Battery integration for retrofit electrification of marine vessels; With a case study of the NTNU Research Vessel Gunnerus

Abstract

Økende miljøbekymringer, som stigende globale temperaturer og mer ekstreme værforhold, driver den maritime industrien til å redusere sine klimagassutslipp. Den maritime industrien for omtrent 3\% av de globale klimagassutslippene. For å adressere det økende klimaproblemet, er innovative og effektive løsninger nødvendige for å nå internasjonale klimamål.

Elektrifisering av maritime industrien og installasjon av batterisystemer ombord har vist seg å være lovende løsninger for å redusere bruk av fossilt brensel og redusere klimagassutslipp. Denne oppgaven undersøker faktorer knyttet til integrering av batterisystemer i hybride skip, med hovedfokus på ettermontering. Disse faktorene anvendes deretter på NTNUs forskningsfartøy, Gunnerus. Å installere et batterisystem på et eksisterende hybridfartøy er en kompleks prosess med mange sammenhengende elementer, hvor en enkelt beslutning kan påvirke flere aspekter av prosjektet. For tiden finnes det ingen standardisert metode for å installere et batterisystem på et skip, og denne avhandlingen bidrar med en oversikt over kritiske betraktninger i de tidlige stadiene av ettermonterings-prosessen av batterier.

Den pre-konseptuelle prosjektanalysen fokuserer på å forstå de ønskede resultatene og identifisere begrensninger. Det er essensielt å gjenkjenne mulighetsrommet og forstå partenes motivasjoner. Tekniske data for RV Gunnerus undersøkes, og AIS-data analyseres for å forstå dets normale operasjoner og definere dets operasjonsmønster. I konseptdesign evalueres potensialet for et batterisystem fra et teknisk perspektiv. Dette inkluderer vurdering av tilgjengelig plass og forslag til en størrelses-strategi basert på fartøyets lastningsprofiler, energi- og effektetterspørsel, og batteriets ladeintervall. Drivstoffbesparelser for forskjellige batteristørrelser og lastningsprofiler beregnes også. Oppgaven vurderer passende litium-ion batterikjemi og foreslår noen topp moderne skipsnett alternativer.

Forprosjektet er delt inn i tre aspekter av ettermonteringen: fysisk, elektrisk og kontrollintegrasjon. Fysisk integrasjon dekker batteridesign, plassering, hydrostatisk evaluering og sikkerhetsstyring. Elektrisk integrasjon fokuserer på kraftdistribusjonssystemet og integrering av batteriet i det eksisterende elektriske nettet, og tar for seg utfordringer som strømkvalitet og nettbeskyttelse. Kontrollintegrasjon foreslår en systematisk tilnærming for å oppnå de ønskede resultatene og tester gjennomførbarheten av kontrollsystem-arkitekturen gjennom Simulink-simuleringer.

Å installere et 1 MWh batterisystem på RV Gunnerus kan redusere drivstofforbruket med 21,4 \% på en typisk reise. Dette resultatet er avledet fra en analyse av AIS-data fra 2023, lastningsprofiler hentet fra to forskjellige reiser, og drivstofforbrukskurver beregnet fra de samme datasettene. I tillegg tillater den foreslåtte kontrollarkitekturen at man beholder de eksisterende passive diodelikeretterne. Videre inkluderer arkitekturen en DC-skinne som kobler fremdriftens DC-lenker, og en liten aktiv front-end omformer som kobler DC-skinnen til AC-skinnen. Ved å direkte kontrollere batteriets DC-DC-omformer kan oppførselen til dieselgeneratorene indirekte styres.

Increasing environmental concerns, such as rising global temperatures and more extreme weather conditions, drive the maritime industry to reduce its greenhouse gas emissions. Currently, the maritime industry accounts for approximately 3\% of global greenhouse gas emissions. To address the escalating climate change problem, innovative and efficient solutions are necessary to achieve international climate goals.

Electrification of marine vessels and the installation of onboard battery systems have emerged as promising solutions to reduce fossil fuel usage and greenhouse gas emissions. This thesis investigates factors related to the integration of battery energy storage systems in hybrid ships, mainly focusing on retrofit applications. These factors are then applied to the NTNU research vessel, Gunnerus. Installing a battery energy storage system on an existing hybrid vessel is a complex process with many interconnected elements, where a single decision can impact multiple aspects of the project. Currently, there is no standardized method for installing a battery energy storage system on a ship, and this thesis contributes with an overview of critical considerations in the early stages of retrofit battery integration.

The pre-conceptual project analysis focuses on understanding the desired outcomes and identifying retrofit constraints. It is essential to recognize the opportunity space and comprehend the stakeholders' motivations. Technical data of the use case vessel are examined, and AIS data are analyzed to understand its normal operations and define its operational modes. In the concept design, the potential of a battery energy storage system is evaluated from a technical perspective. This includes assessing available space and proposing a sizing strategy based on the vessel's load profiles, energy and power demands, and battery state of charge range. Fuel savings for different battery sizes and load profiles are also calculated. The thesis evaluates the appropriate lithium-ion battery chemistry and proposes some state-of-the-art grid options.

The preliminary design is divided into three aspects of the retrofit: physical, electrical, and control integration. Physical integration covers battery design, placement, hydrostatic evaluation, and safety management. Electrical integration focuses on the power distribution system and incorporating the battery into the existing electrical grid, addressing challenges like power quality and grid protection. Control integration proposes a systematic approach to achieve the desired outcomes and tests the feasibility of the control system architecture through Simulink simulations.

Installing a 1 MWh battery system on RV Gunnerus can reduce fuel consumption by 21.4\% on a typical voyage. This result is derived from an analysis of AIS data from 2023, load profiles extracted from two different voyages, and specific fuel consumption curves calculated from the same datasets. Additionally, the proposed control architecture, which includes a DC-bus connecting the propulsion’s DC links in the variable speed drives and a small active front-end converter linking the DC-bus to the AC-bus, allows the retention of existing passive diode rectifiers. By directly controlling the battery's DC-DC converter, the behavior of the diesel generators can be indirectly managed.