Development of a Fuel Gas Supply System for Ammonia-Fueled Ships
Sandvik, Mathias (2021)
Sandvik, Mathias
2021
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021100349257
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021100349257
Tiivistelmä
Renewable fuels are a topic that has a growing interest when focusing on climate change and reduction of greenhouse gases. In the maritime industry, the International Maritime Organization has set up emission restrictions for the years 2030 and 2050. To reach these low emission levels, ammonia could be a suitable choice as fuel since it is carbon-free and, therefore, no carbon dioxide emissions are produced when burning it either.
The objective of this work was to gather information about ammonia and investigate how a fuel system would be arranged in the best way. Since Wärtsilä is designing LNG fuel systems already, it was of interest to examine similarities and differences between LNG and ammonia.
For storing ammonia refrigerated, it requires that the tank is insulated. In the material and methods chapter, it is described how the required insulation thickness is calculated, as an option to an internal Matlab code for holding time for the tank. The insulation thickness is of great importance, since it affects the total size of the tank. To manage the boil-off gas that is formed, a re-liquefaction calculation is done based on a reversed Rankine cycle. To gain an understanding of the functionality and safety level of the fuel system, a failure mode and effect analysis was done.
The results of this research consist of material requirements and fuel processing gathered from literature together with the outcomes from the methods. From the holding time calculation, it is clarified that 100 mm of polyurethane insulation is in line with the regulations. Based on the boil-off gas rate, a figure is made, showing the energy circle of a re-liquefaction process. Outcomes from the FMEA show that there can be risks with the system but nothing critical. In addition to this thesis, a report and technical specifications for ammonia and ammonia ready LNG systems are made for internal use at Wärtsilä.
Since there are only drafts of rules now, further research could be more focused on specific areas of the fuel system to improve and optimize it. Arrangement of ventilation and ammonia treatment are subjects with numerous question marks to clarify. ----------
Förnybara bränslen är ett ämne med växande intresse eftersom fokus på klimatförändringar och minskning av växthusgaser blivit alltmer aktuellt. Inom sjöfartsindustrin har Internationella sjöfartsorganisationen IMO infört utsläppsbegränsningar för åren 2030 och 2050. För att nå dessa låga utsläppsnivåer kan ammoniak vara ett lämpligt val som bränsle eftersom den är kolfri och därmed produceras inga koldioxidutsläpp vid förbränning.
Syftet med detta arbete var att samla in information om ammoniak och undersöka hur ett bränslesystem baserat på den skulle fungera på bästa sätt. Eftersom Wärtsilä redan konstruerar LNG-bränslesystem var det även av intresse att undersöka likheter och skillnader mellan LNG och ammoniak.
För lagring av kyld ammoniak krävs det att tanken är isolerad. I arbetet beskrivs hur den önskade isoleringstjockleken beräknas, som ett alternativ till en intern Matlabkod för tankens hålltid. Isoleringstjockleken är av stor betydelse eftersom den påverkar tankens totala storlek. För att hantera boil off-gasen som bildas görs en kondenseringsberäkning baserat på en omvänd rankinecykel. För att få en förståelse av bränslesystemets funktionalitet och säkerhetsnivå gjordes en FMEA, feleffektsanalys.
Resultaten av denna undersökning består av materialkrav och förslag till bränslehantering som sammanställts från litteraturen tillsammans med resultaten frånundersökningarna där metoderna tillämpats. Beräkningen av hålltiden visar att 100 mm polyuretanisolering är i linje med reglementen. Baserat på förångningshastigheten gjordes en figur som visar energicirkeln i en kondenseringsprocess. Resultaten från FMEA visar att det kan finnas risker med systemet men inget kritiskt. Utöver denna avhandling gjordes en rapport och tekniska specifikationer för ammoniak- och ammoniakfärdiga LNG-system för internt bruk i Wärtsilä.
Eftersom det bara finns utkast till regler i nuläget kan ytterligare forskning vara mer inriktad på specifika områden i bränslesystemet för att förbättra och optimera det. Arrangemang av ventilation och ammoniakbehandling är ämnen med många frågetecken att klargöra.
The objective of this work was to gather information about ammonia and investigate how a fuel system would be arranged in the best way. Since Wärtsilä is designing LNG fuel systems already, it was of interest to examine similarities and differences between LNG and ammonia.
For storing ammonia refrigerated, it requires that the tank is insulated. In the material and methods chapter, it is described how the required insulation thickness is calculated, as an option to an internal Matlab code for holding time for the tank. The insulation thickness is of great importance, since it affects the total size of the tank. To manage the boil-off gas that is formed, a re-liquefaction calculation is done based on a reversed Rankine cycle. To gain an understanding of the functionality and safety level of the fuel system, a failure mode and effect analysis was done.
The results of this research consist of material requirements and fuel processing gathered from literature together with the outcomes from the methods. From the holding time calculation, it is clarified that 100 mm of polyurethane insulation is in line with the regulations. Based on the boil-off gas rate, a figure is made, showing the energy circle of a re-liquefaction process. Outcomes from the FMEA show that there can be risks with the system but nothing critical. In addition to this thesis, a report and technical specifications for ammonia and ammonia ready LNG systems are made for internal use at Wärtsilä.
Since there are only drafts of rules now, further research could be more focused on specific areas of the fuel system to improve and optimize it. Arrangement of ventilation and ammonia treatment are subjects with numerous question marks to clarify.
Förnybara bränslen är ett ämne med växande intresse eftersom fokus på klimatförändringar och minskning av växthusgaser blivit alltmer aktuellt. Inom sjöfartsindustrin har Internationella sjöfartsorganisationen IMO infört utsläppsbegränsningar för åren 2030 och 2050. För att nå dessa låga utsläppsnivåer kan ammoniak vara ett lämpligt val som bränsle eftersom den är kolfri och därmed produceras inga koldioxidutsläpp vid förbränning.
Syftet med detta arbete var att samla in information om ammoniak och undersöka hur ett bränslesystem baserat på den skulle fungera på bästa sätt. Eftersom Wärtsilä redan konstruerar LNG-bränslesystem var det även av intresse att undersöka likheter och skillnader mellan LNG och ammoniak.
För lagring av kyld ammoniak krävs det att tanken är isolerad. I arbetet beskrivs hur den önskade isoleringstjockleken beräknas, som ett alternativ till en intern Matlabkod för tankens hålltid. Isoleringstjockleken är av stor betydelse eftersom den påverkar tankens totala storlek. För att hantera boil off-gasen som bildas görs en kondenseringsberäkning baserat på en omvänd rankinecykel. För att få en förståelse av bränslesystemets funktionalitet och säkerhetsnivå gjordes en FMEA, feleffektsanalys.
Resultaten av denna undersökning består av materialkrav och förslag till bränslehantering som sammanställts från litteraturen tillsammans med resultaten frånundersökningarna där metoderna tillämpats. Beräkningen av hålltiden visar att 100 mm polyuretanisolering är i linje med reglementen. Baserat på förångningshastigheten gjordes en figur som visar energicirkeln i en kondenseringsprocess. Resultaten från FMEA visar att det kan finnas risker med systemet men inget kritiskt. Utöver denna avhandling gjordes en rapport och tekniska specifikationer för ammoniak- och ammoniakfärdiga LNG-system för internt bruk i Wärtsilä.
Eftersom det bara finns utkast till regler i nuläget kan ytterligare forskning vara mer inriktad på specifika områden i bränslesystemet för att förbättra och optimera det. Arrangemang av ventilation och ammoniakbehandling är ämnen med många frågetecken att klargöra.