Design of battery energy storage for hybrid passenger ferry

Abstract

Energy storage was designed for ferry operating in over 80 km route in this study. The operation was inspected in two scenarios where in first the energy was used to feed the propulsion to keep the engines in more efficient area of operation and to prevent low load operation. In the second scenario the energy was used to power the hotel load in harbors. The charging of the energy storage was done by using the diesel generators when the load demand was below the 30 % of main engine nominal power so that the low load use of generator is avoided. Initial data for the operation was generated also in this study.

Battery energy storage was selected to be the energy storage technology and the most suitable battery technology for the operation was either LFP or NMC from which the NMC was selected since there are more commercial ready solutions. The capacity of the energy storage was 6 MWh in propulsion scenario and 2 MWh in hotel load scenario. The capacities were optimized so that in the propulsion scenario all the charging power of the low load operation was utilized and in the hotel load scenario the power needed during harbour operation can be fed from the energy storage. Energy storage operation was simulated in the end of lifetime operation when there is 80 % of the initial capacity left. The lowest SoC limit was 20 % so that the batteries were not discharged completely.

Energy storages can be placed either near main engines in separate battery rooms with separate ventilation and fire extinguishing systems or outside decks for more safe operation. Outside deck positioning could be problematic for ship stability point of view. Financially the investment is not profitable because the system will not pay itself back with fuel savings. Component aging and corporate image impact are hard to measure financially so they can be also other drivers for investment, but they were not investigated in this study.

Tässä tutkimuksessa suunniteltiin energiavarasto matkustajalautalle, joka liikennöi yli 80 km pituisella reitillä. Laivan operointia tutkittiin kahdessa eri skenaariossa missä ensimmäisessä energiavarastoa käytettiin propulsioon, jolloin pääkoneita pystyttiin pyörittämään paremmalla hyötysuhteella ja vältettäisiin myös alhaisen kuormituksen operointi. Toisessa skenaariossa energia käytettiin hotellikuorman syöttämiseen satamassa. Energiavarasto ladattiin dieselgeneraattoreilla silloin kun kuormitus on alle 30 %, jotta vältetään alhaisen kuormituksen operointi pääkoneilla. Lähtöarvot simulointia varten generoitiin myös tässä työssä.

Akusto valittiin energian varastointitavaksi ja paras akkuteknologia on LFP tai NMC, joista NMC on valikoitu tarkasteluun, koska valmiita kaupallisia ratkaisuja löytyi laajalti. Energiavaraston kapasiteetiksi valikoitui ensimmäisessä skenaariossa 6 MWh propulsiokäytölle ja toisessa skenaariossa 2 MWh hotellikuorman syötölle. Kapasiteetit optimoitiin niin, että kaikki potentiaalinen latausteho saatiin hyödynnettyä pitämään pääkone paremmalla hyötysuhdealueella. Hotellikuorman skenaariossa kapasiteetti mitoitettiin riittämään tarvittavalle energialle satamaoperoinnissa. Energiavaraston simuloinnit toteutettiin energiavaraston käyttöiän lopussa, jolloin 80 % kapasiteetista oli käytössä. Alin varaustason raja oli 20 %, jolloin akustoa ei koskaan päästetä purkautumaan kokonaan tyhjäksi.

Akustot voidaan sijoittaa joko pääkoneiden lähistölle alakansille erilliseen akustohuoneeseen erillisellä ilmastoinnilla sekä palosammutusjärjestelmällä varustettuna. Toinen vaihtoehto on sijoittaa akusto ulkokannelle, jolloin sen operointi on vikatilanteessa turvallisempaa, mutta kuitenkin sijoituspaikka saattaa olla laivan vakauden näkökulmasta kriittinen. Taloudellisesti investointi ei ole kannattava, koska se ei maksa itseään koskaan takaisin pelkillä polttoainesäästöillä. Vaikutusta komponenttien ikääntymiselle ja yhtiön imagolle on vaikea mitata rahassa, mutta nämä voisivat myös olla syitä investoinnille, niitä ei kuitenkaan tutkittu