form, kostnadsdrivende. Det er knyttet til områder som; eksplosjonssikring, kontroll/overvåkning, brannisolering. Flere av de eksisterende krav er satt der for sikkerhet skyld uten underbygging eller vurdering ut i fra relevante sikkerhets krav. Det kan være et behov for å utføre analyser og eksperimenter for å fastlegge mer objektive behov for eksplosjonssikring. 24

25 Visjon Kystgass Snøhvit Salg av LNG, grossist, direktesalg Etablering av skipsbasert distribusjonskjede NOx reduksjonstiltak, koblet mot overgang til naturgass Utvikling av verdikjede som salgbart internasjonalt konsept Norge som ledende nasjon på maritime løsninger knyttet til naturgass Oppbygging av marked for gassrør Kystgass Eksport av LNG Kystgass skip Regionale depot Lokalt LNG skip Lokalt depot Snøhvit Kystgass skip 25

26 Estimering av en kostnadskjede for distribusjon av LNG i Norge 4 3,5 3 Kostnadskjede LNG (ett skip 5000 m3) Mottaksterminaler (4 stk) Fuelkostnad TC ett skip ( NOK/døgn) LNG produksjonskostnad Beregningene er basert på LNG fra Snøhvit fraktet med små skip langs kysten. To skip dekker et antatt marked på 250 mill Sm3 per år (industri, transport) NOK/Sm3 2,5 2 1,5 1 0,5 Tilsvarer dieselolje 2.4 kr/l (innenlands avgifter) Ved en god utnyttelse av skipets kapasitet (over 70%) er det en betydelig margin til alternative drivstoff millioner Sm3/år En slik margin viser at det er mulig å omsette LNG til en vesentlig lavere pris enn dieselolje. 26

27 Foreslått angrepsmåte: anbefaler et fireårig F&U program hvor ovennevnte utfordringer konkretiseres og løses gjennom ett eller to gassferjekonsept som så bygges og følges opp gjennom bygging og drift med en endelig evaluering. Økonomien til en gassferje må vurderes ut fra de totale kostnadene (investering og drift) over fergens levetid. Også de reduserte miljøbelastningene bør tas inn i regskapet. Erfaringer fra en prototyp ferje ikke et tilstrekkelig grunnlag for å vurdere hva som generellt er kostoptimale løsninger for gassferjer. Deltakere i et slikt F&U program bør dekke alle relevante miljøer; myndighet (Vegdirektoratet, Sjøfartsdirektoratet) operatør (ferjerederier), utstyrsleverandører, skipskonsulenter, klasseselskap, skipsverft og forskningsinstitutt. 27

28 28

29 LNG powered supply ship LNG storage: 230 m 3 (one tank ) Propulsion: Diesel electric 4 Dual Fuel gas engines 2000 kw/unit 4 Wärtsilä 6x32 DF (micro pilot) Two supply ships in operation in the beginning of

30 Gas fuelled ships (LNG) Supply ship fuelled by LNG Gas engines: Wärtsilä Micro pilot dual fuel Developed by 30

31 The micro pilot dual fuel concept GAS ADMISSION VALVE TWIN INJECTION VALVE Performance (6x32 DF) Engine load (Bmep): 20bar Shaft efficiency: 44 % NO x : 1,1 g/kwh 31

32 FIRST LNG Carrier with gas engine propulsion m 3 LNG Carrier with electric propulsion system Owner: Gaz de France Shipyard: Chantiers de l Atlantique 4 x Wärtsilä 9L50DF Gensets Total 34,2 MW Normally 16,0 knot service speed Spot cargoes on 18,5 knot speed SWITCHBOARD GAS DF-GENSETS FPP ELECTRIC MOTORS CONVERTERS & TRANSFORMERS MDO 32

33 Gas fuelled High Speed Crafts? Large vessels not too weight sensitive Gas turbines more efficient on natural gas Pressurised LNG storage could be integrated in the hull 33

34 LNG fuel system gas turbine Pressure build up - LNG Liquid [bar] Storage capasity: 50 m 3 LNG Inlet pressure gas turbine 30 Pressure: 30 bar Equilibrium curve 20 Added weight: 5-10 ton vs diesel oil 10 Gas/liquid Enthalphy 34