Low-impact technologies for on-board energy generation: the Model-in-the-Loop (MiL) approach to maritime cases.

Greenhouse gas and particularly anthropogenic CO2 emissions are globally recognised as the main responsible for climate change. For several years now, the scientific community has been advocating policies to raise public awareness for concrete and decisive measures towards a radical reduction of the production and emission of these gases into the atmosphere. In this context, the impact of the maritime transport sector plays a key role. Globalisation and the free market have led to a considerable expansion of the maritime transport sector for commercial purposes. The intensification of routes and voyage frequencies encountered by large cargo ships and gas carriers has led this sector to be responsible for more than 3 % of all anthropogenic greenhouse gas emissions; this has also followed a worrying increase in CO2 emissions from the last century to the present day. Therefore, since 2008, the International Maritime Organisation has introduced a series of actions and targets that large shipbuilders and shipowners will be called to comply with. From 2019, the target set by the agency is particularly challenging: to reduce CO2 emissions from ships by 50 % before 2050. Research plays a key role in identifying the most suitable technologies and/or technology mix to achieve these targets. In this context, this thesis aims to investigate an innovative approach to the definition of ship design using sophisticated computing tools. This was possible thanks to the collaboration between the research group of the Thermochemical Power Group of the University of Genoa and several companies such as: Fincantieri Spa, Rolls-Royce Power Solutions and Wartsila. All the models that will be presented in this work have been developed in the Matlab Simulink environment. In particular, the focus will be on the analysis of some of the most promising technologies currently being studied for onboard energy production. Simulation tools enable theoretical feasibility studies of the onboard integration of modern energy systems. In this thesis, the Model-in-the-Loop approach was applied to three case studies. In each case, the aim is to develop tools capable of supporting feasibility, reliability, and control system testing studies of pioneering and consolidated technologies in the maritime field. First, the activity of generating a library consisting in virtual energy system models for naval applications is presented. The focus is on the cooling circuits of Diesel-type internal combustion engines for marine applications. This activity was developed during the time spent in Finland at Wärtsilä's high-tech Sustainable Technology Hub. Therefore, the library has been successfully applied to a case study: an innovative engine of ultimate generation and large size for on-board power generation. The validation of the model against data provided by the manufacturer and the application of the controller in the Simulink environment is presented. This work leads to an integration activity of the model with the hardware control systems developed by Wärtsilä and physically applied to the models to be sold. The aim of this work is to obtain a reliable and accurate tool to test the motor control systems under investigation, and to reduce and localise the number of experimental tests performed in order to achieve a reliable product sooner. Then, the case of the ZEUS ship built in the framework of the national TecBia project by Fincantieri Spa in cooperation with the University of Genoa is presented. This 25-metre long research vessel is the first Italian ship to have a fully hydrogen-powered propulsion system on board. This thesis presents a dynamic model developed in the Matlab Simulink environment to study the thermal integration between the solid-state hydrogen storage system (metal hydrides) and the hydrogen propulsion system with low-temperature fuel cells. The analysis conducted led to the definition of the optimal control strategy for the system. The main criticalities due to the system's thermal inertia were highlighted, analysed and overcome. The total system size of 145 kW represents a turning point for the Italian manufacturer. Indeed, the success of this project clears the path towards the integration of hybrid systems with hydrogen stored at low pressure and converted with high efficiencies into usable energy. In the last part of this thesis, a feasibility analysis of a hybrid fuel cell power generation system coupled to a turbocharger with a power output above 200 kW is presented. This work has been carried out in cooperation with Roll-Royce Power Solution, whose Thermochemical Power Group is the first University Technology Centre in the fuel cell area. In this case, models were developed and used in the Matlab Simulink environment to identify the optimal layout configuration of the system. The campaign of simulations both in off-design and in transient have highlighted important results useful for the optimisation of system management and the choice of components based on their thermo-fluid-dynamic characteristics. In addition, initial estimates of net power output and overall system efficiency were obtained. From this activity it was possible to deduce the performance level over a wide operating range and a number of fundamental parameters for sizing (i.e., the peak torque at the supercharger for sizing the electric motor). These results demonstrated that this technology, considering the high levels of efficiency and the absence of pollutants, can be a good solution for on-board green power generation.

Le emissioni di gas serra e in particolare di CO2 di natura antropica sono ormai riconosciute a livello globale come i principali responsabili dei cambiamenti climatici. Già da diversi anni la comunità scientifica si è schierata a favore di politiche di sensibilizzazione per attuare misure concrete e decise al fine di ridurre drasticamente la produzione e il rilascio in atmosfera di queste sostanze. In questo contesto, l’impatto del settore del trasporto marittimo gioca un ruolo chiave. La globalizzazione ed il mercato libero hanno portato ad una notevole espansione del settore dei trasporti marittimi a scopi commerciali. L’intensificazione delle rotte e delle frequenze dei viaggi che le grandi navi di trasporto merci e gasiere hanno riscontrato, ha condotto questo settore ad essere responsabile di più del 10 % della totalità delle emissioni di gas serra di natura antropica; tutto ciò anche a seguito di un preoccupante incremento delle emissioni di CO2 dal secolo scorso fino ai giorni d’oggi. Per questo motivo, l’International Maritime Organization a partire dal 2008 ha introdotto una serie di azioni ed obiettivi che i grandi costruttori navali e armatori saranno chiamati a rispettare. Dal 2019 il target fissato dall’agenzia è stato particolarmente sfidante: ridurre le emissioni di CO2 del 50 % prodotte dalle navi entro il 2050. La ricerca svolge un ruolo chiave nell’identificazione delle tecnologie e/o del mix tecnologico più adatto al raggiungimento di questi obiettivi. Sulla base di tale contesto, questa tesi mira ad esplorare tramite sofisticati strumenti di computazione un approccio innovativo alla definizione del design navale. Ciò è stato possibile grazie alla collaborazione tra il gruppo di ricerca del Thermochemical Power Group dell’Università degli Studi di Genova e diverse aziende quali: Fincantieri Spa, Rolls-Royce Power Solutions e Wärtsilä. Tutti i modelli che saranno presentati in questo lavoro sono stati sviluppati in ambiente Matlab Simulink. In particolare, il focus sarà concentrato sulla analisi di alcune tra le più promettenti tecnologie attualmente in fase di studio per la produzione di energia on-board. L’utilizzo di strumenti di simulazione consente di eseguire studi teorici di fattibilità dell’integrazione a bordo di moderni sistemi energetici. In questa tesi l’approccio Model-in-the-Loop è stato applicato a tre casi di studio. In ognuno di essi, l’obiettivo è quello di sviluppare dei tool in grado di supportare gli studi di feasibility, reliability and control system testing di tecnologie all’avanguardia nel campo marittimo. In primis viene presentata l’attività di generazione di una libreria di modelli virtuali di sistemi energetici per applicazione navale. Il focus è rivolto ai circuiti di raffreddamento di motori a combustione interna id tipo Diesel per applicazioni navali. Questa attività è stata sviluppata grazie al periodo trascorso in Finlandia presso il modernissimo Sustainable Technology Hub di Wärtsilä. La libreria è stata quindi applicata ad un caso di studio: un motore innovativo di ultima generazione e grande taglia per la generazione di energia on-board. Viene presentata la validazione del modello rispetto ai dati forniti dalla casa costruttrice e l’applicazione del controllo in ambiente Simulink. Questo lavoro apre le porte ad una attività di integrazione del modello con i sistemi di controllo hardware sviluppati da Wärtsilä e fisicamente applicati ai modelli che andranno in commercio. L’obiettivo di questo lavoro è quello di ottenere un tool affidabile e preciso su cui testare i sistemi di controllo dei motori in fase di studio, ridurre e localizzare il numero di test sperimentali eseguiti per giungere ad un prodotto affidabile più velocemente. Successivamente è presentato il caso della nave ZEUS costruita nell’ambito del progetto nazionale TecBia da Fincantieri Spa in collaborazione con l’Università degli Studi di Genova. Questo mega Yacht di lunghezza 25 metri è la prima nave italiana che ha a bordo un impianto propulsivo completamente alimentato ad idrogeno. In questa tesi viene presentato un modello dinamico sviluppato in ambiente Matlab Simulink per lo studio dell’integrazione termica tra il sistema di storage dell’idrogeno allo stato solido (idruri metallici) e il sistema propulsivo ad idrogeno con celle a combustibile a bassa temperatura. L’analisi condotta ha portato alla definizione della strategia di controllo ottimale per il sistema. Le principali criticità dovute alla inerzia termica del sistema sono state evidenziate, analizzate e superate. La taglia totale del sistema di 145 kW rappresenta un punto di svolta per il colosso italiano. Infatti, la riuscita di questo progetto apre la strada verso l’integrazione di sistemi ibridi ad idrogeno stoccato a bassa pressione e convertito con alti valori di efficienza in energia utile. Nella parte finale di questa tesi viene presentata un’analisi di feasibility di un sistema ibrido per la produzione di energia con celle a combustibile accoppiato ad un sovralimentatore con taglia superiore ai 200 kW. Questo lavoro è stato svolto in collaborazione con Roll-Royce Power Solution, di cui il Thermochemical Power Group rappresenta il primo University Technology Centre in ambito fuel cells. In questo caso sono stati sviluppati e utilizzati dei modelli in ambiente Matlab Simulink per identificare la configurazione di layout ottimale del sistema. La campagna di simulazioni sia in off-design che in transitorio hanno evidenziato importanti risultati utili per l’ottimizzazione della gestione del sistema e la scelta dei componenti in base alle loro caratteristiche termo-fluidodinamiche. Inoltre, si sono ottenute le prime stime dei valori di potenza netta prodotta ed efficienza globale del sistema. Da questa attività si è potuto concludere il livello di prestazioni in un ampio range operativo e alcuni parametri fondamentali per il dimensionamento (i.e. il picco di coppia al sovralimentatore per dimensionare il motore elettrico). Questi risultati hanno dimostrato che tale tecnologia visti gli alti livelli di efficienza e l’assenza di inquinanti può essere una buona soluzione per la generazione di energia green on-board.