Techno-economic assessment and optimization of full-electric passenger vessels: the Iseo lake case study

The transport sector is responsible for one quarter of total greenhouse gas emissions in Europe. Transport electrification represents one of the possible strategies to cope with EU emission reduction plans. Among the hard-to-abate sectors is the maritime transport; however, in recent years several new electric vessels have been introduced and are now in operation. One last addition is represented by the new electric catamarans recently deployed on Lake Iseo. This thesis analyses the energy consumption profile of the catamarans which are obtained through an experimental data collection campaign carried out on multiple routes under real operating conditions. The obtained results are then compared with historical consumption data of diesel vessels operating on the same routes. The second part of this work focuses on the integration between the catamaran’s charging needs and the energy flows in Costa Volpino shipyard, which is equipped with a PV plant coupled with stationary BESS. For this reason, a Mixed Integer Linear Programming (MILP) optimisation model is developed to simulate the real architecture of the system, including its operational constraint and parameters. The model is then used to evaluate, among several time horizon, the impact of a smart charging strategy, which could reduce the overall energy supply costs in case of time-varying electricity prices. The results show that the implementation of such strategy can reduce total costs by approximately 10%. Finally, the same model was adapted to identify possible infrastructural improvements that can have the potential of reducing overall costs. The analysis suggests that the existing infrastructure is already correctly sized and does not require significant upgrades, except to mitigate future electricity price increases.

Il settore dei trasporti è responsabile di un quarto delle emissioni di gas climalteranti in Europa. L'elettrificazione rappresenta una delle strategie applicabili per soddisfare gli obiettivi comunitari di riduzione delle emissioni. Tra i settori considerati complessi da decarbonizzare (hard-to-abate) vi è quello della navigazione; tuttavia, negli ultimi anni nuovi battelli elettrici sono stati introdotti e sono già in servizio. Tra questi, vi sono i catamarani elettrici recentemente entrati in servizio sul lago d'Iseo. La presente tesi fornisce un'analisi dei profili di consumo energetico dei catamarani ottenuti attraverso una campagna sperimentale di raccolta dati su diverse tratte e in condizioni di esercizio reale. I risultati sono poi confrontati con i consumi storici registrati da battelli diesel sulle stesse tratte. Una seconda parte del lavoro di tesi riguarda uno studio sulla ricarica dei catamarani e la sua integrazione con i flussi energetici del cantiere navale di Costa Volpino, dotato di impianto fotovoltaico e sistemi di accumulo. Per tale scopo è stato sviluppato un modello di ottimizzazione MILP (Mixed Integer Linear Programming) in grado di rappresentare l’architettura del sistema reale con tutti i suoi vincoli e parametri. Il modello è stato utilizzato per valutare, su diversi orizzonti temporali, gli effetti di una strategia di ricarica intelligente (smart charging), la quale riduce i costi complessivi di approvvigionamento energetico in caso di prezzi tempo-varianti. I risultati ottenuti mostrano una riduzione dei costi complessivi attorno al 10%. Infine, il modello è stato adattato per determinare quali siano i possibili potenziamenti infrastrutturali in grado di migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema. Viene evidenziato come l’impianto esistente risulti già correttamente dimensionato e non necessiti di significativi ampliamenti, se non in funzione di futuri aumenti dei costi energetici.