År 2027 stävar en 200 meter lång färja med 1 800 passagerare ut från Köpenhamns hamn med kurs mot Oslo. Men det är inte en traditionell färja. I sitt inre döljer den banbrytande teknik: Bränslet är väte och det enda avgasutsläppet är vatten.
Färjor har drivits med bunkerolja eller dieselsörplande fyrtaktsmotorer i årtionden, men nu hotar klimatkrisen att tvinga de koldioxidspyende motorerna i pension.
I stället står en ny generation av vätedrivna bränsleceller redo att ta över arbetet med att driva fram fartygens propellrar.
Företaget bakom projektet heter Europa Seaways och består bland annat av rederiet DFDS, teknikföretaget ABB, fartygsdesignföretaget Knud E. Hansen och energiföretaget Ørsted. De ska driva världens största vätefärja reguljärt mellan Köpenhamn och Oslo.
"Vi måste komma bort från fossila bränslen och i stället använda bränslen som är klimatneutrala", förklarar Jakob Steffensen, innovationschef hos DFDS.
Tanken är att vätetekniken ska revolutionera skeppsindustrin och satsa på en klimatvänlig framtid, men det finns fortfarande en del moln vid horisonten som förhindrar en omedelbar implementering av tekniken.
Väte måste först utvinnas
I dag drivs fartyg främst av olika varianter och raffineringsgrader av olja. Denna oljeförbränning ger upphov till klimatskadliga gaser. Närmare bestämt kommer 2-3 procent av de utsläppta växthusgaserna världen över från den globala fartygsflottan, visar siffror från den Internationella hydrografiska organisationen.
Vi måste komma bort från fossila bränslen. Jakob Steffensen, innovationschef på rederiet DFDS
Inom branschen är man väl medvetna om problemet och överväger ett flertal alternativ – av vilka väte alltså är ett av de mest lovande.
Väte, eller hydrogen (H), är det vanligast förekommande grundämnet i universum, så i princip finns det massor av bränsle att fylla färjorna med. Men till skillnad från olja går det inte att pumpa upp vätet ur berggrunden och hälla det i tunnor.
Väte är nämligen nästan alltid förbundet med andra grundämnen som bildar nya molekyler – exempelvis vatten (H2O) eller metan (CH4).
Därför måste vätet först utvinnas. En av metoderna är att använda el för att spjälka upp vattnet i sina två beståndsdelar, väte och syre, i en reaktion kallad elektrolys.
Processen är energikrävande, och därför är planen att vätet till Europa Seaways ska tas fram med hjälp av el från vindkraftverken till havs utanför Köpenhamn, där elektrolysverket ska placeras.
När vätefärjans tankar, som totalt rymmer 44 ton väte, har fyllts på ska den kemiska energin i vätet omvandlas till elektrisk energi, som kan driva elmotorerna och därmed fartygets propellrar i vattnet.
Grön el tappar väte ur vatten
Processen att utvinna väte ur vatten kräver stora mängder energi, men med el från vindkraftverk eller solceller blir väteproduktionen klimatvänlig.
El spjälkar havsvatten
Renat havsvatten pumpas in i ett elektrolyskärl där el kopplas till två elektroder – en katod och en anod. Därmed spjälkas vattenmolekylerna och katoden attraherar väte medan anoden attraherar syre. Ett membran skiljer de två molekylerna åt.
Väte hamnar under tryck
Syremolekylerna avdunstar, men vätgasen fångas in och komprimeras under 350 ett tryck som är 350 gånger högre än atmosfärens och lagras i trycktankar. Till sist fylls vätet på vätefartygets bränsletankar, som rymmer totalt 44 ton väte.
Så kallade bränsleceller installeras på Europa Seaways och ska producera el med hjälp av tekniken protonbytesmenbran (på engelska "proton-exchange membrane" – PEM).
En PEM-bränslecell påminner om ett batteri. Cellen är försedd med två elektroder kallade en anod och en katod åtskilda av en så kallad elektrolyt. På anodsidan av cellen spjälkas varje väteatom i två vätejoner och två elektroner.
Vätejonerna kan löpa rakt genom elektrolyten och över till katoden, medan elektronerna spärras.
Därför löper elektronerna i stället via sladdar till ett batteri som laddas upp och kan driva elmotorerna ombord på fartyget.
Väte ska pressas ihop
Bränsleceller kan i dag typisk nå upp på mellan en och fem megawatt elektrisk effekt – en megawatt kan driva 500-700 hushåll beroende på förbrukningen. Men för Europa Seaways ska cellerna enligt planen prestera hela 23 megawatt.
Problemet med bränslecellerna är att de inte är särskilt effektive. För PEM-bränsleceller ligger effektiviteten i dag på omkring 50 procent. Det vill alltså säga att cirka bara hälften av energin i vätet omsätts till elektricitet, medan resten går förlorat i form av bland annat värme till omgivningarna.
Vätefartyg minimerar brus och utsläpp
Gamla fyrtaktsmotorer som förbränner fossila bränslen ska bytas ut mot bränsleceller som går på väte. På så sätt minskar utsläppet av koldioxid till noll och bruset minskar drastiskt.
Fartyget döljer stora vätetankar
I tankar under fartygets bildäck lagras vätet under ett tryck på omkring 350 gånger atmosfärens tryck. Tankarna kan tillsammans förvara 44 ton väte, vilket är tillräckligt för att driva fartyget de knappa 500 kilometerna från Köpenhamn till Oslo.
Bränsleceller alstrar el
Bränsleceller fungerar i princip som ett batteri. Varje väteatom förlorar en elektron och blir till en positivt laddad jon. Vätejoner kan passera genom barriär i bränslecellen, medan elektronerna spärras av och i stället löper ut i ett kretslopp som alstrar elektricitet.
El laddar batterier
Elektriciteten från bränslecellerna laddar upp batterier som består av flera skåp med många individuella battericeller. Batterierna fungerar som elbank för elmotorerna och kan driva fartyget ensamma om bränslecellerna inte är i gång.
Elmotorer driver propellern
Energin från bränsleceller och batterier förs till ett elskåp – ett slags transformator. Därefter förs elen längst bak i fartyget till en elmotor med en kylenhet, som alltid håller rätt temperatur i motorn. Rakt under motorn sitter styrningsenheten och under den fartygets propeller som driver fartyget framåt.
Forskare arbetar därför med så kallade keramiska bränsleceller (på engelska solid oxide fuel cells – SOFC), som använder ett keramiskt material som elektrolyt och kan uppnå en effektivitet på minst 60 procent.
En annan utmaning med väte är att gasen är ytterst brandfarlig och samtidigt kräver stort utrymme i förhållande till sin massa – ett kilo väte upptar exempelvis inte mindre än elva kubikmeter vid vanligt atmosfäriskt tryck.
För att en vätebil exempelvis ska kunna köra 100 kilometer, kräver den som tumregel exakt ett kilo väte. Men om en vätebil skulle använda väte vid atmosfäriskt tryck för att köra 500-600 kilometer, som är den vanliga räckvidden hos en traditionell bil, skulle det kräva en enorm bränsletank på 50 gånger 50 meter.
En av Norges största båtoperatörer, Norled, är också i färd med att utveckla väteteknik till sina fartyg.
En lösning är att kyla ned vätet till -250 grader Celsius, vilket gör det flytande så att det kräver mindre utrymme. Nedkylningen kräver dock stora mängder el och isolerade vätetankar.
Europa Seaways tillämpar en annan lösning: att pressa ihop vätet vid ett tryck som är 350 gånger högre än vid havsytan.
"Väte är svart att hantera, eftersom det måste pressas ihop så mycket för att vi ska kunna ta med det ombord. I dag har vi vanligtvis sex bränsletankar ombord, men med 350-bar (cirka 350 gånger atmosfäriskt tryck, reds. anm.) vätetankar kommer vi upp på över 1000 (tankar, reds. anm.). Det är mycket mer komplext", säger Jakob Steffensen.
Lösningen på den utmaningen blir att placera alla vätetankarna under det nedersta bildäcket ombord på färjan för att få plats med 44 ton väte.
Väte reducerar koldioxid
När Europa Seaways enligt planen stävar ut på sin jungfruresa vid 2027 ska upplevelsen ombord kunna jämföras med att byta från en fossilbil till en elbil, säger Jakob Steffensen.
"Du kommer fortfarande att höra fartygets rörelser i vattnet och du får fortfarande den maritima upplevelsen, men bruset från fartygets motorer kommer att vara mycket lägre", säger han.
VIDEO: Så fungerar vätetekniken
Här illustreras hur det är möjligt att använda väte till att driva framtidens fartyg. *Källa: SciShow*
Vätefärjan är en del av en större plan för rederiet DFDS och dess flotta på 60 fartyg: De ska reducera koldioxidutsläppen med 45 procent 2030 och vara helt klimatneutrala år 2050.
Och DFDS kan snart få sällskap av resten av fartygsbranschen. I ett frågeformulär utfört 2021 av advokatfirman Watson Farley & Williams svarade ledare från branschen att de uppskattar att bränsleceller till väte kommer att utgöra tio procent av den totala energikalkylen inom fem år, och att andelen sedan kommer att stiga till 18 procent under följande tio år.
Men vad branschens egna företrädare säger är en sak – och vad som faktiskt är realistiskt är en annan. Där kommer OECD-organisationen International Transport Forum (ITF) med konkreta, ganska optimistiska förslag för kommande årtionden.
Med väte – och andra alternativa bränslen som exempelvis ammoniak – kan fartygsbranschen reducera koldioxidutsläppen med ända upp till 95 procent år 2035 jämfört med i dag.
Fartyg som Europa Seaways kommer därmed att ombesörja en reduktion av koldioxidutsläpp som motsvarar en nedstängning av 185 kolkraftverk.