This pre-study has been initiated and financed by Lighthouse and aims to increase knowledge about the use of hydrogen as a marine fuel, where it has good conditions to be a sustainable and efficient fuel in certain segments. In the transition to fossil-free shipping, hydrogen has potential to be a non-fossil solution for certain segments of shipping. However, the possibility to use hydrogen is limited by the fact that hydrogen has a low volume density, which limits how much hydrogen can be stored on board. In addition, the use of hydrogen is also limited by challenges related to the handling of hydrogen. This report studies one of those the challenges, the filling of hydrogen from storage in the port to onboard the ship. Specifically, the filling of the next generation Gotland ferries is being studied, up to 16 tons of hydrogen must be filled for each round trip between Visby and Nynäshamn. Furthermore, to enable three round trips per day, the ferry needs to be turned around in less than one hour, which is a challenge for the filling, from both a thermodynamic and a regulatory perspective.

In this report, the large-scale filling of hydrogen gas is studied, a thermodynamic simulation model and an overview of relevant regulations are presented.

The thermodynamic simulation shows that the temperature in the hydrogen cylinders on-board the ship will rise to 130°C if no cooling of the hydrogen takes place. The maximum temperature allowed in the cylinders is 80°C, why it is absolutely necessary to introduce some form of cooling in the filling process.

When filling vehicles, the hydrogen is cooled down to -40°C before filling to avoid the temperature rising above the allowed limit. However, there is a big difference between filling of vehicles and filling of the ferry; a vehicle refuels up to 50 kg, while the ferry must be filled with 16,000 kg. Cooling these volumes requires a lot of energy, why in this report we have developed and tested an alternative method with active cooling inside the cylinder. This active cooling is done with the help of seawater that flows through a heat exchanger inside each cylinder on-board the ship. The thermodynamic simulations show that this active cooling keeps the temperature inside the cylinders below 60°C.

To evaluate the concept of active cooling of hydrogen cylinders, a research project has been initiated where a cylinder with active cooling will be manufactured. The project is financed by the Swedish Transport Administration. The cylinder is a down-scaled version of the hydrogen cylinder planned to be installed in the future Gotland ferry. The temperature will be monitored both inside the cylinder and on the outside of the metal-liner. The laboratory tests will be carried out in cooperation with Research Institutes of Sweden (RISE) during quarter 3 in 2024. The report also presents a compilation of the regulations relevant to the handling of hydrogen in ports.

Denna rapport studerar utmaningar relaterade till fyllning av vätgas från lager i hamn till ombord på ett fartyg. Specifikt studeras fyllningen av nästa generations Gotlandsfärjor, där upp till 16 ton vätgas ska fyllas för varje tur och returresa mellan Visby och Nynäshamn. För att möjliggöra tre tur- och returresor per dygn krävs att färjan kan vändas på mindre än en timme, vilket innebär en stor utmaning såväl ur ett termodynamiskt som ett regulatoriskt perspektiv.

The report also presents a compilation of the regulations relevant to the handling of hydrogen in ports.

Svensk sammanfattning
I denna rapport studeras den storskaliga fyllningen av vätgas, en termodynamisk simuleringsmodell och en genomlysning av relevanta regelverk presenteras.
Den termodynamiska simuleringen visar att temperaturen i vätgascylindrarna ombord på fartyget kommer att stiga till ca 130°C om ingen kylning av vätgasen görs. Högsta tillåtna temperatur i cylindrarna är 80°C, varför det är absolut nödvändigt att införa någon form av kylning i fyllningsprocessen.

Vid fyllning av vägfordon kyls vätgasen ned till -40°C innan fyllning, för att undvika att temperaturen stiger över den tillåtna gränsen. Det finns dock en stor skillnad mellan fyllning till fordon och fyllning till färjan; ett vägfordon tankar upp till 50 kg medan färjan ska fyllas med 16 000 kg. Att kyla dessa volymer kräver stora mängder energi, varför vi i denna rapport har utvecklat och testat en alternativ metod med aktiv kylning i cylindern.
Denna aktiva kylning görs med hjälp av sjövatten som flödar genom en värmeväxlare inne i respektive cylinder ombord på fartyget. De termodynamiska simuleringarna visar att denna aktiva kylning håller temperaturen under 60°C.

För att utvärdera konceptet med aktiv kylning av vätgascylindrar har ett forskningsprojekt initierats där en cylinder med aktiv kylning ska tillverkas. Projektet finansieras av Trafikverket. Cylindern är en nedskalad version av den vätgascylinder som planeras att installeras i den framtida Gotlandsfärjan. Temperaturen kommer att övervakas både inuti cylindern och på utsidan av metallfodret. Laboratorieförsöken kommer att genomföras i samarbete med Sveriges Forskningsinstitut (RISE) under tredje kvartalet 2024.

Rapporten presenterar även en sammanställning av de regelverk som är relevanta för hantering av vätgas i hamn.

Författare:
Björn Samuelsson, Uppsala universitet
Kumail Marnate, KTH
Jim Allansson, Uppsala universitet
Stefan Grönkvist, KTH
Kenneth Friberg, Uppsala universitet

I samarbete med:
Gotland Tech Development
Stena Teknik
Hyon
Norwegian Hydrogen