Electrification of Short-Haul Ferries: Modelling Battery Degradation, Lifetime, and Total Cost of Ownership
Author
Baditz, Mate
Term
4. semester
Education
Publication year
2026
Submitted on
2026-05-30
Pages
55
Abstract
Electrifying short-haul ferries can cut emissions and running costs, but batteries remain the key technical and economic bottleneck because their lifetime, cost, and degradation shape feasibility. This thesis develops a simulation framework to assess battery degradation, lifetime, and total cost of ownership (TCO) for fully electric ferries, demonstrated on a baseline derived from the Esbjerg-Fanø route in Denmark. The framework links four elements: a synthetic vessel power-profile generator, an energy-based battery performance model, a semi-empirical aging model covering both cycle and calendar effects, and a techno-economic cost model. Over a 10-year horizon, a parametric study examines how battery size, daily trip frequency, propulsion power demand, and adverse weather affect state of health, replacement needs, and TCO. In the baseline (1107 kWh battery, 15 trips/day), end of life at 80% state of health occurs after 6.5 years, requiring one replacement within 10 years. Under the assumed inputs, none of the electrification scenarios breaks even with a diesel-electric reference in the period: the baseline electric TCO is 3.28 M€ versus 2.48 M€ for diesel. Utilization is the dominant lever: increasing trips by 40% narrows the TCO gap by 31%, while decreasing trips by 40% widens it by 81%. Battery oversizing shows diminishing lifetime gains (40% capacity adds 32% life, to 8.6 years) due to calendar aging, and greater adverse-weather exposure has only a marginal impact (about 1.5% lifetime reduction and less than 4% change in the 10-year TCO difference). All investigated electric options enable near carbon-neutral operation when charged from renewable sources. The framework offers a transparent, adaptable tool to support early-stage decisions on ferry electrification.
Elektrificering af kortdistanceruter kan reducere udledninger og driftsomkostninger, men batterier er fortsat det centrale tekniske og økonomiske knudepunkt, fordi levetid, pris og nedbrydning styrer realiserbarheden. Denne afhandling udvikler en simuleringsramme til at vurdere batterinedbrydning, levetid og totalomkostninger (TCO) for fuldt elektriske færger, demonstreret på et baseline-setup afledt af ruten Esbjerg-Fanø i Danmark. Rammen kobler fire elementer: en syntetisk generator af fartøjers effektprofiler, en energibaseret batteriydelsesmodel, en semi-empirisk aldringsmodel der omfatter både cyklus- og kalenderaldring, samt en tekno-økonomisk omkostningsmodel. Over en 10-årig periode gennemføres en parametervariation, der undersøger betydningen af batteristørrelse, daglig turfrekvens, fremdrivningseffekt og udsættelse for dårligt vejr for batteriets tilstand, udskiftningsbehov og TCO. I baseline (1107 kWh batteri, 15 ture/dag) nås slutningen af levetid ved 80% SoH efter 6,5 år, hvilket kræver én udskiftning inden for 10 år. Under de antagne forudsætninger når ingen elektrificeringsscenarier økonomisk break-even med diesel-elektrisk drift i perioden: den elektriske TCO er 3,28 mio. € mod 2,48 mio. € for diesel. Udnyttelse er den mest styrende faktor: 40% flere ture reducerer TCO-gabet med 31%, mens 40% færre ture øger det med 81%. Oversizing af batteriet giver aftagende levetidsgevinster (40% større kapacitet forlænger levetiden med 32% til 8,6 år) pga. kalenderaldring, og mere dårligt vejr har kun marginal effekt (ca. 1,5% kortere levetid og under 4% ændring i 10-års TCO-forskellen). Alle undersøgte elektriske løsninger muliggør nær CO2-neutral drift ved opladning fra vedvarende energi. Rammen er et transparent og fleksibelt beslutningsværktøj til den tidlige planlægning af færgeelektrificering.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]