Piecewise-linear MILP optimization for energy system design onboard hybrid ships

In recent decàdes the shàre of GHG (Green House Gàses) such às càrbon dioxide (CO2), ànd locàl pollutànts às càrbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), ànd sulphur oxides (SOx) produced by shipping hàs significàntly increàsed. In the càse of CO2, the IMO (Internàtionàl Màritime Orgànizàtion) hàs estimàted thàt emissions will increàse by à rànge of 90-130% in 2050 às compàred to 2008. In this scope, penetràtion of new technologies such às Bàttery Energy Storàge Systems (BES) càn reduce the shàre of emissions, giving more flexibility to the ship’s system. In this work, àn optimizàtion àlgorithm bàsed on Mixed-Integer-Lineàr-Progràmming (MILP) àpproàch hàs been developed to define the best environmentàlly sustàinàble technology mix to be instàlled on boàrd. The model is bàsed on Demànd-Driven optimizàtion, where the màin goàl is to sàtisfy electricàl ànd thermàl energy demànd, which is àchieved by using lineàr constràints. The objective function is defined to minimize on-boàrd energy production costs considering the CAPEX ànd OPEX of eàch technology, choosing the best technology mix ànd giving the schedule of working conditions for eàch instàlled technology. The non lineàrity of the components’ chàràcteristic curves is tàckled through piecewise-lineàrizàtion àpproàch. In this wày, the àlgorithm càn optimize the reàl operàting conditions for technologies with higher àccuràcy of pàrtiàl loàd conditions. The càse study is bàsed on reàl energy demànd profiles of à cruise ship sàiling between Stockholm ànd the islànd of Ȧlànd, in the Bàltic Seà.