Data-driven battery modeling of hybrid power systems for offshore vessels

Abstract

Maritim næring øker stadig fokuset på effektive og miljøvennlige tiltak, og befinner seg nå i et grønt skifte. Dette bidrar til at det stadig kommer nye løsninger for å redusere drivstofforbruk og utslipp. Batteridrevne hybride fartøy er ett av dem, og er allerede kommet seg inn i flåten blant verdens offshore-skip. Denne masteroppgaven tar sikte på å søke etter løsninger for å forutse degraderingen av batterier ettersom batterier blir installert i fartøy oftere og oftere. Gjennom litteraturstudiene og diskusjoner med spesialister innen batteriinstallasjonsbransjen har mye kunnskap og forståelse av dette emnet blitt tillært. Hovedårsaken til at fartøyer installerer batterier, er for å redusere drivstofforbruket. Det er hovedparameteren for tilbakebetaling i forretningsmodellen for ettermontering, sammen med vedlikehold. Den tidkrevende og manuelle måten å holde oversikt over helsetilstanden til batteriene på, resulterte i å lage en batteridegraderingsmodell som skal bringe nyttig kunnskap inn i planleggingsfasen av ettermontering på hybride systemer. En modell ble bygget basert på ekte batteridata levert av et operativt hybrid fartøy og en Simscape batteri-aldringsmodell. Hovedårsaken til at fartøyer installerer batterier, er å redusere drivstofforbruket. Det er hovedparameteren for tilbakebetaling i forretningsmodellen for ettermontering, sammen med vedlikehold. Med drivstoff- og batteridata tilgjengelig, ga en studie om batteriets bidrag noen fascinerende funn, både forventede og uventede. Sammenligning av drivstofforbruk før og etter batteriinstallasjon på fartøyet, både det totale forbruket og for hver aktivitetsmodus, ga et klart bilde på at besparelsene er synlige, men ikke så store som batteriinstallatørene ofte annonserer. Studien av drivstofforbruk tok en ny vending og fremhevet sammenligningen mellom mannskap ombord same de menneskelige faktorene som påvirker drivstofforbruket. Resultatet er tydelig på at menneskelige faktorer har stor betydning på drivstofforbruket. Til slutt ble batteri- og generatordataene studert for å finne bruken av batteriet i de forskjellige aktivitetsmodusene. Under en DP-operasjon var det tydelig tegn på at batteriet ble benyttet for å supplere med momentan effekt til fremdriftssystemet. Dette styrker funnene på besparelsene av drivstoff i DP-aktivitetsmodus. Da skipet var koblet til landstrøm, ble alle generatorene slått av, noe som er en betydelig bidragsyter til drivstoffbesparelsene når skipet ligger til kai. Et annet funn som var litt underlig, fremhevet at batteriene ikke lades opp når skipet er koblet til landstrøm. Dette skyldes sannsynligvis begrenset effekt i landstrømsannlegget, som kan vise til maksimal effekt på 675 kW. Det skal nevnes at den gjennomsnittlige effekten registrert i fartøyets energiledelsessystem er på 450 kW. Det indikerer et potensial for å utnytte landstrømforbindelsen bedre, og at det kan spares enda mer drivstoff og redusere utslippene ytterligere. Batterimodellen i denne oppgaven klarte å estimere og forutsi kapasitet og batterihelse for forskjellige batteristyringsstrategier og batteristørrelser. Resultatene med batterikarakteristikker nær det virkelige fartøyet samsvarer med virkeligheten, noe som er et godt bevis for at resultatene stemmer.

The maritime industry is increasing its focus regarding efficient and environmentally friendly initiatives and is finding itself in a green shift. This results in the occurrence of solutions to reduce fuel consumption and emissions. Battery hybrid power systems are one of them and are already made their way into the fleet among offshore vessels. This master thesis aims to seek solutions for monitoring battery degradation as batteries are installed in vessels more and more frequently. Throughout the literature studies and discussions with people in the battery installations business, a fair amount of knowledge and understanding of this subject has been obtained. The main reason for vessels to install batteries is to reduce fuel consumption. It is the main parameter for the payback in the business model of retrofitting, together with maintenance. The time-consuming and manual way to keep track of the state of health (SOH) of the batteries resulted in making a battery degradation model that could bring useful knowledge into the equation when shipowners consider retrofitting a vessel. A model was built based on real vessel battery data provided by an operating vessel and a Simscape battery aging model. With the available battery and fuel data, a study regarding the battery's contribution gave some fascinating findings, both expected and unexpected. The study included comparing fuel consumption before and after battery installation on the battery hybrid offshore vessel. The overall consumption was studied, but also for each activity mode. The result provided a clear picture of the savings, but unfortunately, not as great as the battery installers often advertise. Continuing the study of fuel consumption, a comparison between crews highlighted the human impact of fuel consumption, which is, in fact, very real. Lastly, the battery and generator data were studied to find the utilization of the battery in operation. The utilization of immediate battery power was found in the dynamic positioning (DP) operation, strengthening the findings of saved fuel in the DP activity mode. While connected to shore power, all gensets were shut off, which is a significant contributor to the fuel savings in the port activity mode. Another finding which was a bit strange highlighted that the batteries are not charged during the shore power connection. This is probably due to limited power in the shore power plant, reaching a maximum of 675 kW. Nevertheless, the average shore power registered in the vessel's energy management system is 450 kW. That indicates some potential for utilizing the shore power connection better, and savings can be made. The battery model provided in this thesis managed to estimate and predict the capacity and SOH for different battery management strategies and battery sizes. The results with battery characteristics close to the real vessel matched with reality, which is good evidence that the results are trustworthy.