Design for changeability : a conceptual framework for the design of vessel propulsion systems

Reducing greenhouse gas emissions from vessels is one of the greatest challenges the maritime industry is currently facing. International Maritime Organization has set the goal of reducing CO2 emissions from international maritime shipping by at least 40% by 2030, compared to 2008. Emissions regulations are also leading to a progressive reduction of ships life span, together with a decrease in economic value throughout their lifecycle. To cope with these challenges, the preferred strategy suggested by IMO for new vessels aims at increasing energy efficiency over time by stimulating innovation and continuous development of technical elements. In this context, ship builders are indirectly led to develop vessels that will be “changeable” in terms of propulsion systems. The purpose of this dissertation is to help ship builders succeed in this transition by developing a conceptual framework to design vessels for propulsion system changeability. Literature contribution in terms of changeability in systems engineering and fundamentals of ship design has been analyzed through a systematic literature review, with focus groups involving ship experts that contributed to expand this knowledge. Focus groups research has been conducted also with design thinking experts at Stanford University, to investigate how to bring design thinking principles into ship design process. Being validated by maritime engineers, the proposed conceptual framework integrates design thinking principles and KPIs for the implementation of propulsion system changeability enablers in conceptual and preliminary design. It will facilitate ship builders to effectively design changeable vessels in terms of propulsion systems, improving ships’ value robustness and reducing the lifecycle greenhouse gas emissions.

Ridurre le emissioni di gas serra dalle navi è una delle maggiori sfide che l'industria marittima sta affrontando. L’International Maritime Organization (IMO) ha fissato l'obiettivo di ridurre le emissioni di CO2 dei trasporti navali internazionali di almeno il 40% entro il 2030 rispetto al 2008. Le normative sulle emissioni stanno inoltre portando a una riduzione progressiva della durata della vita delle navi, insieme a una diminuzione del valore economico durante il loro ciclo di vita. Per far fronte a queste sfide, la strategia suggerita dall'IMO da adottare per le nuove navi mira ad aumentare la loro efficienza energetica nel tempo stimolando l'innovazione e il continuo sviluppo degli elementi tecnici. In questo contesto, i costruttori di navi sono indirettamente portati a sviluppare navi che saranno "modificabili" (changeable) in termini di sistemi di propulsione. Lo scopo di questa tesi è quello di aiutare i costruttori di navi ad avere successo in questa transizione, sviluppando un conceptual framework per progettare le navi per la mutabilità del sistema di propulsione. Il contributo della letteratura in termini di changeability nell'ingegneria dei sistemi e di fondamenti della progettazione navale è stato analizzato attraverso una revisione sistematica della letteratura, mentre dei focus group con esperti navali hanno contribuito ad espandere questa conoscenza. Altri focus group sono stati condotti con esperti di design thinking presso la Stanford University, per studiare come introdurre i principi del design thinking nel processo di progettazione delle navi. Dopo una validazione da parte degli ingegneri marittimi, la struttura concettuale proposta integra principi di design thinking e degli indicatori per l'implementazione di abilitatori della “changeability” del sistema di propulsione durante la progettazione concettuale e preliminare. Il framework aiuterà i costruttori di navi a progettare in modo efficace dei sistemi mutevoli in termini di sistemi di propulsione, migliorando la loro tenuta del valore nel tempo e riducendo le emissioni di gas serra totali nel ciclo di vita.