Vuonna 2027 Kööpenhaminan satamasta lähtee kohti Osloa 200 metriä pitkä alus mukanaan 1 800 matkustajaa. Alus ei ole kuitenkaan vanhanaikainen lautta, vaan se kätkee sisäänsä käänteentekevää tekniikkaa. Polttoaine on vetyä, eikä veden lisäksi synny muita päästöjä.
Lautat ovat kulkeneet poltto- tai dieselöljyä hörppivillä nelitahtimoottoreilla vuosikymmeniä, mutta uhkaava ilmastokriisi pakottaa hiilidioksidia puhaltavat moottorit eläkkeelle.
Seuraava vedyllä toimivien polttokennojen sukupolvi on valmis ottamaan vastuulleen alusten potkurien pyörittämisen.
Hankkeen takana olevaan Europa Seaways -yhteisyritykseen kuuluvat muun muassa DFDS-varustamo, automaatio- ja sähkövoimatekniikan konserni ABB, laivansuunnittelutoimisto Knud E. Hansen ja energiayhtiö Ørsted. Tavoitteena on saada maailman suurin vetyalus liikennöimään Kööpenhaminan–Oslon reitillä.
”Meidän on pakko luopua fossiilisista polttoaineista ja siirtyä käyttämään ilmastoneutraaleja polttoaineita”, toteaa DFDS:n innovaatiojohtaja Jakob Steffensen.
Vetytekniikan odotetaan mullistavan laivateollisuuden ja kääntävän sitä ilmastoystävällisempään suuntaan. Taivaanrannalla on kuitenkin vielä näkyvissä matalalla riippuvia pilviä, joiden pelätään synkentävän ennusteita tekniikan nopeasta soveltamisesta.
Vety pitää ensin valmistaa
Nykyään merenkulussa käytetään ensisijaisesti erilaisia öljystä jalostettuja polttoaineita. Öljyn polttamisella on haitallisia ympäristövaikutuksia. Täsmällisemmin ilmaistuna 2–3 prosenttia maailman kaikista kasvihuonekaasupäästöistä on peräisin merikuljetuksista, osoittavat Kansainvälisen merenkulkujärjestön esittämät luvut.
Meidän on pakko luopua fossiilisista polttoaineista. Jakob Steffensen, DFDS-varustamon innovaatiojohtaja
Ongelma tiedostetaan alalla, ja eri vaihtoehtoja on jo alettu tutkia. Vety vaikuttaa tätä nykyä niistä kaikkein lupaavimmalta.
Vety (H) on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine, joten sitä on periaatteessa tarjolla yllin kyllin alusten polttoaineeksi. Sitä ei voida kuitenkaan pumpata öljyn tavoin maan alta ja varastoida tynnyreihin.
Vetyä esiintyy nimittäin enimmäkseen kemiallisina yhdisteinä eli vähintään kahdesta eri alkuaineesta koostuvina aineina, kuten vetenä (H2O) tai metaanina (CH4).
Siksi vety pitää ensin valmistaa. Yksi mahdollinen menetelmä on hajottaa vettä sähkövirran avulla vedyksi ja hapeksi elektrolyysiksi kutsutulla reaktiolla.
Koska prosessi vaatii paljon energiaa, kaavaillaan, että Europa Seawaysin tarvitsema vety tuotetaan lähellä Kööpenhaminaa sijaitsevien tuulivoimaloiden sähköllä niiden yhteyteen perustettavassa elektrolyysilaitoksessa.
Kun vetyaluksen 44 tonnia vetyä vetävät säiliöt on täytetty, vedyn kemiallinen energia muutetaan sähköenergiaksi, jolla vedessä potkuria pyörittävät sähkömoottorit käyvät.
Vihreä sähkö tekee vetyä vedestä
Veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi vaatii paljon energiaa, mutta vaadittava sähkö voidaan tuottaa ilmastoystävällisesti tuuli- ja aurinkovoimaloissa.
Sähkö hajottaa merivettä
Puhdistettu merivesi johdetaan elektrolyysialtaaseen, jossa kytketään virta kahteen elektrodiin – katodiin ja anodiin. Silloin vesimolekyylit hajoavat ja katodi vetää puoleensa vetyä ja anodi happea. Kalvo erottaa aineet toisistaan.
Vety puristetaan kokoon
Happimolekyylien annetaan haihtua, mutta vety otetaan talteen ja sen paine nostetaan 350-kertaiseksi, ennen kuin se varastoidaan painesäiliöön. Näin valmistettua vetyä voidaan tankata aluksen polttoainesäiliöihin, joihin sitä mahtuu 44 tonnia.
Europa Seaways varustetaan niin sanotuilla polttokennoilla, jotka tuottavat sähköä PEM-tekniikalla (proton-exchange membrane, protoninvaihtokalvo).
PEM-polttokenno muistuttaa akkua. Kennossa on anodiksi ja katodiksi kutsutut elektrodit, jotka on erotettu niin sanotulla elektrolyytillä. Kennon anodipuolella jokainen vetyatomi hajoaa kahdeksi vetyioniksi ja kahdeksi elektroniksi.
Vetyionit voivat kulkea suoraan elektrolyytin läpi katodiin, mutta elektrolyytti pysäyttää elektronit.
Siksi elektronit voidaan johtaa johtoa pitkin akkuun, joka näin latautuu ja voi toimia aluksen sähkömoottoreiden virtalähteenä.
Vety painetaan kokoon
Polttokennojen sähköteho on nykyään parhaimmillaan yhdestä viiteen megawattia. Megawatti vastaa 500–700 kotitalouden sähkönkulutusta. Europa Seaways saa suunnitelmien mukaan 23 megawatin kennot.
Polttokennoista tekee kuitenkin ongelmallisia hyötysuhde. PEM-tekniikalla se on tätä nykyä noin 50 prosenttia. Toisin sanoen vain noin puolet vedyn energiasta muuttuu sähköksi ja loppuosa menee hukkaan muun muassa ympäristöön siirtyvänä lämpönä.
Vetyalus kulkee hiljaa puhtaasti
Vanhat nelitahtimoottorit, jotka käyvät fossiilisilla polttoaineilla, korvataan polttokennoilla, jotka toimivat vedyllä. Sen ansiosta hiilidioksidipäästöt nollautuvat ja melutaso laskee radikaalisti.
Alus saa suuret vetysäiliöt
Aluksen alimman laivakannen alle sijoitettavat säiliöt täytetään vedyllä, jonka paine on 350-kertainen normaaliin ilmanpaineeseen verrattuna. Säiliöhin mahtuu yhteensä 44 tonnia vetyä. Määrällä voidaan kulkea suunnilleen 500 kilometriä eli Kööpenhaminan ja Oslon väli.
Polttokennot tuottavat sähköä
Polttokenno toimii periaatteessa kuin akku. Vetyatomit menettävät elektroneja ja muuttuvat positiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Vetyionit voivat läpäistä polttokennon esteen, mutta se pysäyttää elektronit. Nämä johdetaan virtapiiriin sähkövirtana.
Sähkö varastoituu akkuun
Polttokennon tuottamalla sähköllä ladataan akustoa, joka koostuu useista yksittäisiä akkukennoja sisältävistä kaapeista. Akusto toimii sähkömoottoreiden virtalähteenä. Aluksen on mahdollista kulkea myös pelkästään akkujen varassa.
Sähkömoottorit pyörittävät potkuria
Polttokennojen ja akkujen energia johdetaan sähkökaappiin, joka on eräänlainen muuntaja. Sitten sähkö virtaa aluksen takaosassa sijaitsevaan sähkömoottoriin, joka on varustettu lämpötilan jatkuvasti sopivana pitävällä jäähdyttimellä. Moottorin alapuolella on ohjausyksikkö ja sen alla aluksen potkurit, jotka tuottavat työntövoimaa.
Siksi kehitetään niin sanottuja kiinteäoksidipolttokennoja (SOFC, solid oxide fuel cells), joissa käytetään elektrolyyttinä keraamista ainetta ja joiden hyötysuhde on ainakin 60 prosenttia.
Toinen vedyn ongelma on se, että kaasu on erittäin helposti syttyvää ja että sen tilavuus on suuri suhteessa massaan – esimerkiksi kilo vetyä täyttää 11 kuutiometriä normaalissa ilmanpaineessa.
Jotta vetyautolla voitaisiin ajaa vaikkapa 100 kilometriä, nyrkkisäännön mukaan siinä pitäisi olla kilo vetyä. Niinpä tavallisen 500–600 kilometrin toimintamatkan takaamiseksi tarvittaisiin normaalipaineista vetyä niin paljon, että polttoainesäiliöstä tulisi 50 metriä pitkä, leveä ja korkea.
Myös Norjan suurimpiin varustamoihin kuuluva Norled tähtää vetytekniikan hyödyntämiseen aluksissaan.
Ongelma voidaan ratkaista jäähdyttämällä vety –250-asteiseksi, jolloin se nesteytyy ja mahtuu pienempään tilaan. Lämpötilan laskeminen vaatii kuitenkin paljon energiaa ja eristettyjä vetysäiliöitä.
Europa Seaways on päätynyt toiseen ratkaisuun: vedyn puristamiseen kokoon niin, että sen paine on 350-kertainen normaaliin ilmanpaineeseen verratuna.
”Vety on hankalaa käsiteltävää, sillä sitä pitää painaa kokoon, ennen kuin sitä voidaan varastoida alukseen. Nykyään meillä on yleensä kuusi polttoainesäiliötä aluksessa, mutta 350 baarin (noin 350-kertaisen normaalin ilmanpaineen, toim. huom.) vetysäiliöiden tapauksessa määrä nousee toiselle tuhannelle. Ja se monimutkaistaa asioita” , toteaa Jakob Steffensen.
Ongelma on ratkaistavissa sijoittamalla kaikki vetysäiliöt lautan alimman autokannen alle. Näin alukseen saadaan mahtumaan 44 tonnia vetyä.
Vety vähentää hiilidioksidia
Kun Europa Seaways lähtee suunnitellusti neitsytmatkalleen vuoden 2027 tietämillä, Jakob Steffensenin mukaan koetaan samankaltainen muutos kuin siirryttäessä polttomoottoriautosta sähköautoon.
”Entiseen tapaan alus liikkuu vedessä ja matkalla pääsee merellisiin tunnelmiin, mutta aluksen moottorit eivät enää melua niin kuin ennen”, kuvailee Steffensen.
VIDEO: Näin vetytekniikka toimii
Havainnollinen esitys siitä, kuinka vetyä voidaan tulevaisuudessa hyödyntää merenkulussa. *Kilde: SciShow*
Vetylautta on osa DFDS-varustamon 60 aluksen laivaston kehityssuunnitelmaa. Tavoitteena on pienentää hiilidioksidipäästöjä 45 prosenttia vuoteen 2030 mennessä ja saavuttaa ilmastoneutraalius vuosisadan puolivälissä.
DFDS voi olla suunnannäyttäjä merenkulussa. Kansainvälisen Watson Farley & Williams -lakitoimiston vuonna 2021 tekemässä kyselyssä useat alan johtavat toimijat kertoivat uskovansa, että vedyllä toimivien polttokennojen osuus koko energiankulutuksesta nousee viidessä vuodessa kymmeneen prosenttiin ja kymmenessä vuodessa 18 prosenttiin.
Alan odotukset ovat kuitenkin eri asia kuin realistiset mahdollisuudet. OECD:n Kansainvälinen liikennefoorumi (ITF) on esittänyt varsin konkreettisia ja optimistisia lähitulevaisuuden ennusteita.
Vedyllä – ja muilla vaihtoehtoisilla polttoaineilla, kuten ammoniakilla – merenkulkuala voi pienentää hiilidioksidipäästöjään peräti 95 prosenttia vuoteen 2035 mennessä nykytasosta.
Sellaisilla aluksilla kuin Europa Seaways voidaan leikata hiilidioksidipäästöjä yhtä paljon kuin sulkemalla 185 hiilivoimalaitosta.