Using Energy Storage Systems to Provide Grid Support for Ferry Charging

Abstract

Den norske staten har som mål å få en fossilfri kollektivtrafikk innen 2025, dette inkluderer fergeflåten. For mange fergestrekk vil elektrifisering være den beste løsningen. For å kunne gjen- nomføre dette må distribusjonsnettet i området kunne levere høy nok effekt til å lade de kommende fergene. Mange kaier har i dag ikke nok tilgjengelig effekt til dette formålet. En mulig løsning på dette problemet er å installere batteribaserte energilagringssystemer (BESS) som støtter opp distribusjonsnettet under fergeladning. Denne oppgaven fokuserer på Beyonders LIC teknologi og vil undersøke om den passer inn i fergeladningsemarkedet.

To case-studier er utført for å se hvordan en Litium-Ion Kondensator (LIC) sammenligner seg med den mest brukte batteriteknologien, Litium-Ion Batteri (LIB). Case-studie 2 sammenligner også en nettoppgradering med BESS-løsningene. LIC har høy effekttetthet, men begrenset energitetthet, mens LIB har høy energitetthet og begrenset effekttetthet. I applikasjoner som krever høy effekt, slik som fergelading, vil LIB i stor grad måtte overdimensjoneres for å levere ønsket effekt, mens LIC ikke vil ha dette problemet. En måte å utnytte styrkene til begge teknologiene på er å kombinere dem i et hybrid energilagringssystem (HESS).

Etter gjennomføring av casestudiene, gjøres en mer generell analyse av de tekniske, økonomiske og miljømessige aspektene. Resultatene fra den tekniske analysen viste at mange kaier krever høyere effekt enn det som er tilgjengelig. Å inkludere et BESS kan imidlertid minimere den nødvendige nettoppgraderingen og redusere de totale kostnadene. Hvor lenge fergen lader vil påvirke om LIC eller LIB er den beste løsningen. Når ladetiden er under 6 minutter, vil LIC ha et mindre overflateareal enn LIB. Selv om LIC er dyrere per energienhet, var prisen per effektenhet lavere for LIC enn LIB. Dersom fergen lades i 5 minutter, er prisen på Beyonders LIC beregnet til 151 USD/kW, mens prisen på det valgte LIB er 496 USD/kW.

I den økonomiske analysen er en del av hovedfunnene at det ikke er noen sammenheng mellom prisen på en nettoppgradering og manglende effekt. Hvert tilfelle vil være unikt på grunn av varierende infrastruktur ved fergekaiene. Å bruke høyere effekt har en ekstra kostnad knyttet til seg, og å inkludere et BESS er en god måte å redusere denne kostnaden på, samtidig som belastningen på nettet reduseres. Miljøanalysen viser at LIC har lavere utslipp enn LIB. I Casestudie 1 har produksjon av LIB et 6,3 ganger høyere CO2 utslipp enn produksjon av LIC. Ettersom LIC lagrer mindre energi enn LIB i høyeffektapplikasjoner, vil LIC være det mest miljøvennlige alternativet når man beregner utslipp fra kWh.

Avslutningsvis ser Beyonders LIC ut til å passe godt inn i markedet for fergeladning, ut ifra analysene gjort i denne oppgaven. LIC vil særlig egne seg for bruk i fergeladning under disse omstendighetene: høyt effektbehov, kort ladetid og begrenset tilgjengelig effekt i nettet. LIB vil fortsatt være en tøff konkurrent i dette markedet, ettersom teknologien er mer etablert, og markedet kan være skeptisk til nye teknologier.

The Norwegian government aims to make all public transport fossil-free by 2025, including the Norwegian ferry fleet. For many ferry routes, electrification will be the best solution. In order to realize this electrification, the distribution grid connected to the quays must be able to deliver enough power to charge the ferries, which is not always the case today. In many cases, it would be possible to use a Battery Energy Storage System (BESS) to assist the grid when charging the ferries. This thesis focuses on Beyonder’s Lithium-Ion Capacitor (LIC) technology and investigates if it could be a good fit in the ferry charging market.

Two case studies have been conducted to see how LIC compares to the most commonly used battery technology, Lithium-Ion Battery (LIB). Case study 2 also compares a grid upgrade to the BESS solutions. LIC has a high power density but limited energy density, while LIB has a high energy density and limited power density. Combining both technologies into a Hybrid Energy Storage System (HESS) is a way to incorporate both technologies’ strengths.

After conducting the case studies, a more general analysis of the technical-, economic- and environmental aspects is done. The results from the technical analysis found that many quays require higher grid power than what is available. However, integrating a BESS can minimize the grid upgrade and reduce overall cost. How long the ferry charges will affect whether LIC or LIB is the better solution. LIC was found to have a smaller surface area than LIB when the charging time is 6 minutes or less. Even though LIC is more expensive per energy unit, the results per power unit were the opposite. If the ferry is charged for 5 minutes, the price of Beyonder’s LIC was calculated to be 151 USD/kW, while the price of the chosen LIB was calculated to be 496 USD/kW.

In the economic analysis, part of the main findings is that there is no correlation between the price of the upgrade and the power the grid capacity is upgraded to. Each case will be unique due to the different infrastructure at each location. Using higher power has an added cost, and including a BESS is a great way to reduce this cost and reduce the strain on the grid, no matter the application. The environmental analysis shows that LIC has lower emissions than LIB. In case study 1, the LIB production emits 6.3 times more CO2 than the LIC production. LIC will store less energy than LIB in high-power applications. As a result, LIC is the most environmental-friendly alternative when calculating emissions per kWh.

Finally, based on the analysis conducted in this thesis, Beyonder’s LIC seems to be a good fit in the market for ferry charging under the right circumstances, such as; high power requirement, short charging time, and limited available grid power. LIBs will still be a tough competitor in this market, as the technology is more established, and the market may be skeptical of new technologies.