1MARINTEK

Gass som energikilde i skip- Fordeler og ulemper

- Utfordringer i realisering av gassbruk

Per Magne EinangMARINTEK

Medlemsmøte - Maritim forening for Søre Sunnmøre 28. oktober 2003

2MARINTEK

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 NetherlandsTourist 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)

Klatawa

3MARINTEK

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 establishunder rules for classification of ships:

Gas Fuelled Engine Installation (2001)

4MARINTEK

Natural gas as fuel – Type of ships

Need relatively large space for storageNot to be weight sensitive

Car/passenger ferriesCostal freight shipsOffshore supply ships

Large high speed crafts

5MARINTEK

Stort potensiale for utslippsreduksjoner

Reduksjonspotensialet ved overgang til naturgass:Ferge 25-100 tonn/årSupply 500 tonn/år

NOx - tonn per år

0

50000

100000

150000

200000

250000

1990 2001 2010

Andre

Skip og båter

Veitrafikk

Prosessutslipp

Industri

Olje og gassMål2010

Nødvendig reduksjon65000 tonn (30%)

6MARINTEK

Nye gassferjer etter Glutra

Behov for ytterligere forskning og utvikling?

7MARINTEK

Tema i gassferjediskusjonen:

MiljøaspektetGass 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 (MARINTEK har dokumentert at reduksjonspotensialet ligger reelt i området 30-55%)

Gass distribusjonEtablert JIP prosjekt som arbeider med logistikkløsning for LNG distribusjon med skip langs norskekystenLNG distribusjon vil bli ytterligere utredet høsten 2003 (NVE).

Må gass være dyrere enn diesel?FOU behov

Gass teknologi implementert. Er det reelle FOU behov?

MiljøaspektetGass eller renseteknologi?Gass distribusjon/logistikkKostnadsnivåReelle FOU behov

8MARINTEK

M/F Nordfjord – Installert SCR eksos rensing

Samband: Isane – StårheimMålinger

Aksel effektDrivstofforbrukAvgassmålinger

Tilfredstiller DNV klassenotasjon ”clean design”

To hovedmotorer, to katalysatorerKatalysatoren taes ut av drift når:

Motorbelastningen er under 10%Eksos temp. under 270 °CEksos temp. over 500 °C

Effektfordeling en rundtur - Hovedmotorer

0

200

400

600

800

1000

0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45

Tid [h:min]

Effe

kt [k

W]

Hovedmotor 1 Hovedmotor 2 MCRMCR - 1040 kW

9MARINTEK

M/F Nordfjord - Selektiv Katalytisk Reduksjon (urea)

SCR katalysator installasjonHorisontalt i motorromMultifunction:

To trinn SCREtt trinn oksiderende katalysatorIntegrert lyddemper

NOx reduksjonsgradNOx reduksjon:

80% ved lav last55% ved høy last

Prosjektert for å tilfredstille DNV klassenotasjon ”Clean design”. Potensial for høyere NOx reduksjon

NOx reduksjon

0

2

4

6

8

10

12

14

25 45 75 85

Last [% av MCR]

NO

x [g

/kW

h]

NOx - før NOx -etter

10MARINTEK

M/F Nordfjord SCR – operativ tid

SCR aktivitet en rundtur - Hovedmotor 1

0

200

400

600

800

1000

0:00 0:05 0:10 0:15 0:20 0:25 0:30 0:35 0:40 0:45

Tid [h:min]

Effe

kt [k

W]

0

1

SCR

av/

på

Effekt SCR av/på SCR-anlegget er ute av drift 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 %

SCR av / på

0

1

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]

Av

/ på

(0=a

v, 1

=på)

SCR aktiv i 23,1 % av tiden

11MARINTEK

Kostnader forbundet med SCR Kapitalkostnader

M/F NordfjordInnkjøp: 1 600 000Installasjon og idriftsettelse: 900 000

Typisk 155 pbe. fergeInnkjøp: 4 600 000Installasjon og idriftsettelse: 1 900 000

DriftskostnaderUrea: ~ 2,00-2,50 kr pr kg urea, tilsvarer 3,50-4,00 kr pr. kg NOxVedlikehold: Nøkkeltall ca 3% av innkjøpskostnadene Katalysatormasse må skiftes etter en gitt tid. Garantitid typisk 40 000 timer

ReduksjonspotensialSterkt avhengig av samband og effektuttak av motorer ~ 20%-50%15 – 50 kr pr. kg NOx

12MARINTEK

Kritiske spørsmål i gassfergediskusjonen:KostnadsnivåEn prototyp ferje bygget (Glutra). Potensial for betydelig kostnadsreduksjon for neste generasjoner ved:

Utvikle regelverk og redusere kostnadsdrivende elementerUtvikling 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 behovVil redusere kostnadsnivåetNødvendig for å utvikle regelverkFor utvikling av beslutningsstøtteverktøy for objektiv konsept-og anbudsevalueringFor utvikling av fremtidig eksportprodukt for norsk industri

13MARINTEK

M/F Glutra – 100 pbe fergeSamband: Sølsnes – Åfarnes

MålingerAkseleffektDrivstofforbrukAvgassmålinger

Drivstoff:LNG (flytende naturgass) 99% metan

Fire gass motor generatorsettTo generatorer i drift ved normal operasjonSamlet NOx reduksjon sammenlignet med dieseldrift – 75%

One round trip - Power Generator 2 & 3

0100200300400500600700

0 5 10 15 20 25 30 35Time [min]

Pow

er [k

W]

Generator 2Generator 3

14MARINTEK

M/F Glutra – Gasselektrisk fremdrift

Gassmotor generatorsettLean Burn forkammer tennplug 4 generatorsett 675 kW per enhetGeneratorsett i separate motorrom

NOx utslippNOx reduksjon i gjennomsnitt 75% sammenlignet med dieseldrift

NOx emissions

02468

1012

25 50 75 100Load [%]

NO

x[g

/kW

h]

Diesel operationGas operation

15MARINTEK

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.

16MARINTEK

4 gassmotor generatorer (676kW)

2 LNG lagertanker (30 m3)

Gasselektrisk fremdrift

17MARINTEK

Karakteristisk gassmotor på 2,5 MW

God virkningsgrad på høy last > 60 % av nominell ytelseØkt spesifikt forbruk ved lav last

Konstant lave NOx-utslipp over lastområdet 160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

260

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Last [% av MCR]

Spes

ifikt

bre

nnst

offo

rbru

k [g

/kW

h]0

2

4

6

8

10

NOx

[g/k

Wh]

sfoc - propellerkurve sfoc - generatorkurve NOx

18MARINTEK

The Rolls Royce Lean Burn ConceptK-type engine

Performance

Engine load (Bmep): 16-18 bar

Shaft efficiency: 44%

NOx: 1,1 g/kWh

19MARINTEK

Rolls Royce K-type Lean Burn Gas engineTransient test at MARINTEK (water brake)

RPM

500

700

900

1100

0 10 20 30

0 - nearly 100 % load: Combinator & idle to rated in 10 sec. speed ramp

Nm torque

0

2000

4000

6000

0 10 20 30

Lambda measured

0

1

2

3

0 10 20 30

20MARINTEK

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 påLNG, 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 påbygging og drift.

21MARINTEK

22MARINTEK

23MARINTEK

Budsjettkostnader 155 pbe gassfergeTankanlegg: ~ 7 mill.Merkostnad motor + kontrollsystem: ~ 3,5 mill.Andre kostnader: ~ 1,5 millTotal: 12 millAnnuitetskostnad: 1,2 mill (20 år, 8% rente)Merkostnad drivstoff: 270 000 pr år (Forutsatt dieselekvivalent pris på energibasis)

Reduksjonspotensial: 90% 160 tonn pr år pr ferge

Kost-nytte: 11 kr pr kg NOxEn gasspris ca 20% laver enn dieselolje kan bære hele investeringen

24MARINTEK

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 åfastlegge mer objektive behov for eksplosjonssikring.

25MARINTEK

Snøhvit

Visjon ”Kystgass”

Eksport av LNG

Kystgass

Kystgass skip

Kystgass skip

Lokalt LNG skip

Lokalt depot

Regionale depot

SnøhvitSalg av LNG,grossist, direktesalg Etablering av skipsbasert distribusjonskjedeNOx reduksjonstiltak,koblet mot overgang til naturgassUtvikling av verdikjede som salgbart internasjonalt konseptNorge som ledende nasjon på maritime løsninger knyttet til naturgassOppbygging av marked for gassrør

26MARINTEK

Estimering av en kostnadskjede for distribusjon av LNG i Norge

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)Ved en god utnyttelse av skipets kapasitet (over 70%) er det en betydelig margin til alternative drivstoff En slik margin viser at det er mulig å omsette LNG til en vesentlig lavere pris enn dieselolje.

Kostnadskjede LNG (ett skip 5000 m3)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

millioner Sm3/år

NO

K/S

m3

Mottaksterminaler (4 stk)FuelkostnadTC ett skip (90 000 NOK/døgn)LNG produksjonskostnad

Tilsvarer dieselolje 2.4 kr/l(innenlands avgifter)

27MARINTEK

Foreslått angrepsmåte:

MARINTEK 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.

28MARINTEK

29MARINTEK

LNG powered supply ship

LNG storage: 230 m3 (one tank )Propulsion: Diesel electric

4 Dual Fuel gas engines 2000 kW/unit4 Wärtsilä 6x32 DF (micro pilot)

Two supply ships in operation in the beginning of 2004

30MARINTEK

Gas fuelled ships (LNG)Supply ship fuelled by LNG

Gas engines:

Wärtsilä Micro pilot dual fuel

Developed by MARINTEK

31MARINTEK

The micro pilot dual fuel conceptGAS ADMISSION VALVE

TWIN INJECTION VALVEPerformance (6x32 DF)

Engine load (Bmep): 20bar

Shaft efficiency: 44 %

NOx: 1,1 g/kWh

32MARINTEK

FIRST LNG Carrier with gas engine propulsion74 000 m3 LNG Carrier with electric propulsion system

Owner: Gaz de France

Shipyard: Chantiers de l’Atlantique

4 x Wärtsilä 9L50DF GensetsTotal 34,2 MW

Normally 16,0 knot service speed

Spot cargoes on 18,5 knot speed

MDO

DF-GENSETS

CONVERTERS &TRANSFORMERS

FPP

GASSWITCHBOARD

ELEC

TRIC

MO

TOR

S

33MARINTEK

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

34MARINTEK

LNG fuel system – gas turbine

Storage capasity: 50 m3 LNG

Pressure: 30 bar

Added weight: 5-10 ton vs diesel oil10

20

30

[bar] Liquid

Equilibriumcurve

Gas/liquid

Enthalphy

Inlet pressuregas turbine

Pressure build up - LNG