NO20170602A1 - Helhetlig system og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon med optimal eksergiutnyttelse om bord i skip og flytende innretninger - Google Patents

Abstract

Dagens flåte av cruiseskip bruker omtrent 5 -20 % av sitt totale drivstoff forbruk på å opprettholde drikkevannsproduksjon og varmebalansen om bord. Stadig lengre tid i havn og innaskjærs navigering, samt lavere gjennomsnittshastigheter mellom havner for å sparedrivstoff, setter ytterligere press på drikkevannsproduksjonen ombord. Oppfinnelsen går i utgangspunktet ut på å sørge for at cruise-, ekspedisjon-, og passasjerskip, kan bli selvforsynt med drikkevann til lavest mulig kostnad og best mulig kvalitet uavhengig av seilingsmønster, seilingsruter, liggetider til kai og effektuttak på fremdriftsmaskineri under sjøreise. Oppfinnelsen benytter seg av både filtrering, desinfisering, forvarming og mellomlagring av sanitær sjøvann om bord, samt resirkulering av renset gråvann og brine, i et avansert revers osmose anlegg med formål om å bli helt uavhengig av bunkring av ferskvann i havn og bruk av oljefyrte kjeler. Systemet og fremgangsmåten vil sørge for meget bærekraftig vannbehandling av både drikkevann og gråvann om bord, og skipet vil ikke ha behov for et eget ballastvann-system.

Description

Patentbeskrivelse:

Helhetlig system og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon med optimal eksergiutnyttelse om bord i skip og flytende innretninger

Oppfinnelsen går i utgangspunktet ut på å sørge for at cruise-, ekspedisjon-, og passasjerskip, eller andre flytende innretninger, kan bli selvforsynt med drikkevann til lavest mulig kostnad og best mulig kvalitet uavhengig av seilingsmønster, seilingsruter, liggetider til kai og effektuttak på fremdriftsmaskineri under sjøreise.

Dagens flåte av cruiseskip bruker omtrent 5 -20% av sitt drivstoff forbruk på å opprettholde drikkevannsproduksjon og varmebalansen om bord. I tillegg kommer kostnader i forbindelse med bunkring av ytterligere drikkevann ifra land, dersom drikkevannproduksjonen blir for knapp i åpen sjø. Oppfinnelsen vil dermed kunne ha stor miljømessig påvirkning dersom flåten av skip i cruise/ passasjerindustrien fikk slike systemer installert om bord.

Oppfinnelsen legger opp til at nye cruiseskip kan unnlate å bygge ballastvannsystemer om bord, men heller øke tankkapasiteten for renset gråvann, eller at eksisterende skip kan konvertere segregerte ballastvanntanker til renset gråvann og unngå å installere påkrevet renseteknologi i forbindelse med den nylig ratifiserte IMO ballastvann konvensjonen.

Oppfinnelsen gir også åpning for resirkulering av renset gråvann til drikkevannsproduksjon, som vil kunne signifikant øke skipenes evne til å være selvforsynte med drikkevann, i problemområder og i lengre perioder til kai.

Nye og eksisterende skip kan designes på en betydelig mer bærekraftig måte dersom drikkevannsgeneratorene (evaporator) fjernes helt fra maskinrom og samtidig ny teknologi for å konvertere restvarme til elektrisitet blir installert på samme plass hvor all rør og varmevekslerinfrastruktur allerede er intakt for å lede varmen.

Oppfinnelsens anvendelsesområde

Systemet og fremgangsmåten for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon vil være spesielt anvendelig på cruise-, ekspedisjon-, og passasjerskip som;

● Ligger opp mot halvparten av døgnet til kai, ankers eller drifter, og/eller har lang transittid før skipet er ute i åpen sjø.

● Seiler store deler av sjøreisen innaskjærs (< 4 nm fra kystem), i områder med forurenset vann, elver med brakkvann, grunt vann med mye sand/sedimenter, eller is/issørpebelter som tidvis fyller sjøkassene/inntakene.

● Seiler i sensitive farvann hvor man ønsker å begrense/eliminere utslipp til og inntak fra sjøen

● Har lav gjennomsnittlig hastighet i sjøen, slik at varmeproduksjon til bruk i ferskvannsgenerator (evaporator) er begrenset, og man derfor må bruke oljefyrte kjeler med ekstra drivstoff forbruk for å skaffe tilveie nok varmekapasitet til å produsere tilstrekkelig med drikkevann for direkte forbruk og lagring til man kan produsere igjen.

● Seiler i kalde farvann (< 8<0>C) hvor produksjonseffektiviteten til revers osmose anlegget faller dramatisk og tilbyr langt under halvparten av nominell produksjonskapasitet

● Eller på andre måter har problemer med å skaffe tilstrekkelig med tilfredsstillende drikkevann, uten å måtte bunkre drikkevann fra land med eventuell dårlig kvalitet kombinert med høy kostnad.

Systemet kan også være anvendbart på andre flytende innretninger, hvor hovedformålet er produksjon av drikkevann og kraft/elektrisitet samtidig med holistisk utnyttelse av restvarme fra forbrenningsmotorer og eller avgassrensing, samt behandling av avfall- og avløpsvannhåndtering med mer.

Inn i fremtiden ser vi også at tank- og bulkskip kan benytte elementer av oppfinnelsen til å konvertere/ avsalte ballastvann til ferskvann under sjøreise, da behov for ferskvann i kystnære strøk trolig bare vil øke i sammenheng med befolkningsvekst, forurensning og økning av saltholdighet i naturlige drikkevannskilder.

Teknikk som oppfinnelsen bygger på

Ferskvannsgenerator (evaporator)

En evaporator er et drikkevannsanlegg som effektivt bruker en varmekilde på 70 – 90<0>C eller damp, for å koke sjøvann under vakuum med hensikt å destillere ut ferskvann i prosessen. Store cruise skip kan ha opptil 3 slike evaporatorer med kapasitet på nær 800 m3/dag drikkevann hver - hvor prosessen krever mellom 150 og 300 kW varme for hvert produserte tonn med drikkevann.

En evaporator har ved 25<0>C sjøvannstemperatur, normalt ca.10% gjenvinningsgrad på total mengde sanitær sjøvann tilført. Overskuddet (brinen) av tilført sjøvann til evaporatoren, som i dette tilfellet utgjør hele 90% og holder en temperatur på ca.40 til 45<0>C, vil normalt bli pumpet direkte over bord.

Denne overskuddsvarmen fra brinen på mangfoldige MW vil kunne bli utnyttet og varmevekslet (4) med sanitær sjøvann til mellomlagertank (8) i oppfinnelsen beskrevet i kapittel under og figur 1.

Revers osmose anlegg (med dobbelstegs membran system)

Revers osmose eller omvendt osmose er en filtreringsmetode som ligner på membranfiltrering, men det er viktige forskjeller mellom omvendt osmose og filtrering. I omvendt osmose skjer separasjonen av ulike stoffer ved diffusjon gjennom en halvgjennomtrengelig membran.

Prosessen skjer ved at man øker trykket i oppløsningen som skal renses slik at trykket blir høyere enn det osmotiske trykket mellom løsning (urenset væske) og løsemiddel (renset væske).

Eksempelvis vil det være en osmotisk trykkforskjell mellom saltvann og ferskvann når de to forbindes med en halvgjennomtrengelig membran. Denne trykkforskjellen fører til at vannmolekyler naturlig vandrer gjennom membranen fra ferskvanns- til saltvannssiden. Dersom trykket på saltvannet økes slik at det overstiger det osmotiske trykket, vil strømmen av vannmolekyler snu og prosessen kan for eksempel brukes til avsalting av havvann. Et vanlig revers osmose anlegg på 300 m3/dag vil kreve ca.7-10 kWh elektrisitet på høytrykkspumpen (6) per metriske tonn produsert drikkevann. Det osmotiske trykket ligger på mellom 65 og 80 bar avhengig hovedsakelig av saltinnholdet på sanitær sjøvannet og membran typen, og pumpearbeidet er normalt den største kostnadsdriveren for produsert drikkevann.

Ett dobbelstegs membran system betyr at første steg avsalter sjøvannet til over 97%, dernest leder man det produserte ferskvannet (permeatet) inn i neste (andre) steg hvor det på nytt blir avsaltet til meget rent drikkevann. Denne teknikken benyttes stadig i større utstrekning for å lage teknisk vann dersom man ikke har evaporator, men også for å lage renere drikkevann til forbruk i områder fødevannet er svært saltholdig (høy TDS).

UV filter- og vannrensesystem (i.h.h.t. IMO Ballastvannkonvensjonen)

Mange systemer er nå på markedet for å filtrere sjøvann ned til 20 micron, inaktivere fremmede organismer ned til 10 microns størrelse og ytterligere drepe/inaktivere alle bakterier i sjøvannet, ved hjelp av UV-bestråling. Egen fødepumpe med frekvensstyring og avansert automasjon følger med disse systemene for avansert sjøvannsbehandling.

ULF -sløyfer

«Ultra-Low-Frequency» sløyfer eller sonder benyttes for behandling av væsker og overflater i for eksempel tanker med hensikt å hindre bakteriell vekst eller organisk oppblomstring på overflater og i rør. Teknikken har blant annet viset seg effektiv i bekjempelse av legionella virus og andre bakterier.

Segregerte drikkevannstanker

Drikkevannstanker om bord i skip må være konstruerte slik at disse ikke kan kontamineres fra tilstøtende tanker, rør eller prosesser i.h.h.t. krav fra WHO og US Public Healt (CDC), samt andre nasjonale mattilsyn/helsemyndigheter. Tankene må derfor konstrueres og bygges inn i skipet med kofferdammer rundt og ikke ligge direkte mot andre tanker med felles skott eller ut mot skipssiden. Ballasttanker på skip kan derfor ikke benyttes eller konverteres til drikkevannstanker. Egnede malingssystem for drikkevann og separat utlufting vil også være absolutt krav.

Kjølevann varmegjenvinningssystem (Waste heat recovery - WHR) Framdriftsmaskineriet har normalt tilknyttet ett høytemperatur (HT) og ett lavtemperatur (LT) kjølevannssystem. Høytemperatur (HT) kjølevann vil videre bli fordelt ut i en sirkulasjonskrets slik av overskuddsvarmen (80-90<0>C) kan bli brukt til blant annet oppvarming av luftkondisjoneringsanlegg og varmt drikkevann. Den aller største varmeforbrukeren i dette systemet er dog ferskvannsgeneratorene (evaporator) som står for omtrent 80% av varmeuttaket på større cruiseskip.

Oftest kreves det mer varme en framdriftsmaskineriet kan generere, som fører til at de oljefyrte kjelene vil måtte starte og damp generert vil bli varmevekslet med evaporatorens sirkulasjonskrets for å heve temperaturen ytterligere i kretsen for økt drikkevannsproduksjon. To store evaporatorer i drift kan kreve så mye som 8,0 MW varme tilført.

Lavtemperatur (LT) kjølevann (30-50<0>C) blir ikke utnyttet om bord da eksergien i overskuddsvarmen er for lav og man ikke har funnet verdige forbrukere som er verdt tilleggsinvesteringen i rør, utstyr og automasjon. LT kjølevannet blir derfor vekslet ut med kjølevann direkte til sjøen.

Avansert avløpsvannrenseanlegg (AWP)

Avanserte avløpsrenseanleggene for cruiseskip er designet for å rense 99 prosent partikler, 98 prosent fosfor, 95-98 prosent organisk stoff (BOD5) og 99,999 prosent bakterier. Alt dette skjer gjennom en femtrinns prosess bestående av mekanisk, biologisk, kjemisk og fysisk prosess. Når vannet forlater renseanlegget er det krystallklart, og kvaliteten på vannet er bedre enn hva norske renseanlegg presterer. Avløpsvannet har normalt følgende parametre:

TSS: < 10 mg TSS/l (Krav: 30 mg TSS/l)

BOD5: < 10 mg BOD5/l (Krav: 30 mg BOD5/l)

Restklor: < 0,02 mg Restklor/l (Krav: 10 mg Rest klor/l)

pH: Mellom 6-7 (Krav: Mellom 6-9)

Fekale koliforme bakterier: 0 bakterier /100 ml (Krav: 20 bakterier/100 ml)

Scanship er i dag det selskapet i verden som har levert flest renseanlegg i kategorien «Advanced Wastewater treatment Plants» (AWP)

Nyhetsgrad

Systemet og fremgangsmåten for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon vil skape ideell balanse mellom total produksjon og forbruk av drikkevann om bord i f.eks. store cruiseskip, ved at revers osmose drikkevannsanlegget tillates å operere døgnkontinuerlig uavhengig av hvor skipet måtte befinne seg, eller i hvilken operasjonsmodus skipet er i (til kai, under manøvrering, til ankers, seiling innaskjærs, i forurenset/miljøsensitivt område, grunt farvann/brakkvann eller ute i åpen sjø).

Dagens skipssystemer for produksjon av drikkevann baserer seg hovedsakelig på bruk av evaporatorer, som destillerer sjøvann og krever store mengder høytemperatur (HT) restvarme fra fremdriftsmaskineriet når disse er i drift under sjøreise. Nyere skip tar dog i større grad i bruk revers osmose (RO) hyperfilter teknologi for drikkevannsproduksjon uten behov for restvarme tilgjengelig. Men disse RO anleggene kan på lik linje med evaporatorer kun være i drift når skipet er i fart, og i åpent farvann i.h.h.t. internasjonale og nasjonale helsekrav for drikkevannssystemer. Generelt for cruiseindustrien kan man si at skipene vil være 30-70%, med gjennomsnitt på 40-50% av tiden i et område/operasjon hvor de ikke kan produsere drikkevann.

Systemet og fremgangsmåten baserer seg på at man gjør en rekke nye tiltak som signifikant bedrer den totale produksjonseffektiviteten, vannkvaliteten, stabilitetsoperasjonen av skipet ved at man tillates av internasjonale og nasjonale helsemyndigheter for drikkevannssystemer - å mellomlagre sanitær sjøvann (fødevann) på drikkevannslagertanker om bord, slik at dette kan benyttes som fødevann i revers osmose anlegget i perioder man normalt ikke har lov til å produsere drikkevann.

Med det nye systemet vil skipene kunne bli selvforsynt med drikkevann av beste kvalitet til laveste mulig produksjonskost, selv i seilingsområder man kun i en kort periode har tilgang på relativt rent fødevann/sjøvann til drikkevannsproduksjonsenhetene.

Oppfinnerhøyde

Det mest sentrale ved oppfinnelsen er å oppnå helsemyndigheters godkjennelse for å kunne «mellomlagre» sjøvann om bord - for videre drikkevannsproduksjon når skipet er i områder det normalt ikke har lov til å produsere.

Det drivende prinsippet for myndighetene er at drikkevannskilden, i dette tilfellet sanitær sjøvann, forblir like rent eller renere enn det som ville blitt tatt inn direkte til revers osmose anlegget i åpen sjø, og at det et ikke er noen reell mulighet for at drikkevannskilden kan bli videre kontaminert, eller på noen måte får bakteriell oppvekst når fødevannet er på mellomlagertank.

Derfor bygger oppfinnelsen på at sanitær sjøvannet både må filtreres og desinfiseres ved sjøvannsinntak, men like viktig bli lagret på segregerte/ internt uavhengige drikkevannstanker i.h.h.t. US Public Health selv om det her kun er snakk om behandlet sjøvann.

Alle godkjente drikkevannssystemer trenger minst to hygieniske barrierer, hvor en av disse skal sørge for at drikkevann blir desinfisert eller behandlet på annen måte for å fjerne, uskadelig-gjøre eller drepe smittestoffer. Alle godkjente drikkevannssystem om bord i skip har installert enten et UV-anlegg eller et halogenering/ kloreringssystem etter revers osmose anlegget, som i seg selv er betraktet som en barriere.

Oppfinnelsen vår ligger i at vi også innfører en ytterligere hygienisk barriere (for sjøvannet/fødevannet) før reverse osmose anlegget, og dermed kan mellomlagre fødevannet men også sikre bedre drikkevannskvalitet for passasjerer i farvann med dårligere drikkevannskilde (f.eks. Yellow Sea utenfor Kina). Desinfisering ved hjelp av halogenering (klor, ozon el. liknende) av drikkevannskilden vil ikke være aktuelt siden dette vil ødelegge revers osmose membranene over relativt kort tid. Den valgte teknologien vil være en kombinasjon av filtrering og UV-belysning/ ULF av fødevannet.

Oppfinnelsen over danner også utgangspunktet for flere andre oppfinnelser og prosessforbedringer beskrevet under. Det at vi nå kan fylle opp og mellomlagre på segregerte/ internt uavhengige drikkevannstanker opptil 1500 metriske tonn filtrert og desinfisert sanitær sjøvann under sjøreise for et stort cruiseskip, vil også si at vi kan mellomlagre omtrent 40 MW lavtemperatur (LT) overskuddsvarme fra e.g. framdriftsmaskineri el. liknende som ellers ikke ville blitt utnyttet i kalde områder (e.g. Alaska eller på norskekysten). Dette forvarmede (til ca.30<0>C) og mellomlagrede fødevannet vil sørge for at revers osmose anlegget vil kunne produsere omtrent 40 % mer energieffektivt enn om fødevannet hadde holdt 5<0>C slik som det omkringliggende sjøvann.

Det nye systemet får således hybride egenskaper ved at sanitær sjøvann filtreres, desinfiseres og forvarmes mens skipet er i åpen sjø og har tilgang på overskuddsvarme og rent sjøvann -hvorpå det samme fødevannet etter å ha blitt fylt opp og mellomlagret på drikkevannstanker, kan sørge for at revers osmose (RO) anlegget fortsetter sin døgnkontinuerlig produksjon når skipet kommer inn i forurenset/sensitivt miljøområde. Det vi si at revers osmose anlegget vil produsere med like høy energieffektivitet grunnet «lagring av varmeenergi over tid» (som et varmebatteri) samt like høy rensegrad grunnet filtrering og UV-behandlingen, når skipet ligger kai.

Ved forvarming og optimalisering av revers osmose (RO) anleggets membraner kan man gjenvinne nær 50 % drikkevann ut av sanitær sjøvannet (fødevannet). Alt fødevannet (100%) har på forhånd blitt UV-behandlet og filtrert ned til 5 micron tetthet, mens 50% av fødevannet blir restprodukt/overskudd omtalt som RO brine med ca. dobbelt så høyt saltinnhold som det opprinnelige fødevannet. Denne RO brinen har på sin side blitt behandlet til en høyere standard en IMO krav til renset ballastvann (D2), og ville normalt blitt pumpet over bord i åpen sjø.

Resterende del av fødevannet har blitt til godkjent drikkevann etter revers osmose anleggets prosess og klor/mineraliseringsetterbehandlingen. Etter at dette drikkevannet har blitt forbrukt går så videre tilbake via avløpssystemet og gjennom et «Advanced Wastewater treatment Plant» rensesystem (AWP) og blir påny UV-behandlet før det havner ned på renset gråvannstank, eller pumpes direkte over bord dersom man er utenfor 12 nautiske mil av kysten med skipet.

Vår oppfinnelse bygger videre på at vi samler både RO brinen og det rensende gråvannet (gjennom AWP) fra forbruk, sammen på behandlet gråvannstank. Under landligge/ til kai vil revers osmose produksjonsanlegget produsere like mye drikkevann som RO brine (50/50). Alt drikkevannsforbruket vil bli til tilnærmet like mye renset gråvann. Like mye sanitær sjøvann (fødevann) vil bli forbrukt som total mengde av renset gråvann og RO brine produsert tilsammen. Med andre ord man må ha dobbelt så mye sanitær sjøvann tilgjengelig i forhold til drikkevannsforbruket i samme periode.

Når skipet kommer utenfor 12 nautiske mil fra kysten eller i åpen sjø, vil sanitær sjøvannstankene fylles opp igjen med filtrert og UV-behandlet rent sjøvann. Prinsippet er at sanitær sjøvannstankene fylles opp med tilsvarende mengde som går til forbruk før skipet er ute i åpen sjø igjen. Denne oppfyllingen skjer parallelt med at tilsvarende mengder renset gråvann pumpes over bord.

Oppfinnelsen vil på denne måten sørge for at skipet til enhver tid opprettholder sin optimale dypgang, både ved kai hvor intet pumpes hverken ut eller inn av gråvannstankene eller andre tanker. Og hvor man utenfor 12 nautiske mil eller i åpen sjø sørger for at fylling og tømming skjer simultant, med like volumstrømmer og kontrollert ved hjelp av automasjon.

Total beholdningen av renset gråvann ombord vil nå kun måtte avstemmes opp mot beholdningen av drivstoff - noe som gjør at hele stabilitetsoperasjonen inkludert trim, krenging- og dypgangskontroll har blitt betydelig forenklet for operatorene/navigatørene.

Oppfinnelsen med mellomlagring av store mengder behandlet sanitær sjøvann (fødevann) til revers osmose anlegget, på drikkevannstanker, vil sørge for at skipet ikke behøver å ha eget segregert ballastvannsystem installert. Skipet vil til enhver tid kunne tilfredsstille stabilitetskravene ved hjelp av det nye hybride og kontinuerlige drikkevannproduksjonssystemet. All stabilitetskontroll kan nå utføres ved hjelp av systemet for renset gråvann. Dermed trenger man heller ikke ballastvann rensesystemer i.h.h.t. til den nye IMO ballastvannkonvensjonen eller VGP, og skipet vil på denne måten også kunne konvertere eksisterende ballasttanker til behandlet gråvannstanker, som det vil være behov for ved lengre havneopphold.

Alt det rensede gråvannet som kommer ferdig behandlet ut av et AWP anlegg vil i prinsippet tilfredsstille standarden for drikkevannskilde i de fleste land. Vår oppfinnelse går ut på å pumpe det rensede gråvannet igjennom et eget UV- anlegg/ULF og deretter blande dette inn igjen på pumpe sugesiden i forkant av revers osmose anlegget.

Det rensede gråvannet må komme direkte ferdig prosessert fra renseanlegget - og ikke fra en lagertank. Hensikten er å blande gråvannet med det rensede sanitær sjøvannet (fødevannet) slik at total gjenvinningsgraden på revers osmose anlegget overstiger 50%.

Energieffektiviteten i revers osmose anlegget øker ved at man gradvis tillater mer gjenvinning av renset gråvann. Dette er fordi man oppnår totalt lavere saltinnhold i fødevannet når renset gråvann uten salt blandes inn. Behovet for pumpekraft avtar da det osmotiske trykket avtar, mens massestrømmen i revers osmose anlegget vil øke.

For at denne prosessen skal kunne tillates av internasjonale og nasjonale drikkevannsmyndigheter må revers osmose anlegget være designet som et 2-stegs membran anlegg, hvor hvert steg er en hygienisk barriere i seg selv - og videre sammen med UV-behandling i forkant og klorering i etterkant danner dette fire distinkte barrierer for det produserte drikkevannet – som skulle være mer en tilstrekkelig.

Ett revers osmose anlegg om bord som er designet for å omgjøre sjøvann til drikkevann, må dog ha et visst saltinnhold på fødevannet slik at massestrømmen i systemet ikke skal gå utenfor grenseverdiene i automasjonssystemet og systemet for øvrig. Vår oppfinnelse bygger derfor videre på at man også begynner å resirkulere konsentrat/ RO brine slik at man kan opprettholde saltinnholdet på fødevannet på et slik nivå at sjøvanns revers osmose prosessen går optimalt. Ved å blande inn stadig større mengde av både renset gråvann og resirkulert konsentrat RO brine, vil man tilslutt komme i en situasjon hvor man trenger å tilføre minimalt med sanitær sjøvann fra mellomlagerlank, gitt at gjenvinningsgraden på fødevannet ligger på omtrent 50%.

I dette ekstremtilfellet har man oppnådd nesten full resirkulering av gråvannet, brinen fungerer som en katalysator, samtidig som man har fire godkjente hygieniske barrierer mellom kilden og det produserte drikkevannet.

I ekstreme situasjoner som seiling opp Amasonas elven, flere dagers stilleligge med skipet ved kai/ til ankers uten mulighet for å skaffe til veie sikkert drikkevann, eller for ekspedisjonsskip som stadig søker etter nye men usikre ruter, kan oppfinnelsen være meget attraktiv da stadig mer renset gråvann kan bli resirkulert for å øke rekkevidden for skipet før man er ute i åpen sjø igjen og produsere på regulært vis. Total kvaliteten på bunkret vann bør alltid analyseres opp mot total kvaliteten ved å produsere drikkevann med middels til høy resirkuleringsgrad.

Fordeler ved bruk av teknikken på en ny måte

System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i cruise-, ekspedisjon- og passasjerskip, byr på følgende fordeler for rederne;

● Forvarming av sanitær sjøvann (fødevann) til omtrent 30<0>C innløpstemperatur i et revers osmose anlegg vil bedre energieffektiviteten i drikkevannsproduksjon med opptil 40 % i kalde strøk, dersom hyperfilter membranene blir tilpasset optimalt. Utnyttelse av skipets uutnyttede lavtemperatur (LT) restvarme fra e.g. framdriftsmaskineriets kjølevann under sjøreise, vil således bedre skipets totaløkonomi i form av energioptimalisering og derav betydelig reduksjon i drikkevannsproduksjonskostnadene.

● Skip som ligger store deler av tiden til kai, har lav hastighet med liten varmegenerering eller seiler i områder det normalt ikke er lov til å produsere drikkevann, må ofte få levert store deler av sitt drikkevannsbehov fra land til en høy kostnad med eventuelt også kvantitet- eller kvalitetsproblemer. Er ikke bunkring mulig fra land må ofte skipet bruke sine oljefyrte kjeler til en enda høyere kostnad for å få tilstrekkelig høytemperatur varmetilførsel til evaporatorene for å produsere tilstrekkelig med drikkevann (til forbruk og lagring) den korte tiden skipet er i åpen sjø.

● Desinfisering og forvarming av det sanitær sjøvannet når skipet er i åpen sjø muliggjør at man kan mellomlagre fødevannet på drikkevannstanker og dermed også «energilagre» store mengder i form av lavtemperatur (LT) varme, for bruk når skipet ligger til kai.

● Med god balanse mellom forbruk og kontinuerlig drikkevannsproduksjon som det nye systemet vil gi, trenger ikke skipet like stor kapasitet på lagret drikkevann. Dette er grunnen til at noen av drikkevannstankene kan kobles fra resten av drikkevannssystemet og dedikeres til sanitær sjøvannssystemet til å mellomlagre fødevann på omtrent 30<0>C, til revers osmose anlegget.

● Ved tilstrekkelig kapasitet på drikkevannstankene for det mellomlagre fødevannet vil revers osmose anlegget kan kjøre døgnkontinuerlig ifølge normale ruteplaner for cruiseskip som kun innimellom har overnatting i havn fra en dag til en annen. Skipet vil således kunne bli helt selvforsynt med drikkevann til lavest mulig kostnad og til best mulig kvalitet.

● Utnyttelsesgraden av eksisterende revers osmose anlegg vil kunne øke med over 100% slik at anleggene bør ombygges med god redundans.

● Skipet vil oppleve økt levetid på revers osmose system og komponenter samt økte serviceintervall da man unngår daglige start/stop av revers osmose anlegg som normalt gir økt beleggdannelse og forringelse av de kostbare membranene.

● Det vil også være mulig å skifte mellom normal produksjon i åpen sjø og til lukket produksjon direkte fra mellomlagertankene, i løpet av en sjøreise. Skipet kan f.eks. seile inn i et miljøsensitivt område, et sund, nær en oljeinstallasjon e.l. hvor man ikke ønsker noe inntak eller utslipp overhode, eller man kan stadig komme inn på grunt farvann (slik som i Østersjøen), hvor sand fra bunnen kan ødelegge revers osmose anleggets membraner, eller man kan ligge til ankers eller drifte i påvente av å seile videre, uten mulighet for å ta imot drikkevann fra land.

● Hele konseptet for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon baserer seg på at skipet får noen timer i løpet av et døgn eller to i åpent rent farvann, slik at skipet kan kvitte seg med renset gråvann parallelt med å fylle opp mellomlagertankene med renset, forvarmet og desinfisert sanitær sjøvann.

● Hele stabilitetsoperasjonen for skipet vil bli kraftig forenklet. All stabilitetskontroll kan nå utføres ved hjelp av systemet for renset gråvann og eventuelt sanitær sjøvannssystemet. Kompensering for drivstoff forbruk vil være en gjenstående men relativt ukomplisert oppgave.

● Skipet vil ikke ha behov for et ballastvann rensesystem i.h.h.t. til den nye IMO ballastvannskonvensjonen, men skipet vil derimot kunne konvertere alle store eksisterende ballast tanker til bruk som renset gråvann, som det vil være betydelig behov for ved lengre havneopphold.

● Resirkulering av renset gråvann fra det avansert avløpsrensevannsystemet (AWP) som fødevann til et revers osmose anlegg for å øke tilgang på drikkevann under ekstreme forhold, kan utvide aksjonsradiusen betydelig for en rekke cruise- og ekspedisjonsskip.

● Store plasskrevende evaporatorer i ett og flere maskinrom vil kunne bli overflødige på eksisterende cruise skip, noe som ville kunne gi plass til annet nytt utstyr for videre energioptimalisering eller miljøforbedringer, i et ellers så overflyt maskinrom.

Oppfinnelsens tekniske komponent sammensetning:

Oppfinnelsen er basert på bruk av og integrering i skipets allerede godkjente sanitær sjøvannssystem, øvrige drikkevanns-, ballast-, og gråvannstanker med tilhørende rørsystemer, state-of the-art revers osmose drikkevannsanlegg og avansert avløpsvannrenseanlegg (AWP) som beskrevet under kapittel «teknikk som oppfinnelsen bygger på» og illustrert i Figur 1 vedlagt.

Systemet består av et sjøvannsinntak (1) og rørsystem for sanitær sjøvann (2) til revers osmose anlegget (7).

En filter- og UV behandlingsenhet (3) med frekvensstyrt pumpe (3a) sørger for tilførsel av sanitær sjøvann i) direkte til revers osmose (RO) anlegget gjennom et (<5 micron) finfilter (5) i forkant av RO høytrykkspumpen (6), eller ii) til sanitær sjøvann mellomlagringstanker (8) for produksjon på et seinere tidspunkt når skipet f.eks. ligger til kai.

ULF sløyfer (8a) i sanitær sjøvann mellomlagringstanker (8) skal sørge for ytterligere sikring mot bakteriell vekst i tank i områder hvor kvaliteten på fødevannet er usikker (f.eks. i Amasonas)

En eller flere lavtemperatur (LT) varmevekslere (4) er installert på hoved-tilførselsrøret til revers osmose anlegget (7) og sanitær sjøvann mellomlagringstanker (8). Varmevekslerne overfører varme energi fra lavtemperatur (LT) kilder som f.eks. framdriftsmaskineriets kjølesystem eller direkte/indirekte fra Evaporator brine dersom om dette utstyret er i operasjon. Det er også lagt opp ventilstyringer (4a) for mulig ettervarming når fødevannet tas fra mellomlagertankene.

Revers osmose anlegget (7) består av et første steg (7a), og et andre steg (7b) hyperfilter membran rekke (< 0.001 micron) som hver av seg fungerer som en hygienisk barriere og arrangert i serie kan produsere svært rent (også teknisk) drikkevann direkte til dedikert drikkevannslagertanker (9).

Etter at drikkevann er sendt til forbruk (10) fra drikkevannstankene (9) vil alt avløpsvannet/ gråvannet (11) bli behandlet i et avansert avløpsvannrensesystem (AWP) (12). Det rensede/behandlede gråvannet (13) vil dernest bli behandlet av et UV-filter (14) før det dumpes over bord (15), eller ledes ned på behandlet gråvannstank (16) sammen med RO brine overskuddet (17) og dumpes først når skipet er utenfor 12 nautiske mil fra kysten.

Ved resirkulering av renset gråvann direkte etter avløpsvannrensesystem (AWP) vil gråvannet bli behandlet av UV anlegg (14) og ULF-sløyfer (14a) før det ledes (18) inn på pumpe sugesiden av revers osmoseanlegget (7) og til videre finfiltrering (<5 micron) (5) før RO høytrykkspumpen (6). Ved denne operasjonen vil også konsentrat/ RO brine (19) blandes inn ved høy resirkuleringsgrad. Revers osmose anlegget (7) kan nå kun stå i posisjon hvor første (7a) og andre (7b) stegs membran rekke er forbundet i serie med hverandre, og danner to hygieniske barrierer.

Ventiler for avstenging av sjøvannsinntak og annet prosessutstyr er nøye kontroller og regulert av ett eget integrert automasjon system (20).

Claims (1)

Patentkrav:

1) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ved hjelp av revers osmose drikkevannsproduksjonsteknologi, karakterisert ved at forbehandling, forvarming, mellomlagring av desinfisert sanitær sjøvann (fødevann), resirkulering av konsentrat (RO brine) og innblanding av UV/ULF-behandlet gråvann i forkant av et revers osmose (7) ferskvannsproduksjonssystem, blir designet på beskrevet måte (figur 1) hvor man også tillater optimal eksergiutnyttelse av overskuddsvarme fra framdriftsmaskineriets lavtemperatur (LT) kjølevann, evaporator brine utløp, avgass scrubber rensevann eller liknende lavtemperatur (< 60<0>C) varmekilder generert hovedsakelig når skipet er i drift til sjøs.

1-2) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip ifølge krav 1, karakterisert ved at sanitær sjøvann (fødevann)(1) til et revers osmose (7) ferskvannsproduksjonssystem først blir behandlet i et UV- og filterbasert renseanlegg (3) når skipet er under fart og i åpen sjø, hvor sjøvannskvaliteten er best mulig.

1-3) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-2, karakterisert ved at filtrert og desinfisert sanitær sjøvann (fødevann) blir forvarmet til ca. 30<0>C via varmevekslere (4) knyttet til framdriftsmaskineriets lavtemperatur (LT) kjølevann, evaporatorens brine utløp, eller andre kilder for overskuddsvarme hvor temperaturen normalt ligger mellom 30 og 50<0>C.

1-4) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-2 og 1-3, karakterisert ved at filtrert og desinfisert sanitær sjøvann (fødevann) ledes inn på dedikerte mellomlagertanker (8) bygget i.h.h.t. krav for drikkevannstanker (USPH), slik at skipet kan fortsette å produsere drikkevann fra fødevannet på disse mellomlagertankene gjennom eksisterende revers osmose (7) ferskvannsproduksjonssystem når skipet ligger til kai, ved anker, seiler innaskjærs eller er i forurenset/ miljøsensitiv farvann, basert på hvor stor kapasitet skipet har lagret av desinfisert sanitær sjøvann.

1-5) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-4, karakterisert ved at konsentratet (RO brinen)(17) fra revers osmose (7) ferskvannsproduksjonssystem blir ledet ned på bunnlagertanker for behandlet gråvann (16) når skipet ligger til kai, ved anker, seiler innaskjærs eller er i forurenset/ miljøsensitiv farvann, og således ikke endrer dypgangen på skipet i denne kondisjonen som ville ha skjedd om konsentratet (RO brinen) (15) ble pumpet over bord.

1-6) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-5, karakterisert ved at både konsentratet (RO brinen)(17) fra revers osmose (7) ferskvannsproduksjonssystem og behandlet gråvann (13) fra et avansert avløpsrenseanlegg for skip, er blitt filteret (≤10 micron) og UV-behandlet (14) slik at når man blander disse to prosess strømmene i forhold 50/50 vil man få et sluttprodukt som vil ha tilnærmet likt saltinnhold som det omkringliggende sjøvannet, og hvor alle gjeldende miljøkrav for gråvannsutslipp vil være tilfredsstilt samtidig som man først slipper dette ut utenfor 12 nautiske mil fra kysten. Cruise/ passasjerskip vil grunnet sitt store behov for drikkevannsproduksjon om bord, heller ikke være avhengig av ballast operasjoner eller godkjent ballast renseanlegg i.h.h.t nye IMO konvensjoner da alle stabilitetskorreksjoner kan gjøres ved hjelp av behandlet gråvann/ konsentrat (RO brine) i dette nyoppfunnede systemet. I tillegg vil man samtidig få mer ønsket kapasitet på lagring av behandlet gråvann, som er et problem ved lange havneopphold, da alle eksisterende og store ballasttanker (21) kan konverteres til bruk som behandlet gråvannstanker (16).

1-7) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-6, karakterisert ved at UV-behandlet gråvann direkte (18) fra et avansert avløpsrenseanlegg for skip, blir dosert inn sammen med en balansert andel direkte prosessresirkulert RO brine (19) og UVbehandlet, forvarmet og lagret sanitær sjøvann (fødevann) (8), slik det sammensetningen av det samlede fødevannet til revers osmose anlegget opprettholder omtrent samme eller noe lavere saltinnhold sammenliknet med omkringliggende sjøvann for skipet.

Med opptil fire -4- hygieniske barrierer i systemet og fremgangsmåten for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip, kan man således i beskjeden grad også begynne resirkulering av renset, behandlet og desinfisert gråvann (18) for drikkevannsproduksjon.

1-8) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-4 og 1-7, karakterisert ved at automasjonssystemet vil sørge for at over bord- og sjøkasse inntaksventiler (2) vil være innstilt i korrekt posisjon før man tillater kun intern drikkevannsproduksjon via revers osmose anlegget fra sanitær sjøvannsmellomlagertanken. Automasjonssystemet (20) vil også sørge for at revers osmose anlegget kjøres gjennom membranene i dobbelt pass (seriell) dersom noe behandlet gråvann også skal gjenvinnes ifølge krav 1-7 når skipet er til kai/ innaskjærs over lengre tid i områder det er vanskelig å skaffe tilveie tilstrekkelig med sikkert drikkevann.

1-9) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1-4, karakterisert ved at sanitær sjøvann mellomlagertankene og rør for renset gråvann også kan være utrustet med «Ultra-Low Frequency» (ULF) (8a og 14a) behandlingssløyfer for å inaktivere om mulig potensielle bakterie oppblomstring (legionalla, E-coli) i mellomlagertankene eller fra det avanserte avløpsrensesystem, selv etter UV behandling og før dette går som fødevann til revers osmose (7) drikkevannsproduksjon.

1-10) System og fremgangsmåte for hybrid kontinuerlig drikkevannsproduksjon om bord i skip eller flytende innretninger ifølge krav 1, karakterisert ved at høytemperatur (HT) restvarme fra fremdriftsmaskineriet som normalt har blitt distribuert gjennom et restvarmegjenvinningssystem og konsumert av ferskvannsgeneratorer (evaporator) nå blir utnyttet til å produsere strøm/kraft via et Organic Rankine Cycle eller Ericsson’s Cycle varmegeneratoranlegg.

� Patent sammendrag:

Dagens flåte av cruiseskip bruker omtrent 5 -20 % av sitt totale drivstoff forbruk på å opprettholde drikkevannsproduksjon og varmebalansen om bord. Stadig lengre tid i havn og innaskjærs navigering, samt lavere gjennomsnittshastigheter mellom havner for å spare drivstoff, setter ytterligere press på drikkevannsproduksjonen ombord.

Oppfinnelsen går i utgangspunktet ut på å sørge for at cruise-, ekspedisjon-, og passasjerskip, kan bli selvforsynt med drikkevann til lavest mulig kostnad og best mulig kvalitet uavhengig av seilingsmønster, seilingsruter, liggetider til kai og effektuttak på fremdriftsmaskineri under sjøreise.

Oppfinnelsen benytter seg av både filtrering, desinfisering, forvarming og mellomlagring av sanitær sjøvann om bord, samt resirkulering av renset gråvann og brine, i et avansert revers osmose anlegg med formål om å bli helt uavhengig av bunkring av ferskvann i havn og bruk av oljefyrte kjeler.

Systemet og fremgangsmåten vil sørge for meget bærekraftig vannbehandling av både drikkevann og gråvann om bord, og skipet vil ikke ha behov for et eget ballastvann system.