The Variable DC Approach for Improved Powertrain Energy Efficiency in Fuel Cell-Fed Marine Vessels

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-12-09
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
126 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 160/2022
Abstract
The maritime industry is undergoing a significant transition from carbon-based fuels towards less environmentally harmful fuels. This transition is primarily being driven by international regulations calling for significant limitations on maximum-allowed environmentally harmful emissions. Hydrogen and fuel cells are often touted as one potential means for the decarbonization of the maritime industry. However, their adoption on board marine vessels is still in its infancy; some of the main reasons for the slow adoption being both high investment and operating costs. This dissertation proposes a new electric integration and operation concept for DC-based fuel cell-fed marine vessel power systems. The concept is designed to enable significant reductions in total powertrain energy losses, thereby reducing operating fuel consumption, which further leads to reduced vessel operating costs. The reduced cost of operation is highly beneficial in order to accelerate the adoption of fuel cells as main power sources for marine vessels, which in turn would also improve the environmental impact of the maritime shipping industry. The proposed concept is entitled the Variable DC Approach and is based on the variable operation of a common DC bus voltage. In its simplicity, the Variable DC Approach omits one power conversion stage which typically exists between fuel cells and a common DC bus. The omission of the power conversion stage eliminates all energy losses associated with high-frequency switching in the said power conversion stage. This dissertation develops and presents advanced power and voltage control systems necessary for efficient utilization of the Variable DC Approach concept. The feasibility of the Variable DC Approach is validated using a real-time hardware-in-loop test setup specifically designed for marine vessel power system testing. The performed validation tests show good performances during both normal and failure-containing operating conditions. Furthermore, the tests show the Variable DC Approach enables an improvement of as much as 28% in total powertrain energy efficiency compared to operating with conventional fixed DC bus voltage. In addition, another positive benefit of the Variable DC Approach is found in its elimination of the high-frequency fuel cell current ripple, which can lead to improved long-term operation of the fuel cell power sources.

Meriteollisuudessa on meneillään merkittävä siirtymä hiilipohjaisista polttoaineista ympäristölle vähemmän haitallisiin polttoaineisiin. Siirtymää ohjaavat ensisijaisesti kansainväliset määräykset, jotka vaativat merkittäviä rajoituksia ympäristölle haitallisten päästöjen enimmäismäärälle. Vetyä ja polttokennoja pidetään usein yhtenä tehokkaana keinona meriteollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Niiden käyttöönotto merialuksilla on kuitenkin vielä erittäin alkuvaiheessa ja yksiä tärkeimpiä syitä hitaalle käyttöönotolle on sekä korkeat investointi- että käyttökustannukset. Tässä opinnäytetyössä kehitetään uutta sähköistä integrointi- ja toimintakonseptia tasasähköön perustuviin polttokennokäyttöisiin laivojen voimajärjestelmiin. Konsepti on suunniteltu merkittävästi vähentämään voimansiirron kokonaisenergiahäviöitä ja siten alentamaan polttoaineen kulutusta, mikä edelleen johtaa aluksen käyttökustannusten alenemiseen. Käyttökustannusten aleneminen on erittäin edullista polttokennojen omaksumisen nopeuttamiseksi merialusten päävoimanlähteiksi, mikä puolestaan parantaisi myös merenkulun ympäristövaikutuksia. Opinnäytetyössä tutkittu konsepti on nimeltään Variable DC Approach, ja se perustuu operointiin muuttuvalla tasavirtajakelujännitteellä. Yksinkertaisuudessaan konsepti jättää pois yhden tehon muunnosvaiheen, joka on tyypillisesti olemassa polttokennojen ja yhteisen tasajännitekiskoston välillä. Tehonmuunnosvaiheen poisjättäminen eliminoi kaikki korkeataajuiseen kytkentään liittyvät energiahäviöt mainitussa tehonmuuntovaiheessa. Tässä opinnäytetyössä kehitetään ja esitellään kehittyneitä tehon ja jännitteen ohjausjärjestelmiä, joita tarvitaan Variable DC Approach -konseptin tehokkaaseen hyödyntämiseen. Variable DC Approach - konseptin toteutettavuus validoidaan käyttämällä reaaliaikaista hardware-in-loop testeausjärjestelymää, joka on suunniteltu erityisesti merialusten tehojärjestelmän testaukseen. Suoritettujen testien perusteella konsepti toimii hyvin sekä normaaleissa että vikoja sisältävissä käyttöolosuhteissa. Lisäksi testit osoittavat konseptin mahdollistavan jopa 28% paremman kokonaisvoimansiirron energiatehokkuuden verrattuna toimintaan tavanomaisella kiinteällä tasajännitteellä. Lisäksi konseptin toinen myönteinen etu on korkeataajuisen polttokennovirran aaltoilun eliminointi, mikä voi pitkällä aikavälillä johtaa polttokennojen tehokkaampaan toimintaan.
Description
Supervising professor
Kyyrä, Jorma, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, Finland
Thesis advisor
Kanerva, Sami, Dr., ABB Marine and Ports, Finland
Keywords
drivetrain, efficiency, fuel cells, hybrid, losses, marine, power system control, variable dc voltage, hybridi, hyötysuhde, häviöt, merenkulku, polttokennot, sähköjärjestelmän ohjaus, vaihtuva dc jännite, voimansiirto
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Arber Haxhiu, Ahmed Abdelhakim, Sami Kanerva and Jostein Bogen. Electric Power Integration Schemes of the Hybrid Fuel Cells and Batteries-Fed Marine Vessels — An Overview. IEEE Transactions on Trasportation Electrification, 8, 2, 1885-1905, June 2022.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205243400
    DOI: 10.1109/TTE.2021.3126100 View at publisher
  • [Publication 2]: Arber Haxhiu, Jorma Kyyrä, Ricky Chan, Sami Kanerva. A variable DC approach to minimize drivetrain losses in fuel cell marine power systems. IEEE Power and Energy conference in Illinois, Illinois, US, 1-6, 03 2019.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004282882
    DOI: 10.1109/PECI.2019.8698924 View at publisher
  • [Publication 3]: Arber Haxhiu, Jorma Kyyrä, Ricky Chan, Sami Kanerva. Improved Variable DC Approach to Minimize Drivetrain Losses in Fuel Cell Marine Power Systems. IEEE Transactions on Industry Applications, 57, 1, 882-893, Jan/Feb 2021.
    DOI: 10.1109/TIA.2020.3035337 View at publisher
  • [Publication 4]: Arber Haxhiu, Jorma Kyyrä, Ricky Chan, Sami Kanerva. The Variable DC Approach in Fuel Cell And Battery Powered Marine Power Systems: Control of The Fuel Cell Power Converter. International Journal of Electrical and Computer Engineering Research, 1, 2, 13-21, Dec 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205173239
    DOI: 10.53375/ijecer.2021.33 View at publisher
  • [Publication 5]: Arber Haxhiu, Jorma Kyyrä, Ricky Chan, Sami Kanerva. Modified Variable DC Approach Applicable to Fuel Cells and DOL Batteries in Shipboard Power Systems. 2020 9th International Conference on Renewable Energy Research and Application (ICRERA), Glasgow, UK, 158-163, 09 2020.
    DOI: 10.1109/ICRERA49962.2020.9242746 View at publisher
  • [Publication 6]: Arber Haxhiu, Ricky Chan, Jorma Kyyrä, Sami Kanerva. A System Level Approach to Estimate Maximum Load Steps That Can Be Applied on a Fuel Cell Powered Marine DC System. Energy Reports, 7, 888-895, Nov 2021.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202102262083
    DOI: 10.1016/j.egyr.2021.01.044 View at publisher
Citation