Evaluating the Potential and Viability of Wind-Assisted Ship Propulsion (WASP) for Vessels in the Norwegian Aquaculture Industry

Diskusjonen om klimaendringer, oppfyllelse av 1,5°C eller 2°C-målet og alternative energikilder er ikke ny. Først nylig, i forbindelse med FNs klimakonferanse COP26 i Glasgow, oppsto en ny debatt om fremtidens skipsfart og en tilstrekkelig energiforsyning til skipsfartsnæringen. De fleste av de pågående diskusjonene fokuserer på LNG som en overgangsdrivstoffløsning og hydrogen eller ammoniakk som fremtidig drivstoff for skipsfart. Vindfremdrift eller vindassistert fremdrift (WASP) ser ut til å være ganske underrepresentert i denne sammenhengen, selv om det gir noen unike fordeler ettersom vind er fritt og rikelig tilgjengelig. Mest forskning fokuserer på havfart i områder med gunstige vindforhold. Andre nisjer, som kysttransport og mindre fartøytyper, er mindre representert i forsknings- og gjennomføringsprosjekter. Imidlertid kan disse nisjene spille en viktig rolle i utviklingen og distribusjonen av ny teknologi. Norsk havbruk representerer en typisk nisje som det er av interesse å undersøke potensialet i vindassistert fremdrift for. Marint fiskeoppdrett er svært avhengig av skip, men også av et sunt havmiljø som grunnlag for fiskeoppdrett. Utslippene forårsaket av skip har imidlertid en negativ innvirkning på havene og det marine økosystemet. Siden norsk fiskeoppdrett ikke klarer seg uten skip, er det spesielt viktig å redusere skipsutslippene i denne sektoren og beskytte havet. Derfor oppstår spørsmålet om WASP er en levedyktig løsning for å redusere skipsutslipp i norsk havbrukssektor. Dette spørsmålet skal besvares etter en omfattende tilnærming med ytelsesprediksjon som hovedkriterium. Ytterligere hensyn til sikkerhet, kontekstuell situasjon og økonomi fullfører beslutningsgrunnlaget. For ytterligere avklaring er det utført en casestudie for et fiskefôrfartøy utstyrt med ett rotorseil. Denne oppgaven presenterer først en detaljert bakgrunnsstudie. Historien og betydningen av havbasert akvakultur i Norge, så vel som på verdensbasis, pekes på og påvirkningene av klimaendringer og CO2-utslipp på denne sektoren utfoldes. Det gis en kort introduksjon til WASP-systemer. I tillegg presenteres tilgjengelige systemer og det gjøres generelle vurderinger vedrørende implementering og ytelse av teknologien. Basert på den gitte informasjonen bestemmes mulige kombinasjoner av akvakulturfartøy og WASP-systemer. Bakgrunnsstudien er avrundet med en kort gjennomgang av relevant litteratur om ytelsesprediksjonsprogrammer. Hoveddelen av oppgaven fokuserer på utvikling av en ytelsesprediksjonsmetode skreddersydd for den spesifikke nisjeanvendelsen av norsk havbruk. En casestudie utført i samarbeid med Egil Ulvan Rederi AS er brukt for å illustrere hvordan en slik resultatvurdering kan gjennomføres. I tillegg til beregningsmetodene er valg av inputdata og en tolkning av resultatene beskrevet i detalj. Den siste delen av vurderingen omfatter noen vesentlige sikkerhetshensyn. Den kontekstuelle situasjonen for implementering av WASP i denne sektoren vurderes ved hjelp av en SWOT-analyse. Økonomiske hensyn påpekes i en nyttekostnadsanalyse (NKA) og betraktninger om sosiale eller miljømessige NKA er gitt. Hovedfunnene i denne oppgaven om gjennomførbarheten av WASP i akvakultursektoren er at de fleste fartøyene som brukes er for små eller ikke har ledig dekksareal for installasjonen tilgjengelig. For de større fartøystypene er imidlertid lasteskip og brønnbåter, rotorseil og sugevinger lovende alternativer. Om ytelsesprediksjonsmetoden kan konkluderes med at den fortsatt har et stort forbedringspotensial. Likevel er det vellykket vist hvordan en slik metode kan skreddersys til en nisjeapplikasjon av WASP og brukes som en måte å estimere potensialet og levedyktigheten til et slikt system. I casestudien ble det funnet et gjennomsnittlig årlig drivstoffsparepotensial på 6\%. Disse besparelsene skal imidlertid møtes med forsiktighet. Manglende begrensninger i ytelsesprediksjonen forventes å ha ført til en overprediksjon av potensielle besparelser. Den kontekstuelle situasjonen for implementering av dekarboniseringsteknologier i skipsfart er spesielt gunstig for øyeblikket, og WASP har sin egen spesifikke styrke når det gjelder å bruke vinden som kraftkilde. På den annen side ligner avhengigheten av den flyktige vinden også en potensiell trussel. Det kan ikke gis noen endelig konklusjon om systemets økonomiske levedyktighet, og sosiale og miljømessige faktorer er vanskelige å kvantifisere. Det kan likevel konkluderes med at bruken av WASP i norsk havbruk ser ut til å ha et lovende potensial. Ytterligere forskning på dette emnet er nødvendig og anbefales.

The discussion about climate change, meeting the 1.5°C or 2°C target, and alternative energy sources is not new. Only recently, in connection with the UN Climate Change Conference COP26 in Glasgow, a new debate arose about the future of shipping and an adequate energy supply for the shipping industry. Most of the ongoing discussions focus on LNG as a transitional fuel solution and hydrogen or ammonia as a future fuel for shipping. Wind propulsion or wind-assisted propulsion (WASP) seems to be rather underrepresented in this context, although it brings some unique benefits as wind is freely and abundantly available. Most research focuses on deep-sea shipping in areas with favourable wind conditions. Other niches, such as coastal transport and smaller vessel types, are less represented in research and implementation projects. However, these niches can play an important role in the development and deployment of new technologies. Norwegian aquaculture represents a typical niche for which it is of interest to investigate the potential of wind-assisted propulsion. Marine fish farming is highly dependent on ships but also on a healthy marine environment as a basis for fish farming. However, the emissions caused by ships have a negative impact on the oceans and the marine ecosystem. Since Norwegian fish farming cannot operate without ships, it is particularly important to reduce ship emissions in this sector and protect the sea. Therefore, the question arises whether WASP is a viable solution to reduce ship emissions in the Norwegian aquaculture sector. This question shall be answered following a comprehensive approach using performance prediction as main criterion. Additional considerations to safety, contextual situation, and economics complete the decision base. For further clarification, a case study for a fish feed vessel equipped with one rotor sail is conducted. This thesis firstly presents a detailed background study. The history and importance of sea-based aquaculture in Norway, as well as world-wide, is pointed out and the influences of climate change and CO2 emissions on this sector are unfolded. A brief introduction is given to WASP systems. In addition, available systems are presented and general considerations are made regarding the implementation and performance of the technology. Based on the given information, feasible combinations of aquaculture vessels and WASP systems are determined. The background study is rounded up by a brief review of relevant literature on performance prediction programs. The main part of the thesis focuses on the development of a performance prediction method tailored to the specific niche application of Norwegian aquaculture. A case study conducted in cooperation with Egil Ulvan Rederi AS is used to illustrate how such a performance assessment can be conducted. Besides the calculation methods, the input data selection and an interpretation of the results are described in detail. The final part of the assessment comprises some essential safety considerations. The contextual situation for the implementation of WASP in this sector is assessed using a SWOT analysis. Economic considerations are pointed out in a cost-benefit analysis (CBA) and considerations about social or environmental CBA are given. The main findings of this thesis about the feasibility of WASP in the aquaculture sector is that most vessels used are too small or have no free deck area for the installation available. However, for the bigger vessel types, such as cargo ships and well boats, rotor sails and suction wings are promising options. The performance prediction method still has great potential for improvement. Nevertheless, it is shown how such a method can be tailored to a niche application of WASP and used as a way to estimate the potential and viability of such a system. In the case study, an average annual fuel saving potential of 6% was found. However, these savings shall be met with caution. Missing constraints in the performance prediction are expected to have led to an over-prediction of the potential savings. The contextual situation for the implementation of decarbonisation technologies in shipping is especially favourable at the moment and WASP has its own specific strength in using the wind as a power source. On the other hand does the dependency on the volatile wind also represent a potential threat. No final conclusion can be given about the economic viability of the system and social and environmental factors are hard to quantify. Nevertheless, it can be concluded that the use of WASP in Norwegian aquaculture seems to have some promising potential. Further research on this topic is needed and recommende