Network Design for Zero Emission Passenger Vessel Services

Abstract

Denne masteroppgaven studerer mulighetene for å erstatte konvensjonelle hurtigbåter med batteri-elektriske hurtigbåter. På et generelt nivå, undersøker vi hvorvidt tekniske og økonomiske utfordringer kan omgås ved god planlegging av transporttilbudet. Vi innfører en ny blandet heltallsmodell med mål om å minimere summen av operatørens og passasjerenes kostnader knyttet til et batteri-elektrisk hurtigbåttilbud. I modellen tas både strategiske, taktiske og operasjonelle beslutninger. De strategiske beslutningene omfatter båttype, flåtestørrelse og plassering av elektrisk ladeinfrastruktur på land. De taktiske beslutningene består av rute- og frekvensvalg, mens seilingshastighet samt lade- og ventetider er eksempler på operasjonelle avgjørelser. Problemformuleringen er for kompleks til å løses eksakt med kommersiell programvare, og vi presenterer derfor en heuristisk løsningsmetode basert på en dekomponering av problemet. Dekomponeringen skjer ved å fiksere de strategiske beslutningene i den blandete heltallsmodellen, for deretter å individuelt løse de uavhengige subsystemene som oppstår. Vi implementerer og løser heuristikken både for batteri-elektriske og konvensjonelle hurtigbåter, ved hjelp av data innhentet fra et reelt hurtigbåtsamband i Florø, Norge. Vi løser problemet både for konvensjonelle hurtigbåter og nullutslippsbåter for å kunne estimere kostanden ved en overgang til nullutslippsløsninger, samt for å undersøke hvordan (dersom) løsningen forandrer seg. I tillegg til å løse problemet for alle havnene i Florøområdet, lager vi også to instanser med færre havner, hvor disse selektert på bakgrunn av henholdsvis høy etterspørsel og korte reiseavstander til Florø. Resultatene viser at nullutslippsløsningene totalt sett er dyrere i alle instanser. Overgangskostnaden (abatement cost) var derimot lavere i instansen med kortere reiseavstander til Florø enn i de to andre instansene, noe som indikerer at en overgang til nullutslippsbåter er dyrere for hurtigbåtsamband som dekker større geografiske områder. Et annet viktig resultat er en generell divergens mellom de taktiske beslutningene tatt i nullutslippsløsningene og i de konvensjonelle løsningene. Konvensjonelle hurtigbåter kan fullføre lengre ruter innenfor en gitt tidsperiode, mens nullutslippsbåter egner seg bedre til kortere ruter, da de må lades hyppig. Resultatene viser også at etterspørselsmønsteret har stor innvirkning på rutestruktur og frekvensvalg. Fra en beslutningstakers synsvinkel, bidrar denne masteroppgaven til å belyse verdien av å replanlegge eksisterende hurtibåtssamband for å ta hensyn til tekniske og økonomiske begrensninger tilknyttet overgangen til nullutslipp. Spesielt, ser vi at en videreføring av gode ruter og frekvenser for konvensjonelle hurtigbåter, ikke bare er dyrt for nullutslippsbåter, men i mange tilfeller ikke gjennomførbart. En generell betraktning er likevel at fremtiden er lovende for hurtigbåtssamband basert på nullutslippsteknologi, når nevnte tekniske og økonomiske begrensinger hensyntas.

This thesis studies the possibility of replacing conventional High-Speed Passenger Vessels (HSVs) with battery-electric HSVs. On a general level, we investigate if technical and economic challenges may be alleviated by appropriate planning of services. We propose a novel Mixed-Integer Programming (MIP) model that considers both operator and passenger costs for a battery-electric HSV service, in which strategic, tactical, and operational decisions are determined. The strategic decisions comprise the vessel type and fleet size, along with locations for charging infrastructure. Tactical decisions include route choices and their associated service frequencies, whereas speed choices along different sailing legs, charging and waiting times are examples of operational decisions. The problem is too complex to be solved to optimality for realistic instances in a commercial solver, and we thus propose a heuristic Decomposition Based solution method. This heuristic is based on fixing the strategic decisions in the MIP and individually solving the subsystems that become independent due to the fixation. We implement and solve the decomposed version of the MIP heuristically for both a battery-electric and conventional vessel service, using data from an existing service in Norway. We solve for both energy carriers to estimate the abatement costs of transitioning to a Zero-Emission (ZE) service, and observe how (if) route choices are affected by this shift. In addition to solving for all the ports in the studied area, we also create high-demand and short-distanced instances to observe the effects on the solution. The results show that the ZE systems have higher total costs than the conventional in all the test instances. The abatement costs in the short distanced instance were lower than the two others, however, indicating that transferring to ZE operations is more costly for services covering large geographical areas. Another important result is a general divergence in tactical decisions between conventional and ZE solutions. The conventional vessels manage to complete longer routes within the given time period, while the ZE vessels are better suited for shorter routes due to their needs for frequent charging. The results also show that demand patterns have great influence on the route structures and frequency choices. From a managerial point of view, our thesis demonstrates the value of replanning existing services to account for technological and economic limitations induced by the transition. In particular, we find that continuing the operation of routes and frequencies optimal for conventional vessels, is not only costly, but in many cases not possible for ZE operations. A general remark, however, is that the future is promising for ZE transportation systems where said limitations are taken into account.