Strategic Planning for Optimal Zero-Emission Passenger Vessel Services

Abstract

Viktige aktører, som International Maritime Organisation (IMO) og den norske regjeringen, understreker viktigheten av å konvertere de nåværende utslippsintensive hurtigbåt-sambandene til nullutslippslønsinger i nær fremtid for å overholde klimaforpliktelsene. Denne masteroppgaven bidrar med beslutningsstøtte til denne overgangen ved å undersøke om holistisk planlegging kan redusere de relaterte tekniske og økonomiske utfordringene. Et problem er definert for å fange opp beslutninger på strategisk, taktisk og operasjonelt nivå. Problemet strekker seg over en langsiktig planleggingshorisont over flere år, og hovedmålet er å opprettholde servicenivået for et sett med hurtigbåt-samband gjennom overgangen til nullutslipp, samtidig som passasjer- og operatørkostnader minimeres. De strategiske beslutningene omfatter å legge en optimal investeringsplan for infrastruktur, strømnett og fartøy i løpet av planleggingshorisonten, mens de taktiske beslutningene inkluderer å allokere fartøysflåten og infrastrukturer til rutene. De operasjonelle beslutningene omfatter hovedsakelig håndtering av energiproduksjon og -forbruk. Fokuset er i hovedsak på det strategiske og taktiske planleggingsnivået. Videre er det hydrogen og elektriske batterier som er vurdert som alternative nullutslipps-energibærere, inkludert den nye teknologien med batteribytte.

Ettersom omfanget av problemet innebærer mange gjensidige avhengigheter som gjør det svært komplekst å løse, blir det foreslått en løsningsmetode som fordeler problemet på to interagerende blandet heltalls- og lineær-programmerings-modeller. Disse modellene distribuerer den langsiktige planleggingshorisonten over en rekke tidssteg og dekomponerer problemet til et to-stegs stokastisk hovedproblem, som omfatter de strategiske og taktiske beslutningene, og et underproblem som løser de operasjonelle beslutningene og returnerer dem som inndata til hovedproblemet. For å gjennomføre analyser av problemet, blir modellene implementert og løst for data fra eksisterende hurtigbåt-samband i Nordland fylkeskommune (Norge). Analysene evaluerer hvordan de alternative nullutslipps-energibærerne presterer i overgangen, og spesielt hvordan de presterer sammenlignet med dagens betjening av sambandene. En hovedobservasjon er at batteri-elektriske hurtigbåter foretrekkes i overgangen, men at rekkeviddebegrensninger gjør at de ikke er anvendbare for et betydelig antall av sambandene. Hydrogenfartøy utfyller rekkeviddebegrensningene ved batteri-elektriske fartøy, men resultatene viser at de er betydelig dyrere å drive på grunn av (muligens pessimistiske) sikkerhetstiltak. Når seilingshastigheten for hver rute optimaliseres, reduseres ulempene ved nullutslipps-energibærerne noe. Generelt sett er imidlertid rensekostnadene langt høyere enn hva den norske regjeringens foreslåtte CO2-avgift antyder, selv om det er store variasjoner mellom rutene, der noen ruter er svært kostbare å konvertere og noen er lønnsomme å konvertere. Til slutt viser en analyse av regjeringens forslag om at alle nye anbud for hurtigbåt-samband skal ha nullutslippsløsninger, fører til en betydelig økning i totale kostnader sammenlignet med en mer gradvis overgang. Derfor må forslaget vurderes nøye. Kommende teknologi for nullutslipps-hurtigbåter virker imidlertid lovende med tanke på begrensningene som er funnet i denne avhandlingen, og det bør således undersøkes videre hvordan disse påvirker overgangen.

Important actors, such as the International Maritime Organisation (IMO) and the Norwegian government, stress the urgency of transitioning the current emission-intensive High-Speed Passenger Vessel (HSV) services to being emission-free in the near future to comply with climate obligations. This thesis contributes with decision support to this transition by investigating whether holistic planning can alleviate some of the related technical and economic challenges. A problem is defined to capture several decisions on strategic, tactical, and operational planning levels. The problem spans a long-term planning horizon of several years and its main objective is to maintain the service level of a set of routes throughout the Zero-Emission (ZE) transition while minimizing passenger and operator costs. The strategic decisions comprise deciding the optimal roadmap for infrastructure, grid, and vessel investments along the planning horizon, while the tactical decisions include allocating the vessel fleet and infrastructures to routes. The operational decisions mainly comprise energy production and consumption management. The emphasis is on the strategic and tactical planning levels. Furthermore, the thesis considers the candidate ZE energy carriers hydrogen and electric batteries, including the novel technology of battery swap.

Since the scope of the problem entails many interdependencies making it highly complex to solve, the proposed solution approach in the thesis is to distribute the problem over two interacting Mixed Integer Linear Programming models. These models effectively periodize the long-term planning horizon and decompose the problem into a two-stage stochastic Master Problem, comprising the strategic and tactical decisions, and a Sub-Problem, solving the operational decisions and returning them as input to the Master Problem. To conduct analyses of the problem, the models are solved with data from existing HSV services in Nordland County (Norway). The analyses evaluate how the alternative ZE energy carriers perform in the transition, and in particular, how they compare to the current services. A main observation is that battery-electric services are preferred in the transition but are not feasible for a substantial number of the routes due to range limitations. Hydrogen vessels complement battery-electric vessels well in terms of range limitations. However, the results show that they are significantly more expensive to operate due to (possibly pessimistic) safety regulations. When the sailing speed for each route is optimized, the drawbacks of the ZE energy carriers are somewhat reduced. Generally, however, the abatement costs are far higher than the government's suggested CO2-tax implies, albeit there are large variations across routes, where some routes are remarkably costly to convert and some are even profitable to convert. Lastly, an analysis of the government's proposed regulation of all new HSV service tenders to be ZE shows a significant increase in total costs compared to a more gradual transition. Hence, the proposal needs to be considered wisely. Emerging technology for ZE HSV is however promising with regard to the limitations found in this thesis and should be researched further.