Electrification of Fish Farms with Hydrogen Retrofitting vs Building a New Feed Barge

Abstract

Denne masteroppgaven er skrevet i samarbeid med fornybarklyngen, NTE, Midt-Norsk Havbruk AS og H2 Marine. Målet med oppgaven er å finne den best mulige måten å elektrifisere et offshore fiskeoppdrettsanlegg, hvor det er for dyrt å koble til strømnettet. To scenarioer har dermed blitt introdusert. Det første scenarioet er en retrofit av en eksisterende forflåte med brenselceller og batterier. Det andre scenarioet er å bygge en ny forflåte, med de nyeste teknologiene og energieffektiviserende metodene. Vannboren mating er en ny teknologi, som kan drastisk redusere energiforbruket.

Lastdatene til tre oppdrettsanlegg er analysert. De er Eiterfjorden, Skrosen og Årsetfjorden. En brenselcelle og batteri størrelse er regnet ut med å analysere snitt lastprofilen til måneden med høyest forbruk. Dette var gjort for alle anleggene og begge scenarioer. Nybyggings scenarioet bruker samme data som retrofit scenarioet, men det er justert for de energieffektiviserende teknologiene. Eiterfjorden fikk en brenselcelle størrelse på 140 kW og batteri størrelse på 360 kWh, for retrofit scenarioet. For nybyggings scenarioet, ble brenselcelle størrelsen 60 kW og batteri størrelsen 230 kWh i Eiterfjorden.

I en analyse av forflåtetegningene, ble det bestemt at to containere er optimalt, men videre analyse burde gjennomføres. Et grunnleggende scenario ble også laget, for å sammenlignes med de to andre. Dette var gjort for å kunne vise drivstoff kostnadene som kan bli spart ved å bytte til hydrogen. Fra det gitte data grunnlaget, ble det laget en driftssyklus. Dette var for å kunne simulere en økonomisk analyse. Syklusene var på fire år for Eiterfjorden og Årsetfjorden, og to år for Skrosen. I disse syklusene, ble drivstoff forbruket for periodene med og uten fisk, inkludert. De årlige utgiftene ble dermed brukt i nåverdianalysen.

Den totale CAPEX ble utregnet til å være rundt 16 millioner kroner for retrofit scenarioet og rundt 32 millioner kroner for nybyggings scenarioet. Den store forskjellen kostnader skylles kostnadene for å bygge en ny forflåte, som ble funnet til å være rundt 25 millioner kroner. Fra de årlige utgiftene, var det en forskjell på mellom 700 tusen til en million kroner, i fordel nybygging scenarioet.

Fra nåverdianalysen, ble det utregnet at Eiterfjorden gikk i null etter 17 år for retrofit scenario og gikk aldri i pluss for nybyggings scenarioet. Hvis diesel øker og hydrogen priser minker, går den i null etter 11 år for retrofit scenario og for nybyggings scenarioet går det 16 år. De andre oppdrettsanleggene viste de samme tendensene, men med lengre tid før de går i null. Videre, hadde Eiterfjorden en tilbakebetalingstid på 13 år for retrofit scenarioet og 14,1 år for nybyggings scenarioet. De andre oppdrettsanleggene hadde noe høyere tilbakebetalingstid. Ut ifra disse resultatene kan det bli konkludert, at ved større oppdrettsanlegg og større energibruk, blir utgiftene hvert år mindre.

Denne oppgaven kan videre konkludere med at en retrofit av en forflåte er det mest kostnads effektive valget, for fiskeoppdrettsanlegg med en levetid på over ti år igjen. Hvis forflåten har under fem år igjen, kan det være smart å la den leve ut tiden sin og deretter bygge en ny med alle de nyeste teknologiene. Dette er fordi det er mye å spare hvert år på drivstoff utgifter.

This thesis is written in cooperation with Renewable Energy Cluster, NTE, Midt-Norsk Havbruk AS, and H2 Marine. The aim is to find the most suitable way to electrify an offshore fish farm, where it is too expensive to connect to the power grid. Two scenarios have therefore been introduced where the first is a retrofit of an existing feed barge with fuel cells and batteries. The second is building a new feed barge with the newest technologies and efficiency measures. Waterborne feeding is a prominent new technology that can drastically decrease load demand and fuel usage.

The load data for three fish farms are analysed. They are Eiterfjorden, Skrosen and Årsetfjorden. The fuel cell and battery size were calculated by analysing the average load profile of the month with the highest load for a locality. This was performed for all three fish farms and both scenarios. The new build scenario used the same data set for the retrofit scenario but adjusted for the efficiency measures. Eiterfjorden got a fuel cell size of 140 kW and a battery size of 360 kWh for the retrofit scenario. For the new build scenario, were the fuel cell size 60 kW and the battery size 230 kWh at Eiterfjorden.

In analysing the given feed barge schematic, it was decided that two containers were the best for storage, but this can be further optimised. A basecase was also created to weigh against the two scenarios. This case shows how much fuel expenses can be saved by changing to hydrogen.

From the given dataset, cycles were created. This was to simulate an economic analysis. The cycles were four years for Eiterfjorden, two years for Skrosen, and four years for Årsetfjorden. In these cycles, the fuel consumption for periods with fish and without were included. The yearly expenses were used for the net present value analysis.

The total CAPEX was calculated to be around 16 million kr for the retrofit scenarios and 32 million kr for the new build scenarios. The significant difference in initial investment can be attributed to the cost of building a new feed barge, which was found to be 25 million kr. From the resulting yearly expenses, which are hydrogen and maintenance, the difference is about 700 thousand to one million kr, in favour of the new build scenario.

From the net present value analysis, the retrofit scenario for Eiterfjorden broke even after about 17 years and did not break even for the new build scenario. This was with a fixed diesel and hydrogen price. If the diesel price increases and the hydrogen price decreases, the retrofit breaks even after 11 years and the new build after 16 years. The other fish farms showed the same tendencies. Furthermore, the Eiterfjorden had a payback time of 13 years and 14.1 years for the retrofit and new build scenario, respectively. The other fish farms have a higher payback time. From this, it can be concluded that the bigger the fish farm, with higher energy usage, the more yearly expenses can be saved by performing one of the scenarios.

From this thesis, it can be concluded that a retrofit is the most cost-beneficial choice for fish farms with a life expectancy left of over ten years. If the fish farm has under five years, it can be concluded that it is better to live out its lifetime and then build a new feed barge with all the newest technologies and efficiency measures implemented because there is much to save from the yearly expenses.