Sustainable marine power system design with alternative fuels; A case study of energy efficiency and cost optimization

Abstract

Elektrifisering av skip viser til en ettertraktet besparelse av kostnader og utslipp, og kan oppnås med blant annet ombygging av konvensjonelle skip. En slik elektrifisering gjør design av skip mer liberalt og mer lettvint for implementing av nye og oppfinnsomme utslippsreduksjonsteknologier, for eksempel implementering av nye lavkarbondrivstoff og batterier. Denne oppgaven skisserer motivasjonen og bakgrunnskunnskapen for å implementere en hybrid elektrisk kraftstruktur i et fartøy, og dekker en gjennomgang av systemtopologier, kontroll av et sammensatt elektrisk system og dets kraftkilder, og en konstruert kontrollstrategi som baser seg på en optimaliserings metode implementert i et energi-administrerende-system (EMS).

En studie på et stort kontainerfartøy undersøker mulighetene for å bytte fra en konvensjonell kraftstruktur til et mer liberalt elektrisk system, hvor fire energikilder, MDO, LNG, Ammoniakk og batteri, og deres energikonverteringsenheter er brukt. Ved å sammenligne resultatene av vekt, volum, kostnader og utslipp, kan introduksjon av et nytt oppsett være kostbart, men gi fordelaktige reduksjoner avhengig av kombinasjonen av de forskjellige kraftkildene. Resultatene konkluderer med at et bedre design og fartøyutnyttelse er mulig ved å bruke de nye lav- til null utslipps fri energi bærerne; LNG, ammoniakk og batteri.

Hovedbidraget til oppgaven er imidlertid en konstruert optimaliserings-algoritme som er innstilt for alternativt drivstoff og batteri, hvor en elektrisk struktur som benytter DF motorer som går på LNG og batterier er undersøkt. En hierarkisk optimalisering-algoritme er implementert ved å bruke en MILP integrert EMS. Algoritmen dekker DF-motorenes forbrukskurver og en veldefinert batterispredningsmodell som er basert på polariserings-spenningen til batterier. Arbeidet beregner det totale energiforbruket i en tur/retur rute for et LNG tankskip. Resultatene konkluderer med at den generelle effektiviteten til tankskipet allerede er godt optimalisert, noe som er et motstridende svar på hva som er angitt i litteraturen om elektrifisering og optimalisering av slike systemer. Den MILP-baserte EMS bruker mer drivstoff enn det originale oppsettet av skipet, men opererer kraftenhetene mer stabilt.

Avslutningsvis viser denne oppgaven at design av kraftenheter, elektrifisering og kontrolloptimalisering gir lovende men ikke bedre resultater enn et moderne konvensjonelt skip når det gjelder utslipp og kostnadsreduksjon. Videre viser undersøkelsen at energikilder må være utslippsfrie for at skipsindustrien skal kutte utslippene, og at kun forbedringer av eksisterende systemer har en marginal innvirkning på de globale bærekraftsmålene. Noe som underbygger den fjerde IMO GHG-studien fra 2020 – at det vil være utfordrende å nå 2050-målet utelukkende gjennom energisparende teknologier og fartsreduksjon av skip.

The many publications on improved energy usage through electrification manifest the sought-out savings on costs and emissions when converting conventional shipping vessels. The modifications enable new designs and layouts of constructing ships with new and inventive emission reduction technologies, such as implementing new low-carbon energy carriers and digital control strategies. The thesis outlines the motivation and background knowledge of implementing a hybrid electric power structure in a vessel, covering a review of system topology, control, power sources, and a constructed optimization-based control strategy for an Energy Management System (EMS).

A study on a large container vessel displays the possibilities of switching from a conventional power structure, where four energy sources, Marine Diesel Oil (MDO), Liquid Natural Gas (LNG), Ammonia, and battery, and their energy conversion units are investigated. Comparing the results of weight, volume, cost, and emissions, introducing a new setup may be costly but yields beneficial reductions depending on the combination of sources. The results conclude that better vessel utilization is possible using the emerging low- to zero-emission energy sources; LNG, Ammonia, and battery.

However, the main contribution to the thesis is a constructed optimization algorithm tuned for alternative fuel and battery, where Duel Fuel engines using LNG and batteries are applied. A hierarchical optimization scheme is implemented using Mixed-Integer Linear Programming (MILP) integrated EMS. The scheme covers the DF engines' consumption curves and a well-defined battery dissipation model. The work calculates the overall power usage in an LG tanker round trip. It concludes that the overall efficiency of the tanker is already well optimized, which is a contradicting answer to the beliefs of electrification and optimization of such systems stated in the literature. The MILP-based EMS with a hybrid-electric configuration uses more fuel than the conventional system but operates the power units more stable.

The concluding remarks of this thesis reveal that the design of power units, electrification, and control optimization achieves promising results in terms of emission and cost reduction. Further, the research shows that energy sources need to be emission-low to -free and that reducing emissions only through improvements to existing systems has a marginal impact on reaching global sustainability goals. This finding underpins the fourth International Maritime Organization GHG study of 2020 - that it will be challenging to achieve the 2050 goal solely through energy-saving technologies and speed reduction of ships.