CO2-based waste heat recovery cycles for shipboard power applications

The aim of the present thesis is primarily to investigate the main aspects of the shipping sector, proposing an overview of the maritime situation in terms of emission, composition and volume. The main regulations in force nowadays were analyzed and the environmental impact of the shipping sector was investigated through the main emission parameters and performance index. The main vessel types were presented and categorized according to the international standards, by summarizing in this document the major parameters that oriented the ships design choices. A summary of the most common propulsion system adopted nowadays by the different world fleet was reported, highlighting the positive and negative points of the various technologies, together with their field of application. After identifying the most relevant ship types the focus shifted to proposing an alternative propulsion system to those currently in use. A gas turbine coupled with a bottoming cycle is proposed with the aim of rising the overall system efficiency and power output. Potentiality of wasted heat recovery system based on the CO₂ Brayton cycle was investigated, with a specific focus on shipboard application. The power system composed by the selected gas turbine (a GE LM2500+G4 for naval application) and the bottoming CO₂ cycle was implemented on Excel workspace together with the fluid thermodynamic properties library REFPROP, realized by the National Institute of Standards and Technology. The investigated CO₂ cycles were a Brayton one with a supercritical and a trans-critical version. An additional comparison was done considering a trans-critical cycle adopting as working fluid a mixture of CO₂ and toluene with a final molar composition of 97.5% of CO₂ and 2.5% of toluene. The addition of toluene allowed an increase of the critical point temperature of the working fluid to T_{cri,CO₂|toluene}=48.55°C compared to pure CO₂ (T_{crit,CO₂}=30.98°C), thus enabling the transcritical power cycle to operate under conditions distant from the critical point in the considered scenarios. The performances of each of the proposed WHR cycle were simulated and optimized at different sea temperature. In all the analysed cases, the implementation of WHR cycle positively impacted the overall system performance. The power recovered from the exhaust gases of the LM2500+G4 gas turbine ranged from approximately 10 MW to 14 MW. As a result, the total available power onboard increased from the original rated power of 30 MW or 36 MW (corresponding to the GT output), reaching a final power in the range of 40 MW to 50 MW. The propulsion system efficiency followed a similar trend to the increased power, resulting in an improvement of 10 to 14 percentage points.

L'obiettivo iniziale della presente tesi è quello di esaminare gli aspetti principali del settore navale, fornendo una panoramica della situazione marittima in termini di emissioni, composizione e volumi coinvolti. Sono state analizzate le principali normative attualmente in vigore e l'impatto ambientale del settore navale è stato analizzato attraverso i principali parametri di emissione e indici prestazionali. Le principali tipologie di navi sono state elencate e categorizzate secondo gli standard internazionali, riassumendo in questo documento i principali parametri che orientano le loro scelte progettuali. È stato proposto un riassunto dei sistemi di propulsione più comunemente adottati dalle varie marine mondiali, evidenziando le caratteristiche positive e negative delle diverse tecnologie, insieme ai loro campi di applicazione. Dopo aver identificato le tipologie di navi più rilevanti, l'attenzione si è spostata sulla proposta di un sistema di propulsione alternativo a quelli attualmente in uso. È stata proposta una turbina a gas accoppiata a un ciclo di recupero del calore per aumentare l'efficienza complessiva del sistema e la potenza erogata. Sono state esplorate le potenzialità di un sistema di recupero del calore basato sul ciclo Brayton a CO₂, con particolare attenzione all'applicazione a bordo delle navi. Il sistema di potenza composto dalla turbina a gas selezionata (una GE LM2500+G4 per applicazioni navali) e dal ciclo a CO₂ è stato implementato su Excel, utilizzando la libreria di proprietà fluidodinamiche REFPROP, realizzata dal National Institute of Standards and Technology. I cicli a CO₂ studiati sono stati un ciclo di Brayton supercritico e una versione transcritica. È stato fatto un ulteriore confronto considerando un ciclo transcritico adottando come fluido di lavoro una miscela di CO₂ e toluene con una composizione finale pari al 97,5% di CO₂ e del 2,5% di toluene. L'aggiunta di toluene ha permesso di aumentare la temperatura del punto critico del fluido di lavoro a T_{cri,CO₂|toluene}=48.55°C rispetto a quella della sola CO₂ ( T_{crit,CO₂}=30.98°C ), consentendo così al ciclo di potenza di operare in condizioni più lontane dal punto critico negli scenari considerati. Le prestazioni di ciascuna delle soluzioni proposte sono state simulate e ottimizzate considerando diverse temperature del mare. In tutti i casi analizzati, l'implementazione ha avuto un impatto positivo sulle prestazioni complessive del sistema. La potenza recuperata dallo scarico della turbina LM2500+G4 è risultata compresa tra 10 MW e 14 MW. La potenza totale disponibile a bordo è aumentata dall’intervallo originale di 30 MW-36 MW raggiungendo valori compresi tra i 40 MW e i 50 MW. L'efficienza del sistema di propulsione ha fatto registrare un miglioramento compreso tra i 10 e i 14 punti percentuali.