Optimal Charge Planning in Hybrid Ferry Systems

Abstract

Klimaendringene er uten tvil en av de største utfordringene vår generasjon står ovenfor. Ny teknologi utvikles imidlertid som følge av denne utfordringen, og gjør sitt inntog i nye løsninger for at vi skal nå internasjonale og nasjonale mål for reduksjon i klimagassutslipp. Hybride ferger er en slik løsning, hvor ny teknologi er implementert for å gjøre systemet mer bærekraftig.

En hybrid ferge opererer på lavutslippsteknologi ved å kombinere dieselgeneratorer med nullutslipps-energilagringssystemer. Siden batteriet er den mest brukte typen for energilagring i hybride ferger i dag, kan forskning på hvordan man bedre utnytter batteriet forbedre effektiviteten i fergen.

Denne masteroppgaven fokuserer på batteriutnyttelsen i fergen og de tilhørende landbaserte ladestasjonene. En metodikk og et rammeverk for optimalisering av batterilading i fergesystemer, og en tilnærming for kvantifisering av mulige besparelser er de to viktigste bidragene fra denne oppgaven.

Planlegging av optimal lading er et samlebegrep for prediksjon av fremtidige eksterne faktorer som påvirker fergesystemet og for beregning av optimal batterilading basert på et sett med mål. De eksterne faktorene er i denne oppgaven definert til å være den varierende mengden med passasjerer, vindforhold og havstrømsforhold, som alle bidrar til energiforbruket i fergen.

Etter å ha vurdert de mulige faktorene som påvirker batteriladingen, er målet for optimaliseringen satt til å minimere kostnaden av strøm, kostnaden av effekttap i batteri, kostnaden av aldring i batteri og straffekostnaden ved å ta ut effekt av strømnettet over en lading. Siden optimaliseringen ikke inkluderer alle faktorer som påvirker en batterilading, er løsningen på optimaliseringsproblemet en av flere mulige løsninger for optimal lading av batteri.

Ved at strømprisen varierer over en dag, over en måned og over et år, kan reduksjon i kostnaden oppnås ved å planlegge energioverføringen etter prisdynamikken.

Effekttap i batteri og aldring er faktorer knyttet til bruken og ytelsen av batteriet, og å inkludere disse i optimaliseringsproblemet er viktig for å forbedre effektiviteten og for å begrense batteriforringelsen. Siden kostnaden av batterisystemet er en stor del av kostnaden til hele fergesystemet kan det oppnås store besparelser ved å forlenge batterilevetiden.

Ettersom effektbehovet stadig øker mer en energibehovet for sluttbrukere i Norge, undersøkes for tiden nye nettariffer for denne nye typen bruk av strøm. For å studere virkningen av nye nettariffer inngår en faktor som straffer høyt uttak av effekt under perioder med underforsyning av elektrisitet i nettet som et minimeringsmål for optimal lading.

En numerisk og analytisk metode for å løse optimaliseringsproblemet er foreslått. Ettersom den analytiske metoden, basert på Pontryagin's minimeringsprinsipp, gir bedre resultater med hensyn til ytelse og beregningstid, blir denne metoden ytterligere brukt i simuleringene av fergesystemet.

Et fergesystem som tar i bruk planlegging av optimal lading er mer lønnsomt enn et fergesystem der dagens ladingsstrategi blir brukt, hvor målet er å erstatte energien som ble konsumert under den siste turen. Simuleringer viser at store besparelser kan oppnås ved å beregne den optimale fordelingen mellom effektuttak fra nettet og bruken av batteriet i ladestasjonen for et modellert fergesystem under påvirkning av en straffekostnad for effektuttak. Prediksjon av fremtidig energiforbruk er sett å gi de største besparelsene knyttet til effekttap i batteri og batterialdring for det modellerte systemet.

Inkluderingen av en planleggingsfaktor basert på strømkostnaden ved kalkulering av energioverføring til batteriene har et potensial for å redusere den årlige systemkostnaden for et modellert fergesystem med rundt 210 000 kroner, sammenlignet med dagens strategi for energioverføring. Rundt 72% av besparelsen kan tilordnes reduksjonen i kostnaden til batterialdring og 20% kan tilordnes reduksjon i strømkostnad.

Å legge til en ekstra optimaliseringsrutine på toppen av den foreslåtte optimaliseringen av energi, kan forbedre fergedriften ytterligere. Ved å se på faktorene som påvirker fergen på lengre sikt, og ikke bare ved neste overfart, kan mer optimal fordeling av energi oppnås, og dermed gi forbedring i systemets effektivitet og lønnsomhet. Fremtidig arbeid, som for eksempel bidrag til lastutjevning i nettet og muligheter innenfor "ferge-til-nett"-lagringsmuligheter, bør videre undersøkes, da dette kan gi mer inntekt for fergeoperatøren.

Denne masteroppgaven utforsker noe av potensialet for planlegging av optimal lading i hybride fergesystemer. De foreslåtte metodene vil trolig gi besparelser for fergeoperatøren og mer lønnsomhet for systemintegratoren. Som en direkte konsekvens av forlenget batterilevetid, blir fergesystemet også mer bærekraftig, noe som er et overordnet mål for alle parter.

The climate changes are arguably one of the biggest challenges for our generation. However, new technology is being developed as a result of this challenge, and is entering new solutions for us to achieve international and national targets for climate gas reductions. The hybrid ferry is such a solution, where new technology is implemented for making the transportation system more sustainable.

The hybrid ferry operates on low-emissions technology, by combining diesel generators with zero-emissions energy storage systems. As the battery is the most common type of energy storage used in hybrid ferries today, research on how to better utilize the battery can improve hybrid ferry efficiency.

This thesis focuses on the battery utilization in the hybrid ferry and the associated charging stations at shore. A methodology and an optimization framework for optimal charge planning in hybrid ferry systems, and an approach for quantifying the potential savings are the two main contributions.

Optimal charge planning is a collective term for the prediction of future external factors impacting the hybrid ferry system and for the calculation of optimal battery charge profiles based on a set of objectives. The external factors are defined to be the varying amount of passengers, wind conditions and ocean current conditions, which all contributes to the ferry energy consumption.

After considering possible factors impacting the battery charging, the objective to minimize the cost of electricity, battery power loss, battery aging and the penalizing cost of electricity is chosen for the optimization problem. As the set of objectives may not include all the factors influencing battery charging, the solution is an optimal solution to the battery charging problem.

With the electricity price varying throughout the day, month and year, reduction in cost can be achieved by planning the transfer of energy accordingly to the price.

Battery power loss and aging are factors related to the battery usage and performance, and including these factors in the optimization is important for improving the efficiency and limiting battery degradation. Since the battery system cost takes a large share of the total ferry cost, large savings can be made by prolonging the battery life.

As the demand of power is increasing more rapid than the demand of energy for the end user in Norway, new network tariff models are currently examined for this new use of electricity. To study the impact of new tariff models, a term penalizing high power outtake during times with undersupply of power in the grid is included as an minimization objective for the optimal charging.

A numerical and an analytical method for solving the optimal control problem for ferry- and shore battery charging are proposed. As the analytical method, based on Pontryagin's minimum principle, gives better results with regards to performance and computation time, this method is further used in the hybrid ferry system simulations.

A hybrid ferry using optimal charge planning is more profitable than a hybrid ferry using the current standard method of charging, where the target is to substitute the energy consumed during the last trip. Simulations shows that for the modelled hybrid ferry system, under the influence of a grid penalty cost, large savings can be made by optimally calculate the distribution between grid power and charging station power. Prediction of future energy consumption is seen to give the largest savings related to battery power loss and aging in the modelled system.

Including an electricity planning factor when calculating the transfer of electricity to the batteries has a potential of reducing the total annual system cost for one modelled hybrid ferry system by approximately NOK 210,000,- compared to the current charging method. Around 72% of this can be assigned to savings in battery aging cost and 20% to the reduction in electricity cost.

Adding an additional optimization routine on top of the proposed optimization on the energy planning can improve the hybrid ferry operation even more. By looking at the factors impacting the ferry on a longer term, and not just on the next crossing, can give more optimal scheduling of energy, and thus, improve system efficiency and savings. Future work, such as contribution to load leveling in the grid and ferry to grid storage capabilities, should further by studied as it may improve earnings for the ferry operator.

This thesis explores some of the potential of optimal charge planning in hybrid ferry systems. The proposed methods are likely to give savings for the ferry operator and profit for the system integrator. As a direct consequence of prolonging the battery life, the ferry system is also made more sustainable, which is an overall goal for all parts.