Energy Management System for Hybrid Marine Craft and Their Sustainability Benefits

Öz

The aim of this study is to evaluate the technical, environmental, and economic performance of a PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) based hybrid marine energy system in terms of sustainable maritime operations. Increasing energy demand, fuel costs, and international regulations aimed at reducing carbon emissions in the maritime sector have increased the interest in alternative energy systems. In this context, the study addresses a hybrid energy architecture consisting of a LiFePO4 battery, a diesel generator, and Energy Management System (EMS) components for a 9 m long motor yacht with a hybrid propulsion system. A quantitative modeling and simulation approach was adopted in the research. The hybrid system was analyzed under different operating scenarios in the open-source GNU Octave numerical computing environment. System performance was evaluated in terms of electrical load profile, energy consumption, battery state of charge (SOC), energy flow, system efficiency, and fuel consumption. Furthermore, system behavior was examined using operational scenarios representing cruising, port, anchoring, and maximum load conditions. The findings indicate that the hybrid energy system provides significant advantages compared to traditional diesel-based systems. According to the analysis results, the system provides approximately 30.95% fuel savings, significantly reduces annual carbon emissions, and allows for the more efficient use of energy resources. It was determined that the EMS algorithm optimizes power sharing among energy sources and effectively manages battery usage. In conclusion, it has been determined that PMSM-based hybrid energy systems offer significant advantages in terms of energy efficiency, emission reduction, and economic sustainability. The obtained results demonstrate that hybrid marine energy systems are an applicable and effective solution in sustainable maritime applications.

Anahtar Kelimeler

• Sustainable maritime transportation
• Hybrid energy system
• Energy management system
• Carbon emissions
• Fuel savings.

Hibrit Deniz Aracının Enerji Yönetim Sistemi ve Sürdürülebilirliğe Katkıları

Öz

Bu çalışmanın amacı, PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) tabanlı hibrit bir deniz enerji sisteminin sürdürülebilir denizcilik açısından teknik, çevresel ve ekonomik performansını değerlendirmektir. Denizcilik sektöründe artan enerji talebi, yakıt maliyetleri ve karbon emisyonlarının azaltılmasına yönelik uluslararası düzenlemeler, alternatif enerji sistemlerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu kapsamda çalışmada, 9 m uzunluğunda hibrit tahrik sistemine sahip bir motor yat için LiFePO4 batarya, dizel jeneratör ve Enerji Yönetim Sistemi (EYS) bileşenlerinden oluşan hibrit enerji mimarisi ele alınmıştır. Araştırmada nicel modelleme ve simülasyon yaklaşımı benimsenmiştir. Hibrit sistem açık kaynaklı GNU Octave sayısal hesaplama ortamında, farklı çalışma senaryoları altında analiz edilmiştir. Sistem performansı; elektriksel yük profili, enerji tüketimi, batarya şarj durumu (SOC), enerji akışı, sistem verimliliği ve yakıt tüketimi açısından değerlendirilmiştir. Ayrıca seyir, liman, demirleme ve maksimum yük koşullarını temsil eden operasyon senaryoları kullanılarak sistem davranışı incelenmiştir. Elde edilen bulgular, hibrit enerji sisteminin geleneksel dizel tabanlı sistemlere kıyasla önemli avantajlar sağladığını göstermektedir. Analiz sonuçlarına göre sistem yaklaşık %30,95 oranında yakıt tasarrufu sağlamakta, yıllık karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltmakta ve enerji kaynaklarının daha verimli kullanılmasına olanak vermektedir. EYS algoritmasının enerji kaynakları arasındaki güç paylaşımını optimize ettiği ve batarya kullanımını etkin şekilde yönettiği belirlenmiştir. Sonuç olarak, PMSM tabanlı hibrit enerji sistemlerinin enerji verimliliği, emisyon azaltımı ve ekonomik sürdürülebilirlik açısından önemli avantajlar sunduğu belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, hibrit deniz enerji sistemlerinin sürdürülebilir denizcilik uygulamalarında uygulanabilir ve etkili bir çözüm olduğunu ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Sürdürülebilir denizcilik
• Hibrit enerji sistemi
• Enerji yönetim sistemi
• Karbon emisyonu
• Yakıt tasarrufu

Kaynakça

1. Crainz, M., Curto, D., Franzitta, V., Longo, S., Montana, F., Musca, R., Riva Sanseverino, E., & Telaretti, E. (2019). Flexibility services to minimize the electricity production from fossil fuels. A case study in a Mediterranean small island. Energies, 12(18), 3492. https://doi.org/10.3390/en12183492
2. Dedes, E. K., Hudson, D. A., & Turnock, S. R. (2012). Assessing the potential of hybrid energy technology to reduce exhaust emissions from global shipping. Energy Policy, 40, 204–218. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2011.09.046
3. Geertsma, R. D., Negenborn, R. R., Visser, K., & Hopman, J. J. (2017). Design and control of hybrid power systems for ships: A review of developments. Applied Energy, 194, 30–54. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.02.060
4. Kalla, U. K., Singh, B., & Murthy, S. S. (2017). Green controller for efficient diesel engine driven single-phase SEIG using maximum efficiency point operation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 64(1), 264–274. https://doi.org/10.1109/TIE.2016.2605620
5. Kanellos, F. D., Tsekouras, G. J., & Hatziargyriou, N. D. (2014). Optimal demand-side management and power generation scheduling in an all-electric ship. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 5(4), 1166–1175. https://doi.org/10.1109/TSTE.2014.2336973
6. Krause, P. C., Wasynczuk, O., & Sudhoff, S. D. (2013). Analysis of electric machinery and drive systems (3rd ed.). John Wiley & Sons.
7. Lindstad, E., Eskeland, G. S., Rialland, A., & Valland, A. (2020). Decarbonizing Maritime Transport: The Importance of Engine Technology and Regulations for LNG to Serve as a Transition Fuel. Sustainability, 12(21), 8793. https://doi.org/10.3390/su12218793
8. McGeorge, H. D. (1993). Marine electrical equipment and practice (7. rd ed.). Butterworth-Heinemann.

9. Onori, S., Serrao, L., & Rizzoni, G. (2016). Hybrid electric vehicles: Energy management strategies. Springer.
10. Plett, G. L. (2015). Battery management systems, volume I: Battery modeling. Artech House.
11. Taylor, D. A. (1996). Introduction to marine engineering (2. rd ed.). Butterworth-Heinemann.
12. Toh, WD., Xu, B., Jia, J., Chin, C.S., Chiew, J., & Gao, Z. (2017). Lithium iron phosphate (LiFePO4) battery power system for deepwater emergency operation. Energy Procedia, 143, 348-353. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.12.695
13. Tülek, E., & Altın, S. (2022). LiFePO4 bataryalarda güncel çalışmalar. Türk Mühendislik Araştırma ve Eğitimi Dergisi, 1(2), 108-119. https://izlik.org/JA68AS59XU
14. Vu, T. L., Ayu, A. A., Dhupia, J. S., Kennedy, L., & Adnanes, A. K. (2015). Power management for electric tugboats through operating load estimation. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 23(6), 2375-2382. https://doi.org/10.1109/TCST.2015.2399440.