I 2027 stævner en 200 meter lang færge med 1800 passagerer ombord ud fra Københavns havn med kurs mod Oslo. Men det er ikke en traditionel færge. I sit indre gemmer den en banebrydende teknologi: Brændstoffet er brint, og den eneste udstødning er vand.
Færger har sejlet på bunkerolie eller dieselslubrende firetaktsmotorer i årtier, men nu truer klimakrisen de CO2-spyende motorer med en tvungen pension.
I stedet står en ny generation af brintdrevne brændselsceller klar til at overtage arbejdet med at drive skibenes skruer frem.
Selskabet bag projektet hedder Europa Seaways og består blandt andet af rederiet DFDS, teknologivirksomheden ABB, skibsdesignvirksomheden Knud E. Hansen og energiselskabet Ørsted. De vil sende verdens største brintfærge i fast rutefart mellem København og Oslo.
“Vi er nødt til at gå væk fra fossile brændstoffer og i stedet sejle på brændstoffer, som er klimaneutrale,” forklarer Jakob Steffensen, som er innovationschef hos DFDS.
Brintteknologien skal efter planen revolutionere skibsindustrien og sætte skruen i vandet mod en klimavenlig fremtid, men der er stadig nogle lavthængende skyer i horisonten, der skygger for at implementere teknologien med det samme.
Brint skal først udvindes
I dag sejler skibe primært på forskellige afarter og raffineringsgrader af olie. Olieafbrænding skaber klimaskadelige gasser. Nærmere bestemt stammer 2-3 pct. af de udledte drivhusgasser på verdensplan fra den globale skibsflade, viser tal fra Den Internationale Maritime Organisation.
Vi er nødt til at gå væk fra fossile brændstoffer. Jakob Steffensen, innovationschef hos rederiet DFDS
Branchen er selv klar over problemet og overvejer en stribe alternativer – hvoraf brint altså et af de mest lovende.
Brint, eller hydrogen (H), er det mest udbredte grundstof i universet, så i princippet er der masser af brændstof at fylde på færgerne. Men i modsætning til olie er det ikke muligt at pumpe brinten op fra undergrunden og putte den i tønder.
Brint er nemlig næsten altid bundet sammen med andre grundstoffer for at danne nye molekyler – fx vand (H2O) eller metan (CH4).
Derfor skal brinten først udvindes. En af metoderne er at bruge strøm til at splitte vand op i sine to bestanddele, brint og ilt, i en reaktion kaldet elektrolyse.
Processen er energikrævende, og derfor er planen også, at brinten til Europa Seaways skal laves ved hjælp af strøm fra havvindmøller tæt på København, hvor elektrolyseværket bliver placeret.
Når brintfærgens tanke, som i alt kan rumme 44 tons brint, er fyldt op, skal den kemiske energi i brinten omdannes til elektrisk energi, der kan drive elmotorerne og dermed skibsskruen i vandet.
Grøn strøm tapper brint fra vand
Processen med at udvinde brint fra vand kræver store mængder energi, men med strøm fra vindmøller eller solceller bliver brintproduktionen klimavenlig.
Strøm splitter havvand
Renset havvand bliver pumpet ind i et elektrolysekar, hvor strøm sættes til to elektroder – en katode og en anode. Dermed bliver vandmolekylerne spaltet, og katoden tiltrækker brint, mens anoden tiltrækker ilt. En membran adskiller de to molekyler.
Brint kommer under tryk
Iltmolekylerne fordamper, men brintgassen bliver indfanget og komprimeret under 350 gange højere tryk end atmosfærisk tryk og lagret på tryktanke. Til sidst bliver brinten fyldt på brintskibets brændstoftanke, som kan rumme i alt 44 tons brint.
Såkaldte brændselsceller bliver installeret på Europa Seaways og skal producere strøm ved hjælp af teknikken proton-exchange membrane (PEM).
En PEM-brændselscelle minder om et batteri. Cellen er forsynet med to elektroder kaldet en anode og en katode adskilt af en såkaldt elektrolyt. På anodesiden af cellen bliver hvert brintatom splittet op i to brint-ioner og to elektroner.
Brint-ionerne kan løbe direkte igennem elektrolytten og over til katoden, men elektrolytten spærrer samtidig for elektronerne.
Elektronerne løber derfor i stedet via ledninger ud til et batteri, som bliver ladet op og kan drive elmotorerne ombord på skibet.
Brint skal presses sammen
Brændselsceller kan i dag typisk nå op på mellem en og fem megawatt elektrisk effekt – en megawatt kan drive 5-700 husholdninger alt efter deres strømforbrug. Men til Europa Seaways skal cellerne efter planen yde hele 23 megawatt.
Problemet med brændselscellerne er, at de ikke er særlig effektive. For PEM-brændselsceller ligger effektiviteten i dag på omkring 50 procent. Det vil altså sige, at kun cirka halvdelen af energien i brinten bliver omsat til elektrisk strøm, mens resten går tabt i form af bl.a. varme til omgivelserne.
Brintskib minimerer støj og udledning
Gamle firetaktsmotorer, der forbrænder fossile brændstoffer, skal udskiftes med brændselsceller, der kører på brint. På den måde falder udledningen af CO2 til nul, og støjen daler drastisk.
Skibet gemmer store brinttanke
I tanke under skibets nederste bildæk bliver brinten lagret under et tryk på omkring 350 gange atmosfærisk tryk. Tankene kan tilsammen opbevare 44 tons brint, hvilket er nok til at drive skibet de knap 500 km fra København til Oslo.
Brændselceller laver strøm
Brændselsceller fungerer i princippet som et batteri. Hvert brintatom mister en elektron og bliver til en positivt ladet ion. Brint-ionerne kan passere gennem en barriere i brændselscellen, men elektronerne kan ikke og løber i stedet ud i et kredsløb som elektrisk strøm.
Strøm lader batterier
Strømmen fra brændselscellerne oplader batterier, som består af flere skabe med mange individuelle battericeller. Batterierne fungerer som strømbank for elmotorerne og kan drive skibet alene, hvis brændselscellerne ikke er i gang.
Elmotorer driver skruen
Energien fra brændselsceller og batterier bliver ført til et elskab, en slags transformator. Derefter bliver strømmen ført allerbagerst i skibet til en elmotor med en køleenhed, der altid holder motoren i rette temperatur. Lige under motoren sidder styringsenheden og derunder skibets skruer, der driver skibet fremefter.
Forskere arbejder derfor på de såkaldte solid oxide fuel cells (SOFC), der benytter et keramisk materiale som elektrolyt og kan opnå en effektivitet på mindst 60 procent.
En anden udfordring med brint er, at gassen er yderst brandfarlig og samtidig fylder meget i forhold til sin masse – 1 kg brint fylder fx hele 11 kubikmeter ved almindeligt atmosfærisk tryk.
Hvis en brintbil fx skal kunne køre 100 kilometer, kræver den som tommelfingerregel netop 1 kg brint. Men hvis en brintbil skulle bruge brint ved atmosfærisk tryk til at køre 5-600 km, som en traditionel bils rækkevidde typisk er, ville det kræve en gigantisk brændstoftank som måler 50 meter på hver led.
En af Norges største bådoperatører, Norled, er også på vej med en brintteknologi til sine skibe.
Én løsning er at køle brinten ned til -250 grader celsius, hvilket gør den flydende og får den til at fylde mindre. Nedkølingen kræver dog store mængder strøm og isolerede brinttankene.
Europa Seaways udnytter en anden løsning: at presse brinten sammen ved et tryk, som er 350 gange højere end ved havoverfladen.
“Brint er svært at have med at gøre, fordi det skal presses så meget sammen, før vi kan have det med ombord. I dag har vi typisk seks brændstoftanke ombord, men med 350-bars (ca. 350 gange atmosfærisk tryk, red.) brinttanke kommer vi op på den anden side af 1000 (tanke, red.). Det er langt mere komplekst,” siger Jakob Steffensen.
Løsningen på den udfordring bliver at placere alle brinttankene under det nederste bildæk ombord på færgen for at få plads til de 44 tons brint.
Brint reducerer CO2
Når Europa Seaways efter planen stævner ud på sin jomfrusejlads omkring 2027, vil oplevelsen ombord kunne sammenlignes med at skifte fra en fossilbil til en elbil, siger Jakob Steffensen.
“Der vil stadig være skibets bevægelser i vandet, og du vil stadig få den maritime oplevelse, men støjen fra skibets motorer vil være meget lavere,” siger han.
VIDEO: Sådan fungerer brintteknologien
Få illustreret, hvordan det er muligt at udnytte brint til at drive fremtidens skibe. *Kilde: SciShow*
Brintfærgen er en del af en større plan for rederiet DFDS og dets flåde på 60 skibe: De vil reducere CO2-udledningerne med 45 procent i 2030 og blive helt klimaneutrale i 2050.
Og DFDS kan snart få følgeskab af resten af skibsbranchen. I en rundspørge lavet i 2021 af advokatfirmaet Watson Farley & Williams svarer ledere fra branchen, at de tror, at brændselsceller til brint inden for de næste fem år vil udgøre ti procent af det samlede energiregnskab, mens andelen vil stige til 18 procent inden for de næste ti år.
Men én ting er, hvad branchens egne folk siger – en anden er, hvad der rent faktisk er realistisk. Her kommer OECD-organisationen International Transport Forum (ITF) med konkrete, ret optimistiske bud for de næste årtier.
Med brint – og andre alternative brændstoffer som fx ammoniak – kan skibsbranchen reducere CO2-udledninger med helt op til 95 procent i 2035 sammenlignet med i dag.
Skibe som Europa Seaways vil dermed sørge for en reduktion af CO2-udledningen, som svarer til at lukke 185 kulkraftværker.