Prerequisites of high power charging infrastructure and fully electrical machinery implementation in harbor environment

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2015-10-19
Department
Major/Subject
Sähkökäytöt
Mcode
S3016
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)
Language
en
Pages
63 + 8
Series
Abstract
Tightening environmental requirements and cheaper operating costs have led to replacing diesel machinery with electrical drives. Common challenges in machinery electrification is the dependency on the close proximity of electric supply, and low energy density and high prices of batteries. This master’s thesis studies the prerequisites of implementing high power charging infrastructure and electrical machinery in harbor environment. For this thesis, two qualitative interviews were conducted to form a comprehension about harbor environments and operations. Additionally, certain factors - such as available charging power and time - that affect the implementation of electrical powertrains, were understood better. Using these interviews, generic models of harbor operations were developed to assess the impact of the factors. Using design criteria, that include machinery power, operating time, yearly operating hours, battery energy content, and cycle duration, two total cost of ownership models were created for baseline cases of opportunity and depot charging concepts, and the results were compared to the cost of similar diesel machinery. The effect of the design criteria to the total cost - with other factors such as battery and infrastructure cost - was studied using sensitivity analysis, while recognizing key cost factors. Based on the models, it was found that opportunity charging is a technically feasible method to implement in harbors, while being financially profitable. The key factors for the opportunity charging concept are yearly usage, fleet size, and electricity price. The key factors for the depot charging concept are the unit cost of kWh for batteries, and battery lifetime. There is more uncertainty about the feasibility of the depot charging concept due to the large size and high cost of the battery. Also the total cost of ownership of the concept is very close to that of the diesel machinery.

Kiristyvät ympäristövaatimukset ja edullisemmat käyttökustannukset ovat johtaneet dieseltyökoneiden korvaamiseen sähköisillä. Sähköistyksen yleisenä haasteena ovat riippuvuus sähkönsyötön läheisyydestä, akkujen matalat energiatiheydet sekä korkeat hinnat. Tämä diplomityö tutkii sähköisten työkoneiden ja vaadittavan latausinfrastruktuurin käyttöönoton edellytyksiä satamaympäristössä. Työtä varten tehtiin kaksi kvalitatiivista haastattelua satamaympäristöjen ja -toiminnan syvemmäksi ymmärtämiseksi. Lisäksi, tiettyjä tekijöitä, kuten saatavilla olevaa lataustehoa ja -aikaa - jotka vaikuttavat sähköisten voimalinjojen käyttöönottoon - ymmärrettiin paremmin. Haastatteluiden perusteella voitiin muodostaa geneerisiä malleja satamatoiminnasta näiden tekijöiden vaikutuksen arvioimiseksi. Suunnittelukriteerejä, kuten työkonetehoa, operointiaikaa, vuosittaisia käyttötunteja, akun energiamäärää ja syklikestoa, käyttämällä luotiin kaksi elinkaarikustannusmallia taukolataus- ja varikkolatauskonseptien perusskenaarioille. Tuloksia vertailtiin samankaltaisen dieseltyökoneen kustannuksiin. Akku- ja infrastruktuurikustannuksen lisäksi, suunnittelukriteerien vaikutusta kustannuksiin tutkittiin käyttämällä herkkyysanalyysiä, ja samalla paljastamalla avainkustannustekijät. Mallien perusteella huomattiin, että taukolataus on teknisesti toteuttamiskelpoinen metodi satamiin ollen samalla taloudellisesti kannattava. Avaintekijöitä taukolataukselle ovat vuotuiset käyttötunnit, laivuekoko ja sähkön hinta. Avaintekijät varikkolataukselle ovat akkukilowattitunnin kustannus ja akun elinikä. Varikkolatauskonseptin käyttökelpoisuuteen liittyy enemmän epävarmuutta, sillä siinä akut ovat suuria ja kalliita. Myös konseptin elinkaarikustannus on lähellä dieselin vastaavaa kustannusta.
Description
Supervisor
Hinkkanen, Marko
Thesis advisor
Kukkonen, Samu
Keywords
charging, electrification, harbor, TCO, infrastructure, container
Other note
Citation