| dc.description.abstract | Den maritime industrien er blitt oppfordret til å redusere klimagassutslippene betydelig, med et mål om en reduksjon på 50% innen 2050 sammenliknet med 2008-nivåene. Dette har oppmuntret til utvikling av nye lav- og nullutslippsteknologier og optimerings- og reguleringsalgoritmer innen marine hybrid-elektriske kraftsystemer. Høyhastighets passasjerferger, også kalt hurtigbåter, er den fartøytypen som har størst energiforbruk og utslipp per passasjerdistanse sammenliknet med personbiler og fly. Basert på behovet for reduserte utslipp, undersøkes mulighetene for å realisere lav- og nullutslippsløsninger for høyhastighets passasjerferger.
Denne rapporten presenterer en oversikt over lav- og nullutslippsteknologier. Her er ammoniakkmotorer, protonledende mebran (PEM) brenselceller og batterier studert i detalj. Dette involverer kraftprodusentenes og energilagringsenhetenes designspesifikasjoner, inkludert dimensjoner, kapasitet og operasjonelle begrensninger. På grunn av at teknologien rundt amoniakkmotorer er umoden, blir ikke dette arbeidet med videre i oppgaven.
Når det gjelder diesel- og hybrid-elektriske kraftkonfigurasjoner kan drivstoffreduksjon oppnås ved optimal lastdeling. I denne oppgaven er modeller av dieselmotorer, PEM-brenselceller og batterier definert på høynivå. Modellene er forenklet og tar kun hensyn til effekt. De etablerte modellene kan implementeres i algoritmer for energioptimering. De foreslåtte optimeringsproblemene som brukes i denne oppgaven er: lineær optimering med objektivfunksjon som minimerer spesifikt drivstofforbruk og ulineær optimering med mål om å minimere drivstofforbruk. Problemene er definert for både momentan optimering og optimering over en tidshorisont.
En casestudie er gjennomført med grunnlag i høyhastighetspassasjerfergen Trondheimsfjord I. Med kunnskap om motorkonfigurasjonen og rutetabellen, etableres en syntetisk lastprofil. Fra estimert kraftbehov defineres alternative kraftsystemer. Kraftsystemalternativene som blir vurdert er diesel-elektrisk, batteri-elektrisk, hybrid-elektrisk og nullutslipps hybrid-elektrisk. Ytelsesindikatorer blir definert med hensyn på evaluering og analyse av drivstofforbruk, vekt og volum. Dimensjoneringsstudiet for batteri-elektrisk kraftsystem ga en stor vekt- og volumøkning sammenliknet med det konvensjonelle kraftsystemet. I den ulineære optimeringen over en tidshorisont, viste det hybrid-elektriske kraftsystemet lovende resultater. Blant kraftsystemene som involverte en dieselmotor hadde den best ytelse med hensyn på drivstofforbruk. Det hybrid-elektriske kraftsystemet for nullutslipp viste også gode resultater med tanke på vekt, men den lave energitettheten til hydrogen medfører en stor utfordring når det gjelder tankvolum for drivstoff. | |
| dc.description.abstract | The maritime industry has been encouraged to significantly reduce its greenhouse gas emissions, aiming for a 50% emission reduction by 2050 compared to 2008 levels. This motivates exploring novel low- and zero-emission technologies and the fields of optimization and control of hybrid-electric marine power systems. One critical vessel type is the high-speed passenger ferries, which have the largest energy consumption and emissions per passenger distance compared to passenger cars and airplanes. Based on the need for reduced emissions, the feasibility of obtaining low- and zero-emission solutions for high-speed passenger ferries is explored.
This thesis presents a state-of-the-art overview of emerging low- and zero-emission technologies. It provides an in-depth study of ammonia engines, proton exchange membrane (PEM) fuel cells, and batteries. This involves the design specifications of these power sources and energy storage devices, including dimensions, capacities, and operational constraints. However, due to the immature technical development of ammonia engines, they are not considered further in the thesis.
Concerning diesel- and hybrid-electric power configurations, fuel reductions can be obtained through optimal loadsharing. In this thesis, high-level models of diesel engines, PEM fuel cells, and batteries are defined. The models are simplified, only concerning power transmission, and are established for implementation in energy optimization algorithms. The proposed energy optimization problems utilized in this thesis are: linear optimization with the objective of minimizing specific fuel consumption, and nonlinear optimization with the objective of minimizing fuel consumption. The problems are defined for both instantaneous optimization and optimization over a horizon.
A case study is conducted where the high-speed passenger ferry Trondheimsfjord I is used as a baseline. With knowledge of the engine configuration and route table, a synthetic load profile is established. From the estimated load demand, the alternative power configurations are defined. The alternatives evaluated are diesel-electric, battery-electric, hybrid-electric, and zero-emission hybrid-electric power plants. Key performance indicators are defined for performance evaluation and analysis concerning fuel consumption, weight, and volume. The battery-electric dimensioning problem yielded a large weight and volume increase. The hybrid-electric power system showed promising results from nonlinear optimization over a horizon with the objective to minimize the fuel consumption, yielding the best performance among the power systems involving a diesel engine. The zero-emission hybrid-electric power system also showed good results regarding weight, but the low energy density is a major drawback concerning fuel tank volume. | |
