När nästa generations vätgasdrivna Gotlandsfärjor ska bunkras med vätgas kommer temperaturen i fartygets lagringstankar att överskrida de tillåtna gränserna om gasen inte kyls. Ett koncept där gasen kyls ner med hjälp av havsvatten togs därför fram förra året. Nu har tekniken testats framgångsrikt i ett projekt finansierat av Trafikverket.

När gas komprimeras i en cylinder fylls med gas stiger temperaturen i takt med att trycket ökar. Vätgas har dessutom den speciella egenskapen att den blir varm när den expanderar, vilket sker när den överförs från en tank med högt tryck till en annan med lägre tryck. Det innebär alltså att två effekter samverkar för att höja temperaturen, vilket gör att vätgasen snabbt kan överskrida den tillåtna gränsen på 80°C i cylindrarna på ett fartyg.

Vätgasen behöver alltså kylas ner. På vägsidan har man löst problemet genom att kyla ned vätgasen till -40°C innan tankning av fordon. Men att det är en sak att kyla ned 50 kilo vätgas för att tanka en lastbil, en helt annan att kyla 16 ton för att fylla en färja. Att göra det innan bunkring skulle kräva stora mängder energi och eventuellt en dyr luftseparationsanläggning. Därför utmanades forskare vid KTH och Uppsala universitet att tänka rejält utanför boxen när de, i ett projekt finansierat av Lighthouse, utvecklade ett nytt koncept för aktiv kylning.

Genom att låta havsvatten flöda genom en värmeväxlare i varje cylinder ombord på fartyget skulle vätgasen kunna kylas ned. Det skulle räcka med 10-gradigt vatten, vilket finns tillgängligt året runt i Visby hamn, för att temperaturen i cylindrarna skulle hamna någonstans mellan 40 och 60°C – en nivå som ligger väl inom de tillåtna gränserna.

Men det är inte säkert att något som fungerar i teorin gör det i verkligheten. I ett uppföljande projekt som finansierats av Trafikverket har därför en prototyptank med en invändig kylslinga byggts vid RISE Composites i Piteå och testats vid RISE Fire Research AS i Norge.

– Resultaten var helt klart lovande och visade att det går att kyla gasen med hjälp av havsvatten, säger Jonatan Gehandler vid RISE, som lett testprojektet.

Prototyptanken klarade både tryck- och prestandatester utan läckage eller synliga skador och temperaturökningen reducerades vid fyllning av vätgas, vilket alltså möjliggör en högre fyllnadsgrad och säker användning.

– I alla försök blev dock värmeförlusten mindre än i de tidigare modelleringarna. Det berodde bland annat på att tanken byggdes med stålliner inuti, vilket tar upp mycket värme. En tanklösning helt baserad på kolfiber, alternativt med plastliner (typ-IV), hade kanske varit bättre men är komplicerad att bygga med en kylslinga inuti.

– Sedan återstår också kostnadsfrågan. Det är självklart att det blir dyrt att designa den här typen av tankar. Den ekonomiska aspekten undersökte vi dock inte alls i det här projektet, säger Jonatan Gehandler.

Enligt forskarna finns det fortfarande flera öppna frågor kring storskalig bunkring som behöver undersökas vidare. I sin rapport rekommenderar man följande:

• Detaljritning av ett storskaligt bunkringssystem för fartyg bör tas fram.
• Den termodynamiska modellen behöver förfinas för att inkludera alla komponenter i en storskalig bunkringsstation.
• Det bör undersökas hur effektiv kylning kan uppnås mellan expansionsventil och tankarna ombord vid större massflöden och realistiska rör- och slangdimensioner (för att kyla bort Joule-Thomson-effekten).
• Det bör också undersökas hur påverkan från minskade värmeförluster i tanken, exempelvis genom användning av plastliner, tunnare metalliner eller en tank helt i komposit, samt en större tankvolym och massflöde.

Rapporten Säker storskalig vätgasbunkring - Test och validering har författats av Mikael Bergius, David Engberg, Stefan Grönkvist, Kumail Marnate (KTH), Vasiola Zhaka, Björn Samuelsson (Uppsala Universitet) & Jonatan Gehandler (RISE)