Assessment of the installable power of organic Rankine cycles for waste heat recovery in global maritime transportation

This thesis aims to provide a realistic estimate of the power of organic Rankine cycles that can be installed on large ships to recover waste heat from internal combustion engine. A preliminary analysis of scientific literature ensured the originality of the study and evaluated possible data sources. Subsequently, the composition of the global fleet was estimated by comparing different databases. The projection updated to 2025 was evaluated, and only newly delivered ships or ships aged ten years were considered for installation, assessing an average life of about twenty years. For each type and class of ship, the average engine power was estimated using both regression formulas found in the literature and real data extrapolated graphically from industry reports, thus obtaining a maximum and a minimum limits for each class. Subsequently, a literature search was conducted to verify the existence of trends for the relationship between ship engine power and organic Rankine cycle power, but no clear and unambiguous results were found. It was therefore decided to estimate this relationship independently, first by evaluating the typical energy balance of a large internal combustion engine and then by developing a simple model for a reference ORC cycle. This made it possible to compare the results obtained for each pair of engine power ratings. The results show that, with the installation of ORC, it is possible to obtain additional power around 10% by exploiting the most promising energy sources.

Questo lavoro di tesi si propone di fornire una stima realistica della potenza di ciclo Rankine organico installabile su navi di grossa taglia per recuperarne il calore di scarto da motore a combustione interna. Un’analisi preliminare in letteratura scientifica ha permesso di garantire l’originalità dello studio e di valutare eventuali fonti di dati, successivamente si è stimata la composizione della flotta globale confrontando diversi database. Si è valutata la proiezione aggiornata al 2025 e sono state considerate per l’installazione solo le navi appena consegnate o le navi con un’età di massimo dieci anni, considerando una vita media di circa venti anni. Per ogni tipologia e classe di nave è stata stimata la potenza media del motore, utilizzando sia formule di regressione trovate in letteratura sia dati reali estrapolati graficamente da report di settore, ottenendo così limite massimo e minimo per ogni classe. In seguito, è stata condotta una ricerca in letteratura per verificare l’esistenza di tendenze nel rapporto tra potenza del motore navale e potenza del ciclo Rankine a fluido organico senza però raggiungere un risultato chiaro e univoco. Si è quindi deciso di stimare autonomamente questo rapporto dapprima valutando il bilancio energetico tipico di un motore a combustione interna di grossa taglia e poi sviluppando un modello semplice per un ciclo ORC di riferimento. È stato così possibile confrontare i risultati ottenuti per ogni coppia di potenze dei motori valutata. I risultati ottenuti evidenziano come, con l’installazione di ORC, si riesca a ottenere una potenza addizionale intorno al 10% sfruttando le fonti energetiche più promettenti.