Ship emissions assessment in short sea shipping: application on weather ship routing, slow steaming and maritime education and training

Abstract

(English) A significant proportion of global carbon dioxide emissions are attributed to ocean-sailing ships. These shipping emissions are predicted to double in less than 30 years. In this sense, it is mandatory to develop tools and methods for a proper assessment of the air contaminants emitted by vessels as the basis for developing efficient policies also enhancing best practices on board. From an academic point of view, the training of seafarers is the backbone of success in emissions abatement as their actions and knowledge have a direct impact on ships operation. From a theoretical point of view, the objective of this thesis is to analyse the effects on emissions abatement of the two operational techniques, i. e. weather ship routing and slow steaming, used in the shipping industry to reduce fuel consumption taking also into consideration future seafarers’ education on the mentioned techniques. Firstly, this thesis merges the estimation of shipping pollutants and their mitigation through weather routing optimisation; two lines of research widely analysed separately but seldom discussed together. An open software of weather ship routing is used to obtain the minimum cost (i.e. optimised route) in terms of sailing time, using high-resolution wave forecasting analysing several scenarios for a Ro-Pax vessel sailing in the Mediterranean Sea. The assessment of fuel consumption and ship emissions calculations have been inspired by a bottom-up methodology, in conjunction with the estimation of the power increase needed to overcome speed decrement due to waves. The ship routing optimisation reveals a reduction up to 30% of ship emissions during severe storms on longer routes. Nevertheless, all the cases studied show emissions mitigation when ship routing optimisation is used. The expected increase of extreme weather events, in terms of frequency, intensity and duration due to climate change, suggests a gradual gain of implementing weather ship routing optimisation in all types of routes, regardless of the distance. Secondly, this contribution also investigates the effect on fuel consumption and emissions when vessels are sailing below the design speed (i.e. slow steaming), as a strategy to minimize fuel consumption. The estimation of fuel consumption is commonly based on the cubic speed- power relation as a bottom-up approach. Nevertheless, the cubic relation could overestimate the impact of slow steaming on fuel consumption reduction and the emissions assessment. Container ships real fuel consumption data is compared with the results of assessing these parameters from a bottom-up approach. The exponential values obtained for the speed- power relation show an overrating over 20%. Moreover, this section shows the results of the additional emissions savings in the framework of ship-specific measures when weather ship routing and slow steaming are applied simultaneously. Based on the results obtained, the present thesis proposes a weather ship routing software developed at the Barcelona School of Nautical Studies (UPC-Tech) as a new teaching tool for distance and face-to-face education, which has the aim to assess some knowledge of several competences of the Standards of Training, Certification and Watchkeeping (STCW) code on weather routing and emissions abatement. The results of a teaching trial carried out alternatively at sea (distance education) and onshore (face-to-face education) are compared in terms of competences acquisition in the Maritime Education and Training framework. Results indicate that, in the context of maritime training, there are no significant differences between students enrolled in a face-to-face or in a distance environment and results also demonstrate that the proposed software represents an innovative teaching tool that can be used by all Maritime Education and Traning Institutions.

(Català) Una part important de les emissions mundials de diòxid de carboni s'atribueix als vaixells mercants i es preveu que les emissions del transport marítim es dupliquin en menys de 30 anys. En aquest sentit, és d’una importància cabdal desenvolupar eines i mètodes per a una avaluació correcta de contaminants atmosfèrics emesos pels vaixells per tal que sigui la base del desenvolupament de polítiques eficients i de l’ús de les millors pràctiques a bord. Des del punt de vista acadèmic, la formació i conscienciació de la gent de mar és l’eix vertebrador de l’èxit en la reducció d’emissions, ja que les seves accions i coneixements tenen un impacte directe en l’explotació dels vaixells. Des d’un punt de vista teòric, l’objectiu d’aquesta tesi és analitzar l’impacte en les emissions de l’aplicació de dues tècniques operatives, com són l’optimització meteorològica de rutes i la reducció de velocitat de navegació, utilitzades en la indústria naviliera per reduir les emissions, tenint en compte també la formació de la futura gent de mar sobre les esmentades tècniques. Conseqüentment, aquesta tesi contribueix a l’Objectiu de Desenvolupament Sostenible número 13 de les Nacions Unides d’Acció pel clima. D'una banda, la present contribució combina l'estimació dels contaminants del transport marítim i la seva mitigació mitjançant l'optimització rutes. S'utilitza un programari obert d’optimització de rutes de vaixells mitjançant la meteorologia que ha estat desenvolupat a la Facultat de Nàutica de Barcelona per obtenir el cost mínim (és a dir, una ruta optimitzada) en termes de temps de navegació, utilitzant previsions d'onatge d'alta resolució per a un vaixell Ro-Pax navegant pel Mar Mediterrani. L'optimització de rutes revela una reducció de fins a un 30% de les emissions dels vaixells durant les tempestes severes en les rutes més llargues. No obstant això, tots els casos estudiats mostren una mitigació d'emissions quan s'utilitza l'optimització de rutes. L'augment esperat d'esdeveniments meteorològics extrems, en termes de freqüència, intensitat i durada a causa del canvi climàtic, suggereix un guany gradual d'implementar l'optimització de rutes mitjançant la meteorologia en tot tipus de rutes, independentment de la distància. D'altra banda, aquesta contribució també investiga l'efecte sobre el consum de combustible i les emissions quan els vaixells naveguen per sota de la velocitat de disseny (és a dir, en condició de navegació lenta o ”slow steaming”, SS), com a estratègia per minimitzar el consum de combustible. L'estimació del consum de combustible es basa habitualment en la relació cúbica velocitat-potència. No obstant això, la relació cúbica podria sobreestimar l'impacte de l’”slow steaming” en la reducció del consum de combustible i l'avaluació d'emissions. Es comparen les dades de consum de combustible real de vaixells portacontenidors amb els resultats de l'avaluació d'aquests paràmetres des d'un enfocament ascendent mostrant una sobreestimació dels beneficis de l’SS superior al 20%. En funció dels resultats obtinguts, aquesta contribució proposa un programari d’optimització de rutes marítimes segons la meteorologia com a eina docent per a l'ensenyament a distància i presencial, que té com a objectiu avaluar alguns coneixements de diverses competències del codi Estàndards de Formació, Certificació i Vigilància de la gent de mar (STCW) sobre l’optimització de rutes i la reducció d'emissions. Es comparen els resultats d'un assaig docent realitzat alternativament al mar (educació a distància) i a terra (ensenyament presencial) pel que fa a l'adquisició de competències en el marc d'Educació i Formació Marítimes. Els resultats indiquen que, en el context de la formació marítima, no hi ha diferències significatives entre els estudiants matriculats en un entorn presencial o a distancia i també demostren que el software proposat és una eina didàctica innovadora que pot ser utilitzada per qualsevol Institució d'Educació Marítima Superior.

(Español) Una parte importante de las emisiones globales de dióxido de carbono se atribuyen a buques mercantes y se prevé que las emisiones del transporte marítimo se dupliquen en menos de 30 años. En este sentido, es de vital importancia desarrollar herramientas y metodologías para una correcta evaluación de contaminantes atmosféricos emitidos por los buques para que sirva de base para el desarrollo de políticas eficientes y para el uso de buenas prácticas abordo. Desde el punto de vista académico, la formación y concienciación de la gente de mar es el eje vertebrador del éxito en la reducción de emisiones, puesto que sus acciones y conocimientos tienen un impacto directo en la explotación de los buques. Desde un punto de vista teórico, el objetivo de esta tesis es analizar el impacto sobre las emisiones de dos técnicas operativas, como son la optimización meteorológica de rutas y la reducción de la velocidad de navegación, utilizadas en la industria naviera para reducir emisiones, teniendo en cuenta también la formación de los futuros marinos sobre las citadas técnicas. En primer lugar, la presente contribución fusiona la estimación de los contaminantes del transporte marítimo y su mitigación a través de la optimización de las rutas según las condiciones meteo-oceanográficas encontradas. Para tal efecto, se utiliza un software de optimización de rutas de navegación de acceso abierto desarrollado en la Facultad de Náutica de Barcelona (UPC-Tech) para obtener el costo mínimo (es decir, la ruta optimizada) en términos de tiempo de navegación, utilizando pronósticos de oleaje de alta resolución para un buque Ro-Pax navegando en el Mar Mediterraneo. La optimización de las rutas estudiadas revela una reducción de hasta el 30% de las emisiones durante tormentas severas. Sin embargo, todos los casos estudiados muestran mitigación de emisiones cuando se utiliza la optimización de rutas. El esperado aumento de eventos climáticos extremos, en términos de frecuencia, intensidad y duración debido al cambio climático, sugiere una ganancia gradual en la implementación de la optimización de rutas de buques en todo tipo de rutas, independientemente de la distancia. En segundo lugar, esta contribución también investiga el efecto sobre el consumo de combustible y las emisiones cuando los buques navegan por debajo de la velocidad de diseño (i.e. slow steaming, SS), como estrategia para minimizar el consumo de combustible. La estimación del consumo de combustible se basa comúnmente en la relación cúbica velocidad-potencia. Sin embargo, la relación cúbica aplicada a cualquier velocidad de navegación podría sobrestimar el beneficio del slow steaming en la reducción del consumo de combustible y la evaluación de emisiones derivadas de dicho consumo. En esta contribución, se comparan los datos de consumo real de combustible de varios buques portacontenedores con los resultados de la evaluación teórica de estos parámetros desde un enfoque ascendente mostrando una sobrevaloración de los beneficios del SS superior al 20%. En base a los resultados obtenidos, esta contribución propone un software de optimización de rutas como herramienta didáctica para la educación a distancia y presencial, que tiene como objetivo evaluar parte del conocimiento de algunas competencias del código Estándares de Formación, Certificación y Vigilancia de la gente de mar (STCW) sobre optimización de rutas y mitigación de emisiones. Se comparan los resultados de la enseñanza realizada alternativamente a distancia (en la mar) y presencial (en tierra) en términos de adquisición de competencias en el marco de la Educación y Formación Marítimas. Los resultados indican que, en el contexto de la formación marítima, no existen diferencias significativas entre los alumnos matriculados en un entorno presencial o a distancia y también demuestran que el software propuesto es una herramienta de enseñanza innovadora que puede ser utilizada por cualquier Institución de Educación Marítima Superior.