Optimization of Marine Energy Storage Systems for Desired Lifetime, Energy Saving and Safety

Dette prosjektet har satt søkelys på utfordringene knyttet til optimal effekt og energidimensjonering av batterier for energilagring på hybride skip hvor batteriene benyttes sammen med tradisjonelle diesel generatorsett. Dette har også inkludert utfordringene knyttet til best mulig samkjøring mellom batterier og dieselgeneratorer, dvs. hvordan optimalt styre ladding og utlading av batteri på en slik måte at en maksimerer gevinsten av å installere batterilageret. Da dette prosjektet ble startet opp var det allerede for flere typer skip og operasjoner demonstrert at en ved å installere batterier kunne oppnå betydelige reduksjoner i dieselforbruk og utslipp. Tilbake i 2015, da søknaden for dette prosjektet ble utformet fant industripartneren Rolls Royce i Singapore at det var mangel på åpen tilgjengelig erfaring og egnet metodikk for optimal dimensjonering av energilager for hybride skip, med konsekvens at systemintegratorer og verft i stor grad måtte stole på hva leverandører av batterier tilbydde, slik at det ble vanskelig å foreta en totaloptimering av skip og kraftsystemer. Rolls Royce i Singapore tok derfor initiativ til dette samarbeidsprosjektet mellom partnere i Norge og Singapore, med mål om å utvikle og tilgjengeliggjøre ny kunnskap om design og optimering av hybride kraftsystemer for skip. Hovedmålet med prosjektet har derfor vært å utvikle metodikk for optimal dimensjonering og bruk av batterier på hybride skip med batterier og dieselmotorer. Dette prosjektet er ett av prosjektene som fikk finansiering fra utlyste forskningsmidler for samarbeidsprosjekter mellom Norge og Singapore. Utlysningen rettet seg mot prosjekter relatert grønn skipsfart, og som inkluderte forskningsinstitusjoner og industri både i Norge og Singapore. Partnerne i dette prosjektet har vært Nanyang Technological University (NTU), Singapore, Rolls Royce Singapore Pte. Ltd, SINTEF Energi, og siden 2019, Kongsberg Maritime som kom inn som partner etter at de kjøpte opp den opprinnelige norske industripartneren Rolls Royce Marine. Resultatene fra aktivitetene utført i Norge omfatter blant annet metodikk for bruk av varighetskurver for effekt i stedte for bruk av tidsserier til å estimere forventet drivstoff- og utslippsreduksjon ved bruk av batterier som reserve i kritiske operasjoner (spinning reserve) og bruk av batteri til å optimalisere operasjonspunkt for dieselgeneratorer; metodikk for å bestemme strategier for effekt og energistyring for minimum dieselforbruk på hybride skip med batterier og dieslegeneratorer og energilager; fremgangsmåter for å balansere drivstoffbesparelse opp mot batterienes levetid; metodikk for å inkludere batterienes degradering i optimering av batteri dimensjonering; metodikk for optimal styring av bruken av lagret landstrøm for skip som kombinerer bruk av energi fra land og energi fra dieselmotorer; samt verktøy for estimering av batterienes degradering basert på de begrensede data man normalt kan regne med at skipsdesignere og systemintegratorer vil kunne få tilgang til. Resultatene av aktivitetene i Singapore inkluderer blant annet formulering og implementering av såkalt "Particle Swarm Optimization" (PSO) for å finne optimal effekt og energiytelse på batteriene når en tar hensyn til lastprofil, operasjonelle begrensninger og batteri levetid. Videre ble det der jobbet mye med styremetoder og feildeteksjon for flernivåomformere med distribuert, integrert energilager for tilkobling av energilager direkte til høyspenningssystemer ombord. Prosjektet har levert resultater som har potensiale til å redusere kostnaden for bruk av batterier på skip siden resultatene kan benyttes til mer optimal dimensjonering og mer optimal bruk av batteriene for derigjennom å maksimere verdiene av batteriinstallasjonene. Dette vil på litt lengre sikt bidra til redusert drivstofforbruk og reduserte utslipp fra den type hybride skip som det er fokusert på i dette prosjektet.

The project has produced results that have the potential of reducing the cost related to the use of battery systems in ships since results can be used for more optimal sizing of battery storage, as well as more optimal usage of the battery storage in operation. This will in the long term contribute to reduced fuel usage and reduced emissions from the type of vessels considered in this work. Key project results have already been published in scientific publications and are now available for use by industry and further use in related research. The project has for the Norwegian research given significant increased competence on the use of batteries. Competence, experience, and methods from the project have already been found valuable in other projects and is also planned used in projects that are under development. The project has also given contacts with relevant Norwegian industry partners beyond the project industry partner and has contributed to other battery related projects.

The primary objective of this project is to develop a methodology for optimized selection of energy storage solutions in hybrid ship power and propulsion systems. An energy storage system on a vessel can have several advantages and can be utilized for several different purposes depending on the onboard power system configuration. The intended use, as well as class society requirements for safety and power availability has to be accounted for when optimizing the sizing of such energy storage systems. The knowledge and experience of how to select the best combination and size of energy storage within the required constraints for safety and power availability is not in the public domain, and practical system designs depend on recommendations from specialized consultancy services or battery manufacturers. Thus, the project aims to make knowledge on design and optimization of marine energy systems available to the wider industry. This will be obtained through the development of a generalized methodology for selecting and sizing the energy storage for a given vessel, considering applicable class rules, a given operating profile and required energy storage lifetime. The methodology will towards the end of the project be implemented in a tool for demonstration and testing and to facilitate rapid vessel design development. The project is targeting the topic of Green Shipping, subtopic Energy Efficiency, in the Joint Call for Proposals in Maritime Research between Singapore and Norway. Knowledge relevant for reducing the cost and risk of a shift towards greener and more efficient vessel power systems with reduced fuel consumption fits well within the ambitions of reducing the emissions from the maritime transportation. Norway and Singapore have both maritime industries that include yards, ship designers and equipment manufacturers that can benefit from such knowledge.