Optimal Location of Energy Replenishment Stations for Zero-Emission Vessels

Abstract

For å muliggjøre det grønne skiftet innen sjøtransport, så må nullutslippsenergibærere tas i bruk av industrien. En betydelig utfordring for noen av nullutslippsenergibærerne (f.eks. hydrogen) er energilagringskapasitet. For å gjøre nullutslippsenergibærere konkurransedyktige kan nye investeringer i energipåfyllingsinfrastruktur vise seg å være viktig. I denne masteroppgaven er målet å utvikle et beslutningsstøtteverktøy i form av en matematisk modell for å identifisere den optimale plasseringen for energipåfyllingsstasjoner for å betjene nullutslippsfartøy. Den maritime containertrafikken mellom Nord-Amerika og Vest-Europa brukes i en casestudie med flytende hydrogen som energibærer.

For å legge grunnlaget for utviklingen av den matematiske modellen er det gitt fokus til å presentere tilgjengelige og snart tilgjengelige nullutslippsenergibærere og deres egenskaper. Videre er konsepter relatert til energipåfyll fra offshore-infrastruktur og generelle nullutslippsmål innen den maritime industrien presentert.

Den matematiske modellen utvikles trinn for trinn med iterative modellutvidelser. Den starter med en enkel modell som ligner på en formulering for optimal lokalisering et annlegg (FLP)og ender opp med en endelig modell som løser problemet med lokalisering av transatlantiske energipåfyllingsstasjoner. Resultatene viser at flytende hydrogen-drevne fartøy vil kreve energipåfyllingsstasjoner og dessuten ekstra energilagringskapasitet enn det som kan forventes av et konvensjonelt fartøy av samme størrelse.

Energipåfyllingsstasjoner for nullutslippsfartøy representerer en av mange mulige muliggjørende løsninger for det grønne skiftet innen sjøtransport. Tempoet denne overgangen må gjøres i, understreker viktigheten av forskning som gjøres for å legge til rette for god beslutningsstøtte på området.

To enable the green shift within marine transportation zero-emission energy carriers need to be adopted by the industry. A considerable challenge for some of the zero-emission energy carriers (e.g hydrogen) is energy storage capacity. To make zero-emission energy carriers competitive new investments in energy replenishment infrastructure can prove important. In this master's thesis the aim is to develop a decision support tool in the form of a mathematical model to identify the optimal location for energy replenishment stations to serve zero-emission vessels. The maritime container traffic between North-America and West-Europe is used as a case study with liquid hydrogen as energy carrier.

Giving foundation to the development of the mathematical model efforts have been put into presenting the available and soon to be available zero-emission energy carriers and their properties, furthermore concepts regarding energy replenishment from offshore infrastructure and general zero-emission targets within the maritime industry are presented.

The mathematical model is develop step-by-step with iterative model expansions. Starting with a simple model similar to a facility location problem model and ending up with a final model which solve the transatlantic energy replenishment station location case. The results show that liquid hydrogen powered vessels will require energy replenishment stations, moreover they need additional energy storage capacity compared to a conventional vessel of the same size.

Energy replenishment stations for zero-emission vessels represents one of many possibly enabling solutions for the green shift within maritime transportation. The tempo in which this transition needs to be done highlights the importance of research done to facilitate for good decision support on the area.