Utfordringen er å utvikle brenselsceller som kan drive store skip. Her tror de at de skal lykkes

Hybridlaboratoriet som NTNU, Sintef Ocean og ABB etablerte i 2014, bygges om for å finne ut hvordan brenselcelleteknologien kan skaleres og tilpasses store skip, både for gods- og passasjerfrakt.

Forskningsarbeidet begynner med en brenselcelle på bare 30 kW (kilowatt). Den skal brukes til å modellere drift og kontroll av et komplett maritimt kraftsystem i et MW-skala (megawatt) framdriftssystem.

Forskningssjef Anders Valland ved Sintef Ocean, avdeling for maritime energisystemer, sier at laboratorietestene omfatter mer enn bare teknisk oppskalering av brenselcelle- og batterikombinasjon.

Integrasjon

– Sintef-systemet bidrar også til forskning og utvikling av hydrogenforsyning og infrastruktur. Testlaboratoriet gir ABB og Sintef Ocean mulighet til å øke kompetansen på integrasjon, kontroll og sikkerhet med brenselcelleteknologi i maritime applikasjoner, sier Valland.

ABB har jobbet med brenselcelleteknologi i lengre tid. Produktsjef for energilagring og brenselceller i ABB, Jostein Bogen, sier at brenselcelleteknologien modnes raskt.

– Vi forventer at testingen fører til en brenselcelleplattform å bygge videre på, slik at teknologien kan bli konkurransedyktig mot fossilt drivstoff, sier Bogen.

Lab-velsignelse

Han mener at hybridlaboratoriet gir store fordeler for å komme raskere i mål.

– Å identifisere ukjent oppførsel og håndtere slike utfordringer i kontrollerte omgivelser, istedenfor å risikere overraskelser om bord på skip, blir sentralt i forsøkene, sier Bogen.

ABB og brenselcelleprodusenten Ballard har i over ett år jobbet med et 100 kW brenselcelleanlegg for cruiserederiet RCCL. Planen var at det skulle settes om bord i ett av de største cruiseskipene, ett i Oasis-klassen, tidlig i 2018. Det står fortsatt på land. Men der fungerer det godt.

Går smått

Direktør for miljø, helse og sikkerhet i RCCL, Nicholas Rose, sier til TU at det er mange regelverks- og sikkerhetsaspekter som må avklares før de kan begynne «live testing».

– Det har dessverre tatt lengre tid enn beregnet. Planen er fortsatt å få satt en 100 kW brenselscelle om bord. Men passasjersikkerheten må være 100 prosent. Vi snakker om gass, og vi må ha en sikker og trygg plassering av tanker og anlegg, sier Rose.

Tro og håp

Ett av problemene er at alt utstyr som er knyttet til brenselcelleanlegget, må sikres som om det er gass, og dermed eksplosjonsfare. Det betyr at el-anlegg må være ex-sikret og slukkeutstyr beregnet på gass.

– Det må til mer omfattende tiltak enn vi først tenkte oss, sier Rose.

Han har absolutt tro på at brenselceller kan bli et nyttig supplement, men neppe til framdrift i overskuelig framtid.

– Får vi anlegget på 100 kW til å fungere, skal det være relativt greit å skalere opp teknologien, sier Rose til TU.

Han påpeker at et cruiseskip av en viss størrelse er på ca. 10 MW og at 6 MW brukes til framdrift.

– Brenselceller vil i første omgang brukes på hotellast, sier han til TU.

Tyske prosjekter

I tillegg til RCCL og ABB/Ballards arbeid med å få om bord et 100 KW-anlegg, er cruisekonkurrenten Carnival engasjert i et annet forskningsprosjekt basert på en 300 kW-celle.

Carnival deltar i et tysk-ledet forskningsprosjekt, Pa-X-ell2 Fuel Cell Technology. Målet er å utvikle brenselcelleteknologi til maritimt bruk. Det startet opp i 2009. Nå er et 300 kW-anlegg snart klar for sjøtester.

Ifølge Carnival er det lenge til brenselcelleteknologien er kommet så langt at det kan ta en vesentlig del av hotellasten. Rederiet opplyser at trenger effekter på mellom 3 og 10 MW til hotelldrift alene.

Meyer Werft i Tyskland er også engasjert i Pa-X-ell2 Fuel Cell-forskningen. Heller ikke verftet ser hydrogen og brenselceller som godt nok utviklet foreløpig.

Alle løper i samme retning

Så å si alle leverandører av brenselceller er i gang med prosjekter for marinisering av teknologien.

Hydrogenics i Tyskland er blant dem. Direktør for forretningsutvikling, Mark Kammerer, skriver i en epost til TU at selskapet deltar i mange utviklingsprosjekter med en rekke aktører.

– Vi kan ikke låse oss til en partner og love eksklusivitet. Vi er åpne for samarbeid med mange parallelt, skriver han.

Hydrogenics hevder å ha velfungerende 100 kW-celler for tunge kjøretøy og tog. Anlegg i MW-klassen og stasjonære systemer er utviklet og klare for bruk. Teknologien kan nå tilpasses for skip, hevder selskapet.

Hurtigbåt i USA

Hydrogenics inngikk i juni i år kontrakt om levering av brenselceller til Golden Gate Zero Emission Marine (GGZEM).

Det amerikanske selskapet fikk i sommer bevilget tre millioner dollar i støtte fra California Air Resource Board for å bygge verdens første nullutslipps hurtigbåt.

Hydrogenics, som har hovedkontor i Canada, skal levere flere 360 kW brenselcelle-moduler, koblet til litium-ione batteripakker. Det er imidlertid ikke oppgitt samlet effekt eller batteripakkestørrelser.

GGZEM har tidligere annonsert at hurtigbåten skulle være klar til midten av 2019 og ha 2x300 kW-motorer og to 100 kWh-batteripakker. Hydrogen skulle etter planen lagres i 264-kilos tanker under 3250 bars trykk. Det skal holde til to dagers drift.

Fornybart fra A til Å

Når hydrogen benyttes som drivstoff vil protonutvekslende membran brenselceller (PEM) separere elektroner og protoner, med protoner som passerer gjennom mens elektronene gir elektrisitet. Hydrogen konverteres direkte til elektrisitet og varme uten forbrenning. PEM brenselceller arbeider på lavere temperatur, er lettere og mer kompakte enn sine fast-oksid brenselcelle-brødre.

Ifølge Jostein Bogen i ABB, blir batteriløsninger sentrale for å møte Norges krav om nullutslippsanløp i verdensarvfjorder fra 2026.

Han tror ikke store skip som går over lange distanser trenger å vente til 2050 med utslippsfri produksjon av strøm, varme og rent vann.

– Ved å bruke fornybar energi for å produsere hydrogen til brenselceller og batterilagring, blir hele energikjeden ren, sier han.

Framdrift

ABB og Sintef Ocean har som mål å fine ut hvordan man kan forbedre kontroll av brenselcelleanlegg i kombinasjon med energilagring og optimalisering av effektivitet, pålitelighet og levetiden for brenselceller.

ABB ser ikke noe problem i å benytte brencelceller også til framdrift om noen år.

– Vi jakter på avgjørende og praktiske løsninger for å utvikle brenselcelleteknologi som hovedkilde for fremdrift av skip, forteller Kristoffer Dønnestad, forsknings- og utviklingsingeniør ved ABB.

– Forskningen er ikke begrenset til flyt og håndtering av drivstoffet, det vil si hydrogen, men tar også for seg hvordan et hydrogenskip med bunkringsinfrastruktur kan se ut.

Laboratoriet i Trondheim har spilt en nøkkelrolle i ABBs forskning. Det byr på detaljer for innovasjon, og bidrar til utvikling av de mest avanserte maritime teknologier, inkludert likestrøms kraftsystemet ABB Onboard DC Grid.