Energy assessment of the crane vessel Saipem 7000 with focus on heat recovery through an ORC (Organic Rankine Cycle)

This master thesis work, developed with the collaboration of the personnel of Saipem S.p.A., represents an energy assessment of one of the biggest crane vessels of the world, the Saipem 7000. Thanks to its unordinary peculiarities and to its almost thirty-year long history, this huge ship is without any doubt the most interesting case study for an energy assessment in Saipem fleet. Energy consumption of Saipem 7000 is really relevant and it turns in huge costs for the society, that decided to collaborate with Politecnico di Milano to perform a study with the aim of improving vessel’s performances. The first step is to get a complete knowledge of the energetic behavior of the ship, followed by a second step in which solutions for the lessening of energy consumption on board are proposed. In Chapter 1, after a brief description of the society and of its strategy towards energy efficiency, a report of energy consumption for all the different assets is shown. Among the other sectors, the offshore fleet is accounted for a very high consumption and Saipem 7000 in particular; for this reason, this vessel is chosen for the energy assessment. In Chapter 2, the Saipem 7000 is described in detail. On board equipment is reported, together with total energy consumption and atmospheric emissions in the solar year taken as a reference. Chapter 3 is dedicated to the estimate of consumption for the most important systems installed on board. The ship is divided into sections; for each of them, information on installed equipment and estimated consumption are reported. In this way, it’s possible to understand which systems mostly contribute to global consumption, both thermal and electrical. In Chapter 4, some solutions to reduce energy consumption are proposed and analyzed. In choosing the possible interventions, those with shorter application times and higher specific impact are preferred. In each section, guidelines for the on board application are reported, together with an estimate of the investment costs and of the achievable savings. In Chapter 5, a detailed study is reported about the application of an Organic Rankine Cycle (ORC) on the Saipem 7000. After a brief introduction of the features of this cycle in comparison to a traditional water-based Rankine cycle, the different steps of the design process are described. The first step is the choice of the organic working fluid that best fits for the case of Saipem 7000. Then, all the hypothesis used in optimization are reported for all the components of the cycle. At the end, an economic evaluation of the investment is proposed.

Il presente lavoro di tesi di laurea, svolto con la collaborazione del personale della società Saipem, costituisce una diagnosi energetica per una delle più grandi navi gru al mondo, la Saipem 7000. Grazie alle sue caratteristiche fuori dal comune e alla sua storia quasi trentennale, quest’enorme imbarcazione costituisce un punto di riferimento all’interno della flotta societaria di Saipem. I consumi energetici del mezzo rappresentano però un ingente costo per la società, che ha sfruttato la collaborazione con il Politecnico di Milano per condurre un’analisi mirata al miglioramento delle prestazioni del mezzo. Il lavoro che segue ha quindi come scopo quello di ottenere precise informazioni sul comportamento energetico della nave per poi proporre, in un secondo step, delle soluzioni per la limitazione del fabbisogno energetico a bordo. Nel Capitolo 1, dopo una breve descrizione di Saipem e degli obiettivi societari in tema di efficienza energetica, viene presentata una panoramica sui consumi energetici dei numerosi asset aziendali. Tali consumi risultano molto elevati per la flotta offshore e per la Saipem 7000 in particolare; da qui, la scelta del mezzo come caso studio per una diagnosi energetica. Nel Capitolo 2 è possibile trovare una descrizione della Saipem 7000, con riferimento all’equipaggiamento di bordo, ai consumi totali del mezzo ed alle emissioni inquinanti generate nell’anno solare preso in considerazione. Il Capitolo 3 è dedicato alla stima dell’energia consumata dai principali sistemi energivori installati a bordo. Il mezzo è suddiviso in sezioni e per ciascuna di esse sono riportati dati sull’equipaggiamento installato e sui consumi energetici. La suddivisione in sezioni permette di avere una rapida indicazione di quali sistemi contribuiscano maggiormente al consumo globale sia di energia elettrica che di energia termica. Nel Capitolo 4 alcune soluzioni per il risparmio energetico sono individuate e descritte approfonditamente. Nella scelta degli interventi, l’attenzione è posta sulla loro effettiva applicabilità e sulla sostenibilità degli stessi. In ciascuna sezione sono riportate le linee guida per l’applicazione dei singoli interventi, corredate da una stima dei costi d’investimento e dei risparmi ottenibili (in termini energetici ed economici). Nel Capitolo 5 è riportato uno studio dettagliato sull’applicazione di un ciclo Rankine a fluido organico (ORC) a bordo della Saipem 7000. Dopo una breve introduzione sulle caratteristiche di questo ciclo e sulle differenze rispetto ad un classico ciclo Rankine, le diverse fasi di progettazione sono analizzate. Il primo step riguarda la scelta del fluido più adatto per il caso considerato; di seguito, vengono quindi riportate le ipotesi di calcolo usate nella fase di ottimizzazione termodinamica. Il capitolo si conclude con una breve analisi economica dell’intervento proposto.