Cruising towards Zero Emissions - Development of innovative and integrated cooling and heating concepts onboard cruise ships

Cruising towards Zero Emissions (CruiZE) er et samarbeidsprosjekt mellom norske teknologileverandører, verdens største cruiseoperatør, SINTEF og NTNU. Målet er å utvikle innovative, energieffektive konsepter for en mer miljøvennlig cruisenæring. Energibruk i et cruiseskips hotellfasiliteter, som oppvarming, ventilasjon, klimaanlegg og kjøling (HVAC&R), utgjør i gjennomsnitt 40% av skipets totale energibruk. Dette skiller cruiseskip fra andre skipssegmenter der fremdrift er den klart største energibrukeren. Tradisjonelt blir et cruiseskips energibehov dekket ved forbrenning av fossile brensler, noe som fører til et høyt karbonavtrykk per passasjer og luftforurensning i havner. Cruisenæringen står imidlertid overfor stadig strengere utslippskrav, både internasjonalt, regionalt og nasjonalt. I dag dekkes varmebehovet i skipenes hotellsystemer (som romoppvarming og varmt tappevann) først og fremst ved å gjenvinne spillvarme fra motorene, og supplert med en oljefyrt kjele. Kjelen brukes kun når det er mangel på spillvarme, for eksempel ved tilkopling til landstrøm i havn, eller ved drift på batteri. For skip som seiler i varmt klima er strøm til klimaanlegg (AC) en stor forbruker, og denne strømmen produseres også med fossilt brensel. Dagens systemer for AC og kjøling bruker syntetiske kuldemedier, som er skadelige for både miljø og helse. I løpet av de siste årene er det gjort en betydelig FoU-innsats for å utvikle energieffektive fremdrifts- og kraftproduksjonssystemer. Dette inkluderer batterier, brenselceller og motorer som bruker "grønnere" drivstoff. For å oppnå nullutslippsdrift på en kostnads- og energieffektiv måte er det imidlertid viktig å redusere energibruken i skipets hotellenhet. Endringen mot "grønnere" skip påvirker også det totale energisystemet ombord. Dette innebærer utfordringer for hotellets energiforsyning, for eksempel varierende tilgjengelighet av spillvarme. CruiZE-prosjektet tar tak i disse utfordringene, og prøver å gjøre dem om til muligheter. Dette gjøres ved å utvikle innovative konsepter som er godt integrert med skipenes fremdriftssystem og tilpasset varierende driftsforhold. Målet er å utvikle konsepter som; muliggjør nullutslipp i havner, minimerer utslipp under seilas, og oppnår en gjennomsnittlig reduksjon i totalt energibruk på 10-20 %. Fokuset i CruiZE er på teknologier relatert til: - HVAC&R-systemer som bruker det naturlige kuldemediet CO2 (uten negativ miljø- eller helsepåvirkning) - Økt utnyttelse av spillvarme eller kulde, f.eks. ved bruk av termisk energilagring Det er utviklet flere dynamiske simuleringsmodeller. Disse er brukt til å evaluere energieffektiviteten til de nye konseptene, og tar hensyn til skipets varierende driftstilstand. Som input til disse modellene ble kjøle- og varmebehovet for hotellfasilitetene estimert for forskjellige cruiseskip. Egenskapene til disse «case-skipene» varierte med tanke på antall passasjerer, driftsområde og sesong, type fremdrift og drivstoff, og energiforsyning i havn. Resultater fra evalueringen av energibesparelsene til de ulike konseptene er til en viss grad skipsspesifikke. Resultatene bekrefter imidlertid et energireduksjonspotensial på minst 30% under seilas, og at nullutslippsdrift er innen rekkevidde under havneopphold eller i miljøsensitive områder. Videre er det en klar fordel med CO2 som kuldemedium, som gir kompakte, fleksible og miljøvennlige HVAC&R-systemer. På skip med begrenset spillvarme (delvis batteridrift) vil en CO2-varmepumpe kunne dekke behovet for oppvarming med omtrent en tredjedel av energibruken sammenlignet med en kjele. Varmepumpen vil også samtidig kunne dekke deler av kjølebehovet. Mange cruiseskip er i dag bygget for flytende naturgass (LNG) som drivstoff. Store strømbesparelser vil kunne oppnås ved å integrere CO2-systemet med kuldegjenvinning fra drivstoffsystemet. Dersom skipet delvis er avhengig av batteridrift, kan ytterligere relativ forbedring oppnås med et kaldt energilager. Generelt viser resultatene klart at lagring av termisk energi (både varme og kulde) kan spille en nøkkelrolle for å muliggjøre perioder med nullutslippsdrift og for å maksimere utnyttelsen av overskuddsenergi. Et termisk lager med faseendringsmaterialer (PCM) kan redusere plassbehovet betydelig, men det er behov for mer FoU på PCM-er som er egnet for skipsapplikasjoner. For å muliggjøre bruk av nye oppvarmings- og kjøleteknologier på skip, ble en rekke barrierer adressert. Dette inkluder, for eksempel, mangelen på regelverk for implementering av naturlige kuldemedier, og at energibruk i hotelldelen ikke er inkludert i miljøindekser utstedt av diverse myndighetsorganer, cruisehavner, osv. Behovet for ytterligere driftsdata fra skips hotellsystemer er også avgjørende for utvikling og bruk av energisparende konsepter. Disse barrierene adresseres nå i andre SINTEF-prosjekter.

CruiZE target group include ship operators, technology suppliers, cruise ports, maritime authorities, organisations, and research community. For the target group, the main project outcome is an increased awareness and knowledge about the significance of thermal energy systems on cruise ships, the so-called hotel systems. Specifically, industry partners benefit from new knowledge on natural refrigerants, thermal energy storage, and on how dynamic modelling can optimise systems. Collaboration with other research projects, led to knowledge sharing between shipping sectors, industry segments, and research disciplines. Instead of addressing technologies relying on heat recovery from the ships' fossil fuelled engines, the research focus was on innovative concepts valid for "greener" propulsion systems. CruiZE also adds to the research field on natural refrigerants and thermal energy storage, by evaluating their use in maritime application. Quantitative results on reduced energy use and emissions, are rather ship specific. However, together with the new-gained knowledge , the results will contribute to knowledge-based decision-making, being valid for ship owners, designers, technology and energy suppliers, authorities and ports. Three spin-off-projects initiated by industry partners show the need for further R&D, also in other ship segments, such as offshore supply vessels. Education of 1 PhD and 6 MSc, contributes to Norway's goal of increasing the maritime competence level. CruiZE has achieved its goal of developing concepts to reduce the ship hotel system's energy use with at least 30% during sea passage and to realise zero-emission operation during port stays or in environmentally sensitive areas. Since the novel concepts are also relevant for other ship types, their future implementation will have a positive impact on Norway's, EU's and IMO's work towards decarbonisation. New concepts supporting zero-emission operation is of high importance for Norway's cruise tourism and value creation. For ship owners, the novel concepts enable long-term regulation compliance, fuel savings, and market advantages. By being in the front of developing solutions for an increasingly large and global market, CruiZE and its spin-off projects, will contribute to secure Norway's position as a large global supplier of “green” technologies. CruiZE has clearly shown the importance of applying a holistic energy system approach in the shipping sector. Collaborations with new researchers and industries was established on this topic. CruiZE' addressed the following barriers for the uptake of innovative technologies: unclear regulations for using natural refrigerants on ships; hotel systems are not properly addressed in environmental indices for ships; lack of operational data on ship hotel systems. Activities to overcome these barriers were initiated together with industry partners and external stakeholder, and continue in other projects to facilitate uptake of result

The cruise ship industry is a global steadily growing market, representing an energy-intensive shipping sector. The energy consumption for the hotel facility systems on board, such as heating, ventilation and air conditioning (HVAC), freshwater generation and provision refrigeration, constitute on average 40% of the ship's total energy use. Traditionally, the energy demand for both propulsion and hotel facilities is supplied by burning fossil fuels, leading to a high carbon footprint per passenger. In addition, emissions of sulphur, nitrogen oxides and particles contribute to air pollution causing health problems in major cruise ports. The cruise industry is facing stringent regulations, especially in destinations like Norwegian ports and fjords. Current efforts towards "greener" cruise ships are to a large extent focused on novel propulsion systems. To realise low/zero-emissions, in a cost- and energy efficient way, it is of key importance to put more efforts to reduce energy usage of the hotel facility systems. Moreover, the new propulsion systems imply a significant change of the energy system, in terms of waste heat characteristics and heating/cooling load. The objective of CruiZE is to develop innovative heating and cooling concepts that are optimised for the ships' propulsion system and varying operating conditions, aiming at zero-emissions in ports, minimised emissions at sea and an average reduction in total fuel consumption of 10-20%. Solutions include technologies for waste heat/cold recovery, HVAC using natural refrigerants, compact thermal storage and concepts for proper integration into the total energy system. Development of dynamic numerical models will contribute to an efficient design and operation of the concepts, addressing the on-going digitalisation of the ship industry. Strong interaction among the project partners, representing cruise operators, ship designers and equipment/system suppliers, will ensure and promote a "greener" cruise industry.