Electric energy storage system dimensioning for large hybrid-powered vessels

Abstract

Ship energy efficiency has an increasing demand to improve. International Maritime Organization requires tighter emission regulations while ship owners pursuit for better fuel economy. To meet the demand, more novelty solutions are needed alongside of the well-established ones. For years, on-land vehicles have been equipped with rechargeable batteries to reduce fuel consumption and now this solution is arriving to marine applications.

This thesis introduces a battery system dimensioning method. The method is capable of analysing ship’s operational profile as well as machinery configuration and suggesting an optimal battery system capacity and power rating. The suggestion is based on the achievable fuel savings and payback period. The current state of hybrid propulsion systems in the marine industry will be investigated and the most common power-plant systems on a ship will be presented.

The method was applied to a case vessel with an initial estimation that the vessel would benefit from a hybrid propulsion system. The results were promising and the method performed as expected. Per annum, the case vessel would experience notable fuel savings and the engine running hours would reduce remarkably. However, due to currently low fuel price and high battery capital costs, the payback period of the investment is high. It was estimated that within few years the attractiveness and the profitability of the investment would improve.

Some limitations are embedded into the model. Commercial power management systems are not available for research purposes. Therefore, the engine control scheme follows a simplified algorithm that does not fully represent the commercial PMS used onboard. Also, gathering an accurate operational profile for the model may not be possible. The simulated fuel consumption might not be accurate but it should provide a good initial profitability estimation of the hybrid propulsion system. Thus, the model is intended to be used during the conceptual design phase.

Tarve laivan energiatehokkuuden parantamiselle on kasvava. Kansainvälinen merenkulkujärjestö vaatii tiukempia päästörajoituksia ja varustamot pyrkivät kohti matalampaa polttoainekulutusta. Kysyntään vastaamiseksi vaaditaan uusia menetelmiä laivan energiatehokkuuden parantamiseksi jo omaksuttujen menetelmien lisäksi. Jo vuosia autoissa on hyödynnetty akustoa parantamaan polttoainetehokkuutta ja nyt tämä teknologia on saapumassa myös laivoihin.

Diplomityö esittelee laivan akuston mitoitusmenetelmän. Menetelmä analysoi laivan operointiprofiilin sekä koneistokonfiguraation ja luo ehdotelman optimaalisesta akuston kapasiteetista ja tehokertoimesta. Ehdotelma perustuu polttoainesäästöihin sekä investoinnin takaisinmaksuaikaan. Työssä tutkitaan akkuteknologian nykytilannetta meriteollisuudessa ja esitellään laivoissa käytettävät yleisimmät voimalaitos-järjestelmät.

Menetelmää sovellettiin esimerkkilaivaan, joka alustavan arvion mukaan hyötyisi hybridi-propulsiojärjestelmästä. Saadut tulokset vaikuttavat lupaavilta ja simulaatio suoriutui odotetulla tavalla. Vuosittain saavutettaisiin merkittäviä polttoainesäästöjä ja polttomoottorien käyttötunnit vähenisivät huomattavasti. Kuitenkaan akustoa ei voida pitää taloudellisesti järkevänä sijoituksena, sillä matalan polttoainehinnan sekä korkeiden investointikustannusten johdosta takaisinmaksuaika on pitkä. Tehdyn arvion mukaan akuston kannattavuus paranee lähivuosina.

Menetelmässä on joitain rajoituksia. Kaupalliset tehonhallintajärjestelmät eivät ole tarjolla tutkimuskäyttöön. Tämän takia menetelmässä on yksinkertaistettu moottorinhallinta, joka ei täysin vastaa kaupallisia ratkaisuja. Tarkan operointiprofiilin saaminen suunnittelun aikaisessa vaiheessa saattaa olla haastavaa. Tästä johtuen menetelmällä lasketut polttoainekulutukset eivät täysin vastaa todellisia lukemia, mutta tuloksia voidaan pitää riittävän tarkkoina hyvän arvion tekemiseksi. Suunniteltu menetelmän käyttötarkoitus on laivan konseptisuunnitteluvaiheessa.