Sjöfartssektorn är kritisk för den globala handeln och står inför ett ökande tryck för att snabbt minska sitt koldioxidavtryck. Kredit:Ian Taylor via Unsplash
Det är full fart för den europeiska sjöfartsindustrin när en ny våg av ren energiteknik kommer att kasta utsläpp av växthusgaser överbord.
Även om sjöfarten är väsentlig för handeln, bidrar den avsevärt till de utsläpp som orsakar klimatförändringar. Global sjöfart spyr ut 3 % av världens växthusgaser (GHG). Med sjöfartsindustrin ansvarig för att transportera inte mindre än 90 % av världshandeln, ökar pressen på sektorn att snabbt minska sitt koldioxidavtryck.
"Internationell sjöfart på öppet hav är en av de största källorna till alla utsläpp i Europa", säger Syed-Asif Ansar, forskare vid German Aerospace Center, DLR.
Även om 3 % kanske inte verkar gigantisk i omfattning, betyder tillväxt i efterfrågan på sjöfart över hela världen att utsläppen till sjöss har accelererat snabbare än de flesta andra sektorer, säger han.
Utan åtgärder skulle sjöfarten kunna stå för 10 till 13 % av de globala utsläppen inom några decennier.
Övergångsbränsle
Idag är de flesta oceanfartyg och containerfartyg beroende av dieselmotorer för att generera elektricitet för att driva fartyget. Internationella sjöfartsorganisationen (IMO), FN:s organ som ansvarar för att reglera sjöfarten, har som mål att halvera utsläppen från havsfartyg till 2050. Detta kräver att industrin ställer in en kurs mot renare bränslen.
Ett tillvägagångssätt är att kasta diesel och styra mot flytande naturgas (LNG). LNG bildas när naturgas (metan) kyls från gasform till flytande form, vilket gör den 600 gånger mindre i volym. Detta gör det lättare att transportera och lagra. Öka temperaturen förvandlar den tillbaka till en gas.
Även om LNG fortfarande är ett fossilt bränsle, ingår det i EU:s taxonomi, som listar det som ett övergångsbränsle som kommer att underlätta övergången till förnybar energi inom en snar framtid.
Avskiljning av rök
År 2020 siktade Nautilus-projektet på att utveckla en ny typ av motor baserad på LNG som skulle halvera utsläppen av växthusgaser jämfört med diesel och helt ta bort dieselavgaser, som innehåller föroreningar som är skadliga för livet i havet och människors hälsa.
Nautilus-projektet har tagit sitt namn från det grekiska ordet för sjöman och bygger nu en speciell motor i DLR i Tyskland som ska köras på LNG.
Denna motor innehåller en bränslecell av fast oxid som förvandlar LNG till elektricitet - utan att bränna gasen - och sedan startar ett batteri. Bränslecellen och batteriet driver tillsammans fartyget. Mycket mer av den kemiska energin från gasen går till framdrivning än om den bara förbränns.
"Energiomvandlingen är inte förbränning, utan en elektrokemisk omvandling istället", säger Ansar, Nautilus projektledare. "Det är mycket mer effektivt."
Fasta oxidbränslen finns redan, men inte i den skala som används inom sjöfarten. De är tänkta att användas i kraftverk. Men den befintliga tekniken är för skrymmande för fartyg. "Vikten är inte det stora problemet på fartyg", sa Ansar, "men volymen är det."
Ocean liners
Tänk också på att en typisk oceanångare kräver 40 till 60 megawatt, ungefär samma strömförbrukning som en stad med cirka 10 000 hus. Som det ser ut kan leverantörer i Europa bara tillhandahålla bränslecellsenheter med fast oxid, mestadels under 10 kilowatt, en bråkdel av vad som behövs.
Nautilus-projektet har byggt stora bränsleceller på upp till 30 kilowatt, som sedan kombineras i buntar för att uppnå de 40 till 60 megawatt som krävs för fartyg.
Teamet siktar på att få certifierad testning på land 2024, med testning ombord 2026 och ett passagerarfartyg som drivs av motorn 2030.
Nästa steg blir då containerfartyget. De tänker stort. "Vi vill inte driva fartyg i nischapplikationer", sa Ansar. "Vi vill rikta in oss på elefanten i rummet, som är lastfartygen, stora passagerarfartyg och andra oceanfartyg."
Och eftersom LNG-kraft fortfarande genererar CO2 utsläpp, ser projektet också längre fram till när detta övergångsfossila bränsle kommer att ersättas av ett koldioxidsnålt alternativ.
Grön metan
Inledningsvis skulle bränslet blandas och sedan ersättas av en förnybar form av LNG, grön metan, genererad med sol- eller vindkraft. Grön metan tillför inte utsläpp till atmosfären.
For now, the ambition is to gradually replace diesel engines on ships with technology that taps into fuel cells, LNG and battery storage. Further challenges involve making the units robust enough for ocean voyages, of huge scale and able to operate under different loads.
But diesel and LNG are not the only options when it comes to powering ocean-going freighters and tankers. Another project seeks to clean up global shipping by embracing the potential of ammonia to energize the shipping industry.
Ammonia is widely used in the chemical industry and is best known as the key ingredient in fertilizer. Colorless and with a pungent smell, the fact that the ammonia molecule (NH3) is rich with hydrogen makes it perfect to adapt as a fuel. When used as a fuel, the only emissions are water, with no carbon present to make CO2 .
"There is a strong focus on ammonia as a possible alternative to fossil carbon fuel for propulsion," said Andrea Pestarino at RINA consulting in Italy, "But there is no commercial engine that can be installed right now onboard a ship." He coordinates the Engimmonia project, one of a number of initiatives worldwide seeking to tap ammonia to power shipping.
Energy dense
Ammonia is a relatively energy-dense means to store and transport green hydrogen generated by renewables. Liquid ammonia packs more energy into the same volume as liquid hydrogen, and can be stored at minus 33 degrees Celsius, as opposed to minus 253 degrees Celsius for hydrogen.
"Instead of storing hydrogen, you store ammonia," said Pestarino. In practice, this means you no longer need large pressurized tanks to store concentrated hydrogen gas, but can simply hold onto chilled liquid ammonia.
Nonetheless, care is needed to ensure no leakage, since ammonia is toxic and smelly. The project is tackling a further challenge; ensuring harmful nitrous oxide gases are scrubbed from exhaust fumes when ammonia is consumed.
It's the talk of the town in shipping circles. "Ammonia is currently seen as the most efficient way to decarbonize the shipping sector, especially propulsion," said Pestarino.
Green ammonia
Engimmonia is also out to transform technologies used on land into ship-shape tech ready for sea conditions. This requires strategies to recycle waste heat for electricity and air conditioning. There are also practical challenges such as where to fit solar panels onto container ships, which have very few free surfaces as they are designed today.
Suffice it to say the ammonia itself will need to be green ammonia, generated from renewable energy sources, in the same way that LNG will ultimately have to be replaced by green methane. At the moment, ammonia is not a carbon-free alternative because fossil-fuel energy is used in its creation.
Numerous initiatives are underway to navigate the shipping industry towards decarbonization, in line with the goals of the European Green Deal, a plan to make Europe the world's first climate neutral continent.
"We're bringing all the pieces of the puzzle together to make a viable system for the shipper," said Ansar. + Utforska vidare
