Electrification of Ferries Utilizing Battery Technology

Abstract

Hovedbidraget til denne avhandlingen er å evaluere flytbatteriteknologier for bruk i elektrifisering av ferjer. Norge har som mål at alle ferjer skal være nullutslippsfartøy for å redusere klimagassutslipp i transportsektoren, og dette er en del av strategien for å oppfylle Parisavtalens mål om å begrense global oppvarming til 2 $^{\circ}$C. I avhandlingen undersøkes om flytbatterier kan bidra til at Norge når dette målet. Avhandlingen ser nærmere på om dagens mest undersøkte flytbatterityper, Vanadium Redox flytbatteri (VRFB) og Sink-Brom flytbatteri (ZBFB), kan brukes i stedet for litium-ion-batteri (LIB) som primær energikilde på en norsk ferje, eller som bufferbatteri på en ferjekai for å avlaste strømnettet.

Avhandlingen begynner med batteriteori, med fokus på generelle prinsipper og spesifikke detaljer om flytbatterier og litium-ion-batterier, samt deres fordeler og utfordringer. Deretter undersøkes hvordan elektriske ferjer opererer, ladeteknologier som brukes, og eksempler på batterier i bruk. Sikkerhetsproblemer og HMS-praksis i elektriske ferjer diskuteres også. Potensielle løsninger for ferjelektrifisering, energibehov og utfordringer med svake strømnett undersøkes.

To casestudier ble gjennomført for å sette teorien ut i praksis. Case Valset-Brekstad vurderte bruk av flytbatteri på ferjene MF Austrått og MF Vestrått som opererer den 5,7 km lange ferjestrekningen mellom Valset og Brekstad. Case Forvik vurderte bruk av flytbatteri som bufferbatteri på Forvik ferjekai for å avlaste det svake strømnettet ved å lade ferjene ved kaien.

For ferjestrekningen Valset-Brekstad er begge ferjene utstyrt med litium-ion-batteri på 1,0 MWh. Studien viser at potensielle flytbatterier vil veie tre ganger mer ved bruk av VRFB i stedet. ZBFB viser lovende resultater der vekten av batteriet vil være nesten identisk med LIB hvis utladningsdybden blir tatt i betraktning.

På Forvik ferjekai brukes et litium-ion-batterisystem for å løse utfordringer knyttet det svake strømnettet. Studien evaluerer å erstatte dette batterisystemet med flytbatterier som VRFB eller ZBFB for å forbedre energilagring og effektivitet. Analysen viser at flytbatterier kan gi fordeler når det gjelder holdbarhet og miljøpåvirkning, men byr på utfordringer ved at de krever unødvendig oppskalering av energi for å møte de høye effektkravene.

The main contribution of this thesis is to evaluate flow battery technologies for ferry electrification. Norway is pursuing a political goal to mandate that all ferries operate as zero-emission vessels, aiming to decrease greenhouse gas emissions in the transport sector. This initiative is a crucial component of the nation's strategy to meet the objectives of the Paris Agreement, specifically the target to limit global warming to 2 $^{\circ}$C. This thesis investigates whether Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB) and Zinc Bromine Flow Batteries (ZBFB) can replace Lithium-Ion batteries (LIB) as the primary energy source on Norwegian ferries or serve as buffer batteries on docks to relieve the power grid.

The thesis begins with essential battery theory, focusing on flow and lithium-ion batteries. Their advantages, challenges, and economic impacts will be addressed. Attention is also given to safety concerns and the importance of health, safety, and environmental (HSE) practices in electrical ferries. The thesis then examines ferry applications, investigating potential solutions for ferry electrification, energy requirements, and challenges in areas with weak power grids.

Two case studies explore the use of flow batteries for ferry lines. The Valset-Brekstad case assesses the use of flow batteries on the ferries MF Austrått and MF Vestrått on a 5.7 km route. The Forvik case studies the use of a flow battery as a buffer battery at Forvik dock to relieve the weak power grid.

For the Valset-Brekstad route, both ferries currently use a LIB of 1.0 MWh capacity. The study shows that potential flow batteries would weigh three times more with the application of a VRFB instead. The ZBFB shows promising results where the weight of the battery would be almost identical to the LIB if the depth of discharge were considered.

At the Forvik dock in Nordland, a LIB is installed as a buffer battery onshore. The study evaluates using flow batteries such as VRFB or ZBFB instead and how it would perform compared to LIB in terms of energy and effect. The analysis shows that flow batteries can give advantages in durability and environmental impact, but offer challenges in requiring unnecessary energy scaling to meet the high power requirements.