Decision Support for The Optimal Placement of Battery Swapping Stations for High Speed Passenger Vessels

Abstract

Både de maritime næringene og offentlig transportsektor sikter seg inn på en fremtid med lavere og til slutt null utslipp fra deres operasjoner. Med hurtigbåter som en av de største bidragsyterene til klimagassutslipp fra offentlig transport, har fylkene som er ansvarlig for disse tjenestene begynt å se på muligheten for å kreve null utslipp fra fartøyene i de kommende anbudsprosessene. Flere av fylkene har gått sammen og finansiert et konseptutviklingsprosjekt, og det finnes flere støtteordninger satt opp for stimulere til utvikling av nullutslippsteknologi.

Basert på behovet for innovative nullutslippsløsninger fokuserer denne oppgaven på batteridrevne hurtigbåter med modulære batterier med mulighet for å bytte batterimodulene raskt, i havn. Denne masteroppgaven har som mål å utvikle en optimeringsmodell for beslutningsstøtte til plassering av batteribyttestasjoner og antall batterimoduler som suppleres til et skip i en hver havn en slik stasjon blir etablert.

Literaturstudiet er gjort i to deler, hvor den første delen tar for seg teknologirelatert literatur. Dette inkluderer batteriteknologi spesifikt for marine applikasjoner samt batteribytteteknologi og et overblikk over hurtigbåtkonsepter designet spesielt med tanke på nulltuslipps fremdriftssystemer. Den andre delen av literaturstudiet gir en introduksjon til skipsdesignteori samt en gjennomgang av planlegging og typer operasjoner innenfor maritim transport.

For å demonstrere anvendeligheten til modellen utføres en case-studie basert på hurtigbåtrutene i Oslofjorden. Data-input til modellen er basert på de eksisterende fartøyene som opererer disse rutene i dag. Resultatene fra case-studien viser at det er mulig å etablere et slikt batteribyttesystem på alle de eksisterende rutene i Oslofjorden. Resultatene avslører også viktigheten av å fokusere på energieffektivitet i design av fartøy for et slikt system.

Case-studien bekrefter at modellen virker som planlagt og leverer realsitiske resultat for plassering av batteribyttestasjoner gitt inputen til modellen.

The maritime industry and the public transportation sector are both taking steps towards a zero emission future. With high speed passenger vessels being one of the worst emitters of climate gases within the public transportation segment, the counties responsible for these services are considering requiring zero emissions in the coming tender processes. Several of the counties have come together to fund a concept development project, and there are several schemes one can apply for, that incentivize the development of zero emission technology and concepts.

Based on the need for innovative zero emission solutions, this thesis focus on battery electric propelled vessels with the possibility of swapping battery modules quickly in port. The thesis aims to develop an optimization model for decision support on the placement of the battery swapping stations, and on deciding how many battery modules a vessel will need at each stop where such a station is established on a given route.

The literature review is conducted in two parts, where the first part presents an overview of technology-related literature. The review includes battery technology specific for marine applications as well as battery swapping technology. An overview of high speed passenger vessel concepts designed specifically for zero emission propulsion is also given. The second part of the literature review introduces ship design theory and a review on decision support in the maritime domain.

To demonstrate the model's applicability, a case study based on the high speed passenger services in the Oslofjord is performed. For the case, the data input to the model is based on the existing vessels operating in the Oslofjord. The results show that it is possible to establish a battery swapping system for all of the current services. It also reveals the importance of focusing on energy efficiency in designing vessels for such a system.