Possibilities for hybrid cruise vessel performance optimization through data-driven battery usage
Kuusisto, Teemu (2023)
Diplomityö
2023
School of Engineering Science, Tuotantotalous
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023080493077
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023080493077
Tiivistelmä
The burning topics of climate change and emission efficiency are shaping the trends of global energy production, also requiring fundamental changes in the maritime industry. Battery energy storage system is the leading alternative power source technology transforming the means of vessel power supply. As smaller hybrid vessels are rapidly popularizing, interest towards hybridization has also been shown in the cruise segment. However, the research on battery suitability and feasibility on a cruise vessel has been lacking, hindering the technological diffusion. This thesis aims to fill the research gap by examining the concept and feasibility of battery hybrid power supply on a cruise ship.
Diverse sources of information are studied with four different research methods, literature review, interviews, simulation, and data analysis, to carry out this qualitative research. Battery and power supply concepts are studied from the academic literature to understand the hybrid system’s potential benefits, challenges and applicability in the cruise context. Vessel register data is analysed and experts across the cruise industry are interviewed to investigate the hybrid vessel market situation and drivers for future development. Finally, a digital twin of the hybrid cruise power supply is modelled and simulated to estimate the monetary and emission savings potential and to assess the battery investment feasibility.
The results of the thesis show that batteries offer multiple valuable benefits on cruise vessels, mainly deriving from the disconnection of the direct link between power production and consumption. Enabling optimal engine operation lowers fuel consumption, creating direct cost and emission benefits, also generating various indirect advantages such as enhanced brand and compatibility with regulation. Batteries can also complement other sustainable power sources, main ones being fuel cells and combustion engines running on renewable fuels such as methanol and hydrogen. The popularization of these technologies, together with the operational and business drivers, is expected to boost the adoption of batteries as a secondary power source already in the near future. The main challenges of cruise vessel batteries are balancing the weight and space constraints with the high power and energy demand, and high investment cost considering the low OPEX savings potential, based on the simulation. With the expectations of increasing fuel prices and decreasing battery CAPEX, the financially unjustifiable investment can in the coming years become feasible. Ilmastonmuutos ja päästötehokkuus ohjaavat globaaleja energiantuotannon trendejä, vaatien perustavanlaatuisia muutoksia myös meriteollisuudessa. Energianvarastointijärjestelmät, erityisesti akkuteknologia, ovat vaihtoehtoisia tehonlähteitä, jotka vaikuttavat merkittävästi laivojen tehontuotantoon. Akkujen yleistyessä pienemmän kokoluokan aluksilla, hybridi-ratkaisut ovat alkaneet herättää kiinnostusta myös risteilysegmentissä. Akkuteknologian soveltuvuutta risteilyaluksilla on kuitenkin tutkittu hyvin vähän, mikä on hidastanut teknologista diffuusiota. Tämän diplomityön tavoitteena on täydentää puuttuvaa ymmärrystä tutkimalla akkuhybridin tehontuotannon konseptia ja kannattavuutta risteilijällä.
Työ toteutettiin kvalitatiivisena tutkimuksena käyttäen kirjallisuuskatsausta, haastatteluja, simulaatiota sekä data-analytiikkaa tutkimusmenetelminä. Akuston ja tehontuotannon konsepteja tutkittiin akateemisen kirjallisuuden pohjalta, kasvattaen ymmärrystä hybridijärjestelmän mahdollisuuksista ja haasteista risteilijällä. Hybridialusten markkinatilannetta ja sen kehityksen ajureita tutkittiin analysoimalla laivarekisteridataa ja haastattelemalla risteilytoimialan asiantuntijoita. Hybriditehontuotannon päästö- ja kustannussäästöpotentiaalia sekä akkuinvestoinnin kannattavuutta arvioitiin simuloimalla todellista risteilijädataa case-laivoista mallinnettujen digitaalisten kaksosten avulla.
Työn tuloksista havaitaan akkuteknologian tarjoavan useita hyötyjä risteilijöille, pääasiassa poistamalla tehontuotannon ja -kulutuksen välisen suoran yhteyden. Moottorien optimaalisen toiminnan mahdollistaminen vähentää polttoaineenkulutusta luoden päästö- ja kustannussäästöjä. Tällä luodaan myös kestävämpää brändiä ja valmistaudutaan mahdollisiin lainsäädännöllisiin vaatimuksiin. Akuilla voidaan myös tukea muita vaihtoehtoisia tehonlähteitä, tärkeimpinä polttokennoja ja uusiutuvilla polttoaineilla, kuten metanolilla ja vedyllä, toimivia polttomoottoreita. Näiden teknologioiden yleistymisen yhdessä muiden ajureiden kanssa odotetaan kiihdyttävän akkujen käyttöönottoa toissijaisena tehonlähteenä jo lähitulevaisuudessa. Akkuteknologian suurimmat haasteet liittyvät risteilijöiden korkean tehon- ja energiantarpeen ja tila- ja painorajoitteiden yhteen-sovittamiseen, sekä korkeaan hankintahintaan kustannussäästöpotentiaalin ollessa matala. Koska polttoaineiden odotetaan kallistuvan ja akkujen hintojen laskevan, voi vielä toistaiseksi taloudellisesti kannattamattomasta investoinnista tulla lähivuosina perusteltu.
Diverse sources of information are studied with four different research methods, literature review, interviews, simulation, and data analysis, to carry out this qualitative research. Battery and power supply concepts are studied from the academic literature to understand the hybrid system’s potential benefits, challenges and applicability in the cruise context. Vessel register data is analysed and experts across the cruise industry are interviewed to investigate the hybrid vessel market situation and drivers for future development. Finally, a digital twin of the hybrid cruise power supply is modelled and simulated to estimate the monetary and emission savings potential and to assess the battery investment feasibility.
The results of the thesis show that batteries offer multiple valuable benefits on cruise vessels, mainly deriving from the disconnection of the direct link between power production and consumption. Enabling optimal engine operation lowers fuel consumption, creating direct cost and emission benefits, also generating various indirect advantages such as enhanced brand and compatibility with regulation. Batteries can also complement other sustainable power sources, main ones being fuel cells and combustion engines running on renewable fuels such as methanol and hydrogen. The popularization of these technologies, together with the operational and business drivers, is expected to boost the adoption of batteries as a secondary power source already in the near future. The main challenges of cruise vessel batteries are balancing the weight and space constraints with the high power and energy demand, and high investment cost considering the low OPEX savings potential, based on the simulation. With the expectations of increasing fuel prices and decreasing battery CAPEX, the financially unjustifiable investment can in the coming years become feasible.
Työ toteutettiin kvalitatiivisena tutkimuksena käyttäen kirjallisuuskatsausta, haastatteluja, simulaatiota sekä data-analytiikkaa tutkimusmenetelminä. Akuston ja tehontuotannon konsepteja tutkittiin akateemisen kirjallisuuden pohjalta, kasvattaen ymmärrystä hybridijärjestelmän mahdollisuuksista ja haasteista risteilijällä. Hybridialusten markkinatilannetta ja sen kehityksen ajureita tutkittiin analysoimalla laivarekisteridataa ja haastattelemalla risteilytoimialan asiantuntijoita. Hybriditehontuotannon päästö- ja kustannussäästöpotentiaalia sekä akkuinvestoinnin kannattavuutta arvioitiin simuloimalla todellista risteilijädataa case-laivoista mallinnettujen digitaalisten kaksosten avulla.
Työn tuloksista havaitaan akkuteknologian tarjoavan useita hyötyjä risteilijöille, pääasiassa poistamalla tehontuotannon ja -kulutuksen välisen suoran yhteyden. Moottorien optimaalisen toiminnan mahdollistaminen vähentää polttoaineenkulutusta luoden päästö- ja kustannussäästöjä. Tällä luodaan myös kestävämpää brändiä ja valmistaudutaan mahdollisiin lainsäädännöllisiin vaatimuksiin. Akuilla voidaan myös tukea muita vaihtoehtoisia tehonlähteitä, tärkeimpinä polttokennoja ja uusiutuvilla polttoaineilla, kuten metanolilla ja vedyllä, toimivia polttomoottoreita. Näiden teknologioiden yleistymisen yhdessä muiden ajureiden kanssa odotetaan kiihdyttävän akkujen käyttöönottoa toissijaisena tehonlähteenä jo lähitulevaisuudessa. Akkuteknologian suurimmat haasteet liittyvät risteilijöiden korkean tehon- ja energiantarpeen ja tila- ja painorajoitteiden yhteen-sovittamiseen, sekä korkeaan hankintahintaan kustannussäästöpotentiaalin ollessa matala. Koska polttoaineiden odotetaan kallistuvan ja akkujen hintojen laskevan, voi vielä toistaiseksi taloudellisesti kannattamattomasta investoinnista tulla lähivuosina perusteltu.