Modeling and Optimization of a Hybrid Electric Ship Power System

Abstract

Den maritime industrien står for omtrentlig 3 prosent av de globale CO2-utslippene. Det økte fokuset på miljøvern driver initiativet til å satse på hybrid elektriske fartøy. Installasjon av batterier er et viktig skritt for næringen mot et lavutslipps-samfunn.

Denne masteroppgaven tar sikte på å fremheve fordelene og potensielle utfordringer ved hybrid elektrisk fremdriftssystem for store marine fartøyer. Det er gjennomført grundige litteraturstudier for å gi den nødvendige innsikten og forståelsen av maritime batterier, hybrid elektriske systemer og dets kontrollsystem. En simuleringsmodell av et hybrid elektrisk fremdriftssystem er designet, og fordelene som er fremhevet i teoridelen, blir testet gjennom en case studie-analyse med virkelige operasjonsdata fra et fartøy.

Elektriske fremdriftssystemer innebærer flere forbedringer i forhold til det konvensjonelle mekaniske fremdriftssystemet. De viser seg å være mer økonomiske, miljøvennlige og pålitelige. I tillegg til å redusere vibrasjons- og støynivå, vil drift og kontroll forbedres når det gjelder manøvrering og posisjonering. Det elektriske fremdriftssystemet muliggjør også enkel implementering av energilagringssystemer som batterier. Et batteri kan tilby ytterligere fordeler som lastutjevning, redusere skadelig operasjon av motorer, fungere som balansekraft samt bedret miljøpåvirkning. Utfordringer knyttet til maritime batterier er høye investeringskostnader, lav energitetthet, begrenset forventet levetid og manglende infrastruktur.

Det er viktig for et system med to eller flere energikilder å kontrollere og optimalisere energiproduksjonen for å utnytte fordelene som hver kilde tilbyr. På grunn av ulike egenskaper og begrensninger, kan effektiv distribusjon ha stor innvirkning på systemets dynamiske ytelse, drivstofforbruk og levetid. Likevel er styringssystem fremdeles relative nytt i den maritime industrien. Dette skyldes det lave antall installerte enheter og de svært avanserte fremdriftssystemene. Kompleksiteten øker ytterligere når man innfører energilagringssystemer.

Et rammeverk som kan brukes til å analysere ytelse til nye fremdriftsssystem, estimering av drivstofforbruk og utslipp, samt for utvikling av kontrollsystem, er laget gjennom en simuleringsmodell. En case-studie utført med denne modellen indikerer at batteriet har evne til å forbedre driften av motorer, samt redusere driftskostnadene ved hjelp av midlene som ble identifisert i litteraturstudien. Funnene belyser imidlertid også visse utfordringer, for eksempel avveiingen mellom redusert skadelig motoroperasjon og redusert drivstofforbruk.

The maritime industry is responsible for approximately three percent of the global CO2 emissions. The increased focus on environmental protection drives the initiative to pursue hybrid electric ships. The installation of batteries is an important step for the maritime industry towards a low-emission industry.

This master thesis aims at highlighting the advantages and potential challenges of hybrid electric propulsion for large marine vessels. As part of this thesis, thorough literature studies have been conducted in order to provide the necessary understanding of maritime batteries, hybrid electric power systems and its control systems. A simulation model of a hybrid electric propulsion system have been created, and the advantages highlighted in theory are tested through a case study analysis with real vessel operational data.

Electrical propulsion systems involve several advantages compared to conventional mechanical propulsion systems. The electrical propulsion system is more environmentally friendly, reliable and economically profitable. In addition to reducing vibration and noise levels, it may enhance operation and control in terms of maneuvering and positioning abilities. Furthermore, the electrical propulsion system also enables simple implementation of energy storage systems such as batteries. A battery may offer additional advantages such as peak shaving, load levelling, decrease harmful operation of engines, act as a spinning reserve and reduce the environmental impact. Current challenges related to maritime batteries are the high cost, low energy density, short lifetime expectancy and limited infrastructure.

In a power system with two or more energy sources it is essential to implement control systems in order to make use of the advantages that each energy source offer. Control systems can potentially have a substantial impact on a system's dynamic performance, its fuel consumption and the service life of the energy sources due to the energy sources' different capabilities and limitations. However, control systems are still novel in the maritime industry. This is mostly due to the high complexity of the propulsion systems. The complexity increases further when introducing energy storage systems, while the advantages of control systems becomes increasingly important.

A simulation model framework has been created with the intention of being used for analyzing novel power system performance, estimation of fuel consumption and emission, as well as for control system development. A case study conducted with this model indicates that the battery has ability to improve an engine's operation and reducing operational costs. However, the findings also highlight certain challenges, such as the trade-off between decreasing harmful engine operation and reducing fuel consumption.