Ska knäcka vätgaskoden

Så sent som i februari i år beställde Gotlandsbolaget sin nya katamaran, Gotland Horizon X från det australiensiska varvet Austal Limited, ett fartyg som kommer att utrustas med både gasturbiner och ångturbiner.

–Den fysiska produktionen av fartyget drar igång i början av nästa år så just nu är vi i ett otroligt intensivt arbete med detaljkonstruktion och ritningsgranskning ner på smådetaljer, säger Mikael Razola, Head of Gotland Tech Development som arbetat fram konceptet.

Vätgas den bästa långsiktiga lösningen

Gotlandsbolaget har som mål att erbjuda fossilfria överfarter till Gotland senast år 2045 och för att nå dit har de bedömt att vätgas är den bästa långsiktiga lösningen. Målsättningen för Gotland Horizon X är också vätgasdrift, men fartyget kommer initialt att byggas med en multi fuel-lösning där hjärtat i designen är gasturbiner i kombination med ångturbiner i det som kallas combined cycle.

– När fartyget levereras under 2028 kommer det att gå på LNG eller biogas. Men gasturbinen är möjlig att köra på vätgas också, säger Mikael Razola.

Gasturbiner är vanliga i industrin. Tekniken liknar en flygplansmotor där luft sugs in i ena änden och sedan komprimeras i en kompressor. Den trycksatta luften förs sedan vidare till en brännkammare där bränslet strömmar in och antänds. Förbränningen driver turbinen som i sin tur driver en mekanisk axel som är kopplad till en generator eller direkt till propelleraxeln via en växel. Fartygets ångturbin tar sedan vara på restenergin, alltså vattenångan som uppstår vid förbränningen och producerar el till fartyget.

–Fartygets hjärta och kärna, alltså framdrivningsmaskineriet är förberett för att kunna köras på vätgas. Sedan finns det aspekter runt som gör att vi inte kommer att kunna köra på vätgas från dag ett, bland annat hänger det ihop med att vi ska kunna lagra vätgasen ombord och kunna bunkra på ett säkert sätt. Men vi har allokerat det utrymme som vi tror behövs för vätgastankar. Vi gör oss redo för detta och väntar inte, säger Mikael Razola.

Söker tre lösningar 

Det är framför allt tre utmaningar med vätgasen som Gotlandsbolaget arbetar för att lösa, dels tillgången på grönt framställd vätgas, säkerheten samt hur bunkringen ska gå till. För att hitta lösningar har rederiet under de senaste åren samarbetat tätt med Uppsala universitet Campus Gotland i flera större forskningsprojekt med fokus på försörjningssystem för vätgas till sjöfarten. Björn Samuelsson är forskare på Institutionen för samhällsbyggnad och industriell teknik och har inriktat sig på just vätgas.

–I vår forskning fokuserar vi just nu på försörjningssystemet, från själva produktionen av den gröna vätgasen till hur den ska lagras, transporteras, hanteras i hamnen och sedan bunkras ombord på fartyget, säger han.

Eftersom vätgasen kräver mycket volym vill man producera den så nära hamnen som möjligt eftersom det saknas utbyggd infrastruktur och pipelines för att flytta den. Tanken är att använda grön el från vindkraft för att omvandla till vätgas genom det som kallas för elektrolys.

–Det innebär att man delar vatten till syre och väte. Sedan låter vi vätet reagera med syre ombord på fartyget igen och då får vi tillbaka vatten och en väldig massa energi. Det är ett väldigt cirkulärt system, säger han.

Ingen ny teknik

Vätgas används inom industrin i stor skala, men då är den oftast framställd utifrån fossil naturgas. Att göra det genom elektrolys är dock inget nytt.

–Det har varit känt sedan sekelskiftet 1700-1800-talet, men det har inte funnits någon anledning att använda den tekniken eftersom vi haft andra energikällor, säger han. 

Vätgasen kan användas antingen i gasform eller i flytande form, båda har sina utmaningar. Flytande vätgas har fem gånger så hög energitäthet som den gasformiga, men kräver att man kyler ner den till  -252 grader,  en process som i sig är mycket energikrävande.

–I Europa har vi nästan ingen erfarenhet av flytande vätgas. Det är mest Nasa och SpaceX i USA som använder det i större skala, säger Björn Samuelsson. 

Ska kunna bunkras på bara 45 minuter

Gasform är på vissa sätt enklare att hantera och är också det som är forskarnas huvudspår för Gotland -Horizon X. Nackdelen är att det tar mer plats och kräver att fartyget bunkras efter varje resa, vilket innebär att processen ska kunna genomföras på bara 45 minuter. Det är en av de största tekniska utmaningarna.

–Vi behöver flytta 16 ton vätgas på den tiden under högt tryck. Det är ungefär 1.000 kubikmeter, vilket är mycket.

Men utmaningen är större än så. När trycket höjs ökar också vätgasens temperatur. Dessutom expanderar vätgasen när den sprutas in i bränsletankarna, vilket ökar temperaturen ytterligare. Det riskerar att göra så att temperaturen blir högre än de 85 grader som är gränsen för tankarnas kompositmaterial.

–Det är på håret att det kommer att gå, så vi behöver nog ha någon typ av kylning och det kostar också energi. 

För att kunna pumpa så fort krävs att den dubbla mängden vätgas lagras i hamnen för att hålla uppe trycket.

–Det gör att myndigheterna kommer kräva en riskanalys som jag tror vi kan hantera. Men det är mycket energi som måste förvaras. Det handlar om kanske 3.000 kubikmeter gas, vilket tar mycket plats, säger han. 

En lösning skulle kunna vara att borra 900 meter djupa borrhål, vilket skulle lösa utrymmesfrågan i hamnen.

–Då blir även säkerhetsfrågan enklare, men det blir dyrt. Väldigt dyrt, säger Björn Samuelsson.

Gotlandsforskarna snart redo att göra tester  

Att knäcka vätgasens utmaningar för sjöfarten i större skala är dock inget som görs av en ensam aktör. Björn Samuelsson och hans forskargrupp på tre personer i Visby är inte ensamma i sitt arbete. De samarbetar med både industri och näring, samt andra universitet för att lösa knutarna, men också DNV, Rise och IVL. Under våren och sommaren ska de bena ut en framkomlig väg för vätgasbunkringen av Gotland Horizon X utifrån fem möjliga spår.

–Nu är det dags att vara kritiska och ta reda på vad som kommer att funka och inte och i så fall varför. Det handlar verkligen om att söka felen, säger han.

Ännu handlar det mesta om teoretiska prövningar, men när de valt väg framåt väntar mer konkret arbete. 

–När vi mejslat fram lösningen som vi tror på ska det byggas en testanläggning där vi ska utföra tester. Om något halvår räknar vi med att kunna göra materialtester för att se vad som händer när vi utsätter olika material för vätgas, gör de här tryckökningarna och temperaturcyklerna, säger han.

Tror på vätgas till 2030

Forskningen får finansiering via Trafikverkets branschprogram Hållbar Sjöfart med ungefär 3,5 miljoner kronor, samt genom en donation från Gotlandsbolaget i höstas som finansierar en forskartjänst i två år.

Även om alla aspekter måste vara i hamn utifrån teknik, ekonomi och säkerhet, så tror Björn Samuelsson på vätgas för Gotlandstrafiken inom bara fem år.

–Jag är optimist och skulle säga att under 2030 kommer vi att kunna köra delvis på vätgas eftersom det går att blanda den med LNG och biogas. När vi sedan börjar närma oss en bit in på 2030-talet kommer vi nog kunna se den första turen som går på 100 procent vätgas, säger han.