Feasibility assessment of retrofitting ships with fuel cell-based hybrid systems to decarbonize the domestic maritime sector

Waterborne transport is a vital conduit for the economy globally and inside the European Union (EU), however, it contributes to 3% of the EU's carbon dioxide emissions and 14.33% of transport-related greenhouse gas emissions. To make waterborne transport more sustainable and energy efficient, retrofitting diesel-powered ships with advanced power systems is essential. In this context, the interest in high-efficiency and low-emission fuel cell technology for maritime applications has been rising during the last decade. As part of the thesis, a comparative review of the fuel cell systems suitable for maritime applications was conducted, with a focus on the most promising types for ships, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). The thesis contributes to the growing body of knowledge by developing a multi-aspect assessment framework for retrofitting ships with fuel cell-based hybrid systems, as well as other advanced power systems. This framework integrates energy, technical, economic, environmental, and sensitivity assessments to identify the most feasible power system to be implemented on board. The first part of the thesis examines two case studies, a short-sea passenger ferry and a port tugboat. Different types of solutions (PEMFC, SOFC, internal combustion engine (ICE), and batteries) and fuels (hydrogen, ammonia, natural gas, and methanol) are investigated to identify the most feasible technology according to different criteria. For the passenger ferry, PEMFC powered by hydrogen emerged as the most feasible solution for the identified endurance time, offering compatibility with the weight and volume requirements compared to other alternative solutions. The full battery system and PEMFC system powered by hydrogen demonstrated superior energy efficiency, technical feasibility, environmental sustainability, and lower costs compared to SOFC-based systems. The tugboat analysis identified hybrid systems, particularly the hydrogen PEMFC-battery hybrid system, as the most balanced solution to guarantee zero-emission propulsion while achieving optimal energy efficiency, technical feasibility, and economic performance compared to other solutions. These findings underscore the potential of fuel cell-based hybrid systems in decarbonizing port-operating vessels. The second part of the thesis explores an innovative hybrid system based on the integration of SOFC with ICE on two RoPax ferries (Island and lake ferries). Through on-design and off-design analyses, the study identifies the innovative integration between turbocharged SOFC and ICE as an attractive configuration with a 20% SOFC power share as optimal, achieving a system efficiency of up to 53.2%. This configuration is investigated in detail through a 0D model developed using the in-house software WTEMP and a more detailed 1D model developed in the MATLAB-Simulink environment. The analysis demonstrates significant fuel savings and efficiency gains, particularly for vessels with high port operation hours, such as the Island ferry. The techno-economic analysis results reveal that while this hybrid system incurs higher capital costs, its operational benefits and efficiency improvements make it a competitive option for vessels with substantial daily operating profiles. The thesis findings offer scalable insights into wider maritime applications as well as a methodology for retrofitting ships for zero-emission operations.

Il trasporto marittimo rappresenta un canale vitale per l’economia a livello mondiale e all’interno dell’Unione Europea (UE), tuttavia contribuisce al 3% delle emissioni di CO2 dell’UE e al 14,33% delle emissioni di gas serra legate ai trasporti. Per rendere il trasporto marittimo più sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico, è essenziale retrofitting le navi alimentate a diesel di sistemi innovativi. In questo contesto, l'interesse per la tecnologia delle celle a combustibile ad alta efficienza e basse emissioni per applicazioni marittime è aumentato nell'ultimo decennio. Come parte della tesi, è stata condotta una revisione comparativa dei sistemi di celle a combustibile adatti per applicazioni marittime, con un'attenzione ai tipi più promettenti per le navi, celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC) e celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC). La tesi contribuisce al crescente corpus di conoscenze sviluppando un quadro di valutazione multi-aspetto per il retrofitting delle navi con sistemi ibridi basati su celle a combustibile e altri sistemi di alimentazione avanzati. Questo quadro integra valutazioni energetiche, tecniche, economiche e di sensibilità per identificare il sistema di alimentazione più fattibile da implementare a bordo. La prima parte della tesi esamina due casi di studio, un traghetto passeggeri a corto raggio e un rimorchiatore portuale. Vengono esaminati diversi tipi di soluzioni (PEMFC, SOFC, motore a combustione interna (ICE) e batterie) e combustibili (idrogeno, ammoniaca, gas naturale e metanolo) per identificare la tecnologia più fattibile in base a diversi criteri. Per il traghetto passeggeri, PEMFC alimentato a idrogeno è emerso come la soluzione più fattibile per il tempo di resistenza identificato, offrendo compatibilità con i requisiti di peso e volume rispetto ad altre soluzioni alternative. Il sistema a batteria completa e il sistema PEMFC alimentato a idrogeno hanno dimostrato un'efficienza energetica superiore, fattibilità tecnica, sostenibilità ambientale e costi inferiori rispetto ai sistemi basati su SOFC. L'analisi del rimorchiatore ha identificato i sistemi ibridi, in particolare il sistema ibrido PEMFC-batteria, come la soluzione più equilibrata per garantire una propulsione a zero emissioni, ottenendo al contempo efficienza energetica, fattibilità tecnica e prestazioni economiche ottimali rispetto ad altre soluzioni. Questi risultati sottolineano il potenziale dei sistemi ibridi basati su celle a combustibile nella decarbonizzazione delle navi portuali. La seconda parte della tesi esplora un innovativo sistema ibrido basato sull'integrazione di SOFC con ICE su due traghetti RoPax (traghetti Island e Lake). Attraverso analisi on-design e off-design, lo studio identifica l'innovativa integrazione tra SOFC turbocompresso e ICE come una configurazione interessante con una quota di potenza SOFC del 20% come ottimale, ottenendo un'efficienza del sistema fino al 53,2%. Questa configurazione è studiata in dettaglio attraverso un modello 0D sviluppato utilizzando il software interno WTEMP e un modello 1D più dettagliato sviluppato nell'ambiente Matlab-Simulink. L'analisi dimostra significativi risparmi di carburante e guadagni di efficienza, in particolare per le navi con elevate ore di operatività portuale, come il traghetto Island. I risultati dell'analisi tecnico-economica rivelano che mentre questo sistema ibrido comporta costi di capitale più elevati, i suoi vantaggi operativi e i miglioramenti dell'efficienza lo rendono un'opzione competitiva per le navi con sostanziali profili operativi giornalieri. I risultati della tesi offrono approfondimenti scalabili su applicazioni marittime più ampie, nonché una metodologia per il retrofitting delle navi per operazioni a zero emissioni.