Feasibility of a green corridor serviced by a battery-powered cargo ship

Abstract

Internasjonal skipsfart er hovedbidragsyteren til transporterte varer, og står for transport av mer enn 80\% av de transporterte varene. Den internasjonale sjøfartsorganisasjonen (IMO) har satt en strategi for klimagassutslipp (Green house gas, GHG) for å nå netto null i GHG-utslipp innen 2050. NTNU har utviklet en beregningsmodell, MariTEAM-modellen, som kan estimere skip fra verdensflåten sitt energiforbruk. Denne avhandlingen vil bruke MariTEAM-modellen ved å utvikle en kode for å estimere den nødvendige batterikapasiteten for et batteridrevet lasteskip.

MariTEAM-modellen er designet for å vurdere energiforbruket for historiske AIS og vær-data. For denne avhandlingen er det utviklet en Python-kode som genererer inndata for å simulere den ønskede ruten og simulere været for å få en sannsynlighetsfordeling av nødvendig batterikapasitet. Dataene fra simuleringene er blitt behandlet og analysert for å undersøke batterikapasitetene som er nødvendige for forskjellige gitte effekter og ulike operative hastigheter.

Det ble gjennomført tre casestudier. To studier anslår batterikapasiteter for forskjellige operative hastigheter, mens det tredje studiet estimerer rekkevidden for casesskipet for forskjellige værforhold og batterivekter basert på en prosentandel av dødvekttonnasje (dead weight tonnage, dwt) på to ruter av forskjellig lengde. Videre diskuteres optimale operative hastigheter for batteridrevne lasteskip av denne størrelsen. Til slutt diskuteres det hvordan man må balansere operativ hastighet, sannsynlighet for å nå destinasjonen, rutelengde og batterivekt for å finne den beste løsningen for batteridrevne skip.

Avhandlingen konkluderer med at batteridrevne lasteskip er gjennomførbare, men det må utføres ytterligere studier for å optimalisere hastighet og batterivekt, det må utføres kostnadsanalyser og livssyklusanalyse av batterier for å kunne identifisere optimale distanser for batteridrevne skip.

International shipping is the main contributor of transported goods, transporting more than 80\% of the transported goods. The International Maritime Organisation (IMO) has set a greenhouse gas (GHG) strategy to reach net zero in GHG emissions by 2050. NTNU has developed a computational mode, the MariTEAM model, that can estimate a ship from the world fleet's power consumption. This thesis will utilize the MariTEAM model by developing a code to estimate the needed battery capacity for a battery-powered cargo ship.

The MariTEAM model is designed to assess the power consumption for historical AIS and hindcast data. For this thesis, a Python code has been developed that fabricates the input data to simulate the desired route and simulate weather to get a probability distribution of needed battery capacity. The data obtained from the simulations has been processed and analyzed to investigate the battery capacities needed for different set power outputs and different operational speeds.

There were three case studies. Two cases estimate battery capacities for different operational speeds while the third case estimates the case ship range for different weather conditions and battery weights based on a percentage of dead weight tonnage (dwt) on two routes of different lengths. Furthermore, there are discussions on the optimal operational speeds for battery-powered cargo ships of this size. There are also discussions on balancing operational speed, probability of reaching destination, route length, and battery weight to find the best solution for battery-powered ships.

The thesis concludes that battery-powered cargo ships are feasible, however, there must be further studies optimizing speed and battery weight, and there must also be carried out a cost analysis and life cycle analysis of batteries to identify the optimal distances for battery-powered ships.