SX157 nuclear retrofit study

Kan ombygging til kjernekraft vere eit aktuelt alternativ for fartøy med høgt energibehov?

Drivstoffkostnadene aukar, utsleppskrava blir strengare, og reiarlag ser etter langsiktige energiløysingar. Ei konseptstudie frå Ulstein viser at ei kjernefysisk hybridløysing kan redusere bruken av konvensjonelt drivstoff med meir enn 50%, og i enkelte driftsmodus fjerne han heilt.

Dårleg tid? Her er to hovudpoeng frå artikkelen:

  • Ei kjernefysisk hybrid-ombygging kan potensielt redusere drivstoffbruk og utslepp med 100%, og har eit minimumspotensial for drivstoffsparing på over 50% prosent.
  • Berre bestemte fartøytypar er eigna kandidatar, særleg dei med høgt og føreseieleg energibehov over lange driftsperiodar.

Kva type fartøy eignar seg for ombygging til kjernekraft?

For å forstå moglegheitene og utfordringane ved kjernefysisk ombygging betre, gjennomførte Henrik Høidal, systemarkitekt i Ulstein, ei konseptstudie basert på eit enkelt spørsmål:

Korleis kan eit eksisterande dieselmekanisk fartøy byggjast om til kjernefysisk framdrift med teknologi som er tilgjengeleg i dag?

Studien såg på tekniske krav, fartøymodifikasjonar og driftsmessige konsekvensar av ei slik ombygging, under føresetnad av at framtidige regelverk og godkjenningar er på plass.

SX157 nuclear retrofit study

Høidal starta med å velje fartøytype og ein operasjonsprofil å vurdere. Kjernefysisk ombygging passar ikkje for alle fartøy. Ein sterk kandidat vil truleg ha eit høgt forbruk av drivstoff årleg, lange periodar med føreseieleg effektbehov og tilstrekkeleg attverande levetid. For fartøy som brukar lite drivstoff per dag eller driv svært dynamisk drift kan investeringa vere vanskelegare å forsvare.

Etter å ha vurdert ulike fartøytypar og operasjonsprofilar valde Høidal å basere studien på ULSTEIN SX157, eit design for langdistanseslep.

Langdistanseslep kan innebere veker, eller til og med månader, med kontinuerleg drift og høgt forbruk av drivstoff. Tabellen under viser eit døme på ein 30-dagars slepeoperasjon. Dersom fartøyet går på 45% motorkraft, brukar det nesten 50 m³ drivstoff per dag. Ved 65% kraft er forbruket nær 70 m³ per dag. Vi snakkar altså om store mengder drivstoff som fører til høge utslepp og kostnadar. 

Tala i dette dømet er estimerte og gjeld spesifikt slepeoperasjonar. Operasjonsprofilen til langdistanseslepefartøy omfattar vanlegvis lengre periodar med mindre drivstoffintensiv drift, som transitt, stasjonær drift på feltet og tid ved kai.

Example (30-day towing campaign)m3/daym3/duration
Towing at 45% prop. MCR47.871436.1
Towing at 65% prop. MCR68.652059.5

Løysinga

Studien til Høidal viser at ei kjernefysisk hybridløysing kan redusere bruken av konvensjonelt drivstoff med meir enn 50% i mange driftsscenario. Under transitt og lett slep kan fartøyet operere heilt på kjernekraft, med 100% reduksjon i konvensjonelt drivstoffbruk. Ei slik løysing vil dermed redusere drivstoffkostnadene, kutte utslepp og gjere reiarlag og operatørar mindre utsette for svingingar i bunkerprisane.

Hovudideen er at ein kan få 100% reduksjon i drivstoffbruk under transitt og ein stor utsleppsreduksjon i nesten alle driftsmodus

Henrik Høidal
System Architect - Electrical Systems, Ulstein Design & Solutions AS

Diagrammet viser den grunnleggande prosessen for korleis ein mikroreaktor kan brukast til å generere kraft om bord i eit skip. Illustrasjon: Emerald Nuclear.

Basic processflow diagram

Høidal vurderte både ei full kjernefysisk-elektrisk ombygging og eit hybridalternativ. Ved ei full ombygging vil ein ikkje berre måtte erstatte dei eksisterande hovudmotorane og hjelpegeneratorane, men også omfattande bygge om kraftsystemet. Det kunne gitt kjernefysisk drift i alle modus, men ville også krevje den mest komplekse ombygginga.

Hybridalternativet beheld to hovudmotorar og erstattar dei to andre med elektriske maskiner som får kraft frå mikroreaktorar. Dette gjer at fartøyet kan operere på kjernefysisk generert elektrisitet, konvensjonell dieselmekanisk kraft, eller ein kombinasjon av begge to når maksimal kraft er nødvendig. Fordi meir av det eksisterande utstyret kan behaldast, vurderte Høidal hybridalternativet som det mest realistiske utgangspunktet.

Required space

Likevel vil også ei hybridløysing vere ei omfattande ombygging. Når det gjeld SX157, må om lag 48 prosent av tungolje-kapasiteten byggast om for å gi plass til reaktorar og tilhøyrande utstyr. Tankar, struktur, røyrsystem og rom må endrast. Reaktorsystemet, skjerming, kraftkonverteringseiningar og termisk lagring vil samla krevje meir plass enn det eksisterande maskinrommet. Teikninga viser nødvendig plass for å få inn hybridalternativet i eit SX157-design.

Er det verdt det?

Det er ikkje eit ja eller nei spørsmål. Eit forretningscase må samanlikne drivstoffsparing over levetida, med reaktorsystem, prosjektering, strukturelt arbeid, verftsopphald, tapt operasjonstid, godkjenningar, forsikring, finansiering, livsløpstenester og eventuell dekommisjonering.

Eit tidleg prosjekt vil ha førstegongskostnader og uvisse. Sjølve ombygginga kan bli kostbar, sidan omfattande struktur- og røyrarbeid må byggjast om, noko som vil gi eit lengre verftsopphald. Merk at denne korte studien identifiserer potensielle innsparingar, men tar ikkje i betraktning reaktorprisar eller ein påliteleg tilbakebetalingstid.

Når kan vi starte?

Dessverre er den relevante reaktorteknologien enno ikkje tilgjengeleg som eit dokumentert kommersielt maritimt produkt. Men det er berre éin del av utfordringa. Å ettermontere kjernekraft om bord i eit fartøy i dag vil krevje semje om klassifisering, flaggstatsgodkjenning, hamneaksept, forsikring, ansvar, beredskap, vedlikehald, reaktorutskifting og avfallshandtering.

Vi meiner at ingen enkeltaktør kan løyse desse problemstillingane åleine. Eit prosjekt vil krevje tett samarbeid mellom reiarlag, designarar, systemintegratorar, reaktorleverandørar, verft, klasseselskap, styresmakter, hamner, forsikringsselskap og leverandørar av livsløpstenester.

Ulstein sitt bidrag vil vere heilskapsblikket på fartøyet: å kople eigaren sine operative behov med fartøyet si kraftarkitektur, arrangement, struktur og livsløp. Å utforske utfordringane no kan hjelpe kundar og partnarar med å stille betre spørsmål og ta informerte avgjerder dersom teknologien og rammevilkåra blir modne.

Å førebu seg for framtida, utan å late som ho er her

Kjernekraft er kanskje ikkje svaret for alle fartøy, og det er lite truleg at det blir den einaste framtidige energikjelda i industrien. For energiintensive operasjonar gjer likevel kombinasjonen av energitettleik og potensielle drivstoffinnsparingar det relevant å undersøkje vidare og halde fram arbeidet.

Den korte studien til Høidal presenterer ikkje ei ferdig løysing. Den gir eit praktisk utgangspunkt for å undersøke kva fartøy og operasjonsprofilar som kan ha nytte av kjernefysisk ombygging, kva som kan behaldast, kva som må byggjast om, og kva kommersielle og rettslege spørsmål som må løysast før innsparingane kan bli eit truverdig investeringscase.

Etter kvart som interessa for kjernekraftdrivne fartøy veks, bidreg studiar som denne til å klargjere kva som er teknisk mogleg, kvar dei verkelege utfordringane ligg, og kva problemstillingar industrien må løyse saman. Vegen vidare vil vere avhengig av engasjerte interessentar, samarbeid, og vilje til å utforske nytt terreng. Med engasjerte partnarar og ein industri som er klar for innovasjon, førebur Ulstein seg på framtida. Saman gjer vi visjonar om til verkelegheit.

FAQ

Den største hindringa er at eigna mikroreaktorteknologi enno ikkje er kommersielt tilgjengeleg for maritim bruk. I tillegg vil ei kjernefysisk ombygging krevje samordning mellom klasseselskap, flaggstatar, hamnemyndigheiter, forsikringsselskap, beredskapsaktørar, reaktorleverandørar, verft og leverandørar av livsløpstenester. Utfordringar som ansvar, avfallshandtering, vedlikehaldsregime og utskifting av reaktor må løysast før ein forretningscase kan bli levedyktig.

Ja. Emerald Nuclear Gem Microreactor høyrer til SMR-familien, som står for Small Modular Reactor. SMR-ar er utvikla for modulær produksjon, transport og installasjon, noko som gjer det mogleg med ei skalerbar utrulling og enklare utskifting om bord.

Kjernekraftløysingar for fartøy er enno ikkje modne nok til å gi eit klart svar. I denne konseptstudien valde systemarkitekt Henrik Høidal Emerald Nuclear Gem Microreactor, ein nitrogenkjølt gassreaktor som nyttar TRISO-fuel. TRISO-fuel blir rekna som eit av dei mest robuste alternativa, på grunn av dei mange vernelaga og den avanserte teknologien.

I scenarioet som er skissert over, er tanken at heile reaktoren skal bytast ut kvart femte år, i takt med klasseintervall. Mannskapet skal ikkje handtere drivstoffet. Kraftkonverteringssystemet vil krevje vanleg vedlikehald, som filterbyte og periodiske lekkasjekontrollar av gassystemet. I tillegg vil turbomaskineriet trenge overhaling kvart femte til åttande år.

Å gjennomføre ei ombygging til kjernekraft i dag vil ha utfordringar på fleire område, mellom anna regelverk, teknologimodning og førstegongsutfordringar. Å setje ein pris på arbeidet som må gjerast vil naturlegvis krevje detaljar om det konkrete prosjektet og det aktuelle utstyret. Det er likevel truleg at dei første aktørane vil vere avhengige av støtteordningar.

Ta kontakt

Henrik Høidal

Henrik Høidal

Beskrivelse
System Architect - Electrical systems
Tilknytning
Ulstein Design & Solutions AS

Siste nytt

Les fleire nyheiter