Meriliikenteen tulevaisuus : Vetypolttokennot laivojen voimanlähteenä

Abstract

Ilmastonmuutoksen hillitsemiseksi energiasektorilla tarvitaan konkreettisia toimia ja tavoitteita. Meriliikenteen pääasiallinen voimantuottomenetelmä on pitkään ollut polttomoottorit, jotka käyttävät polttoaineenaan fossiilisia polttoaineita. Tämän seurauksena syntyy merkittävästi ilmastonmuutosta kiihdyttäviä kasvihuonekaasuja. Tulevaisuudessa meriliikenne luultavasti lisääntyy johtuen kaupankäynnin ja matkustuksen yleistymisestä, mikä tulee kasvattamaan päästöjen määrää entisestään. Tästä syystä vaihtoehtoisten voimantuotanto tapojen tutkiminen on tärkeää. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tarkastella aiempaa kirjallisuutta ja selvittää, kuinka SO-polttokenno (Solid Oxide) ja PEM-polttokenno (Proton Exchange Membrane) soveltuvat laivojen voimantuotantoon sekä millaisia etuja ja haasteita vetypolttokennojen ja vedyn käyttöön liittyy.

Vetypolttokenno on sähkökemiallinen laite, jossa sähkövirta syntyy vedyn ja hapen reagoidessa. Reaktiotuotteena polttokennossa syntyy ainoastaan vettä ja lämpöä, mikä tekee siitä potentiaalisen vaihtoehdon laivojen voimantuotantoon. Tällä hetkelle puhtaan vedyn tarjonnan ja vetyinfrastruktuurin puuttuminen on kuitenkin merkittävä pullonkaula vetypolttokennojen yleistymiselle. Vedyn varastointi aiheuttaa myös haasteita alhaisen kiehumislämpötilan (−253 ℃) ja energiatiheyden (9,84 MJ/m3) takia. Varastointi tapahtuu yleensä paineistamalla tai nesteyttämällä, mikä kuluttaa merkittävästi energiaa. Vaikka vety paineistetaan tai nesteytetään, sen energiatiheys jää alhaisemmaksi kuin perinteisillä polttoaineilla, mikä aiheuttaa haasteita laivojen tilankäytössä.

Molemmat tutkittavat polttokennot ovat potentiaalisia vaihtoehtoja laivojen voimantuotantoon. Polttokennojen ominaisuudet ja toiminta kuitenkin eroavat toisistaan, mikä vaikuttaa niiden sovelluskohteisiin. SO-polttokenno, jonka toimintalämpötila on korkea, tarjoaa korkean hyötysuhteen ja mahdollisuuden hukkalämmön hyödyntämiseen, mikä mahdollistaa vielä korkeamman hyötysuhteen. Lisäksi laajempi polttoaineyhteensopivuus PEM-polttokennoon verrattuna, joka voi käyttää ainoastaan puhdasta vetyä, voisi mahdollistaa päästöjen vähentämisen vetyinfrastruktuuria kehitettäessä. PEM-polttokennon selkeät edut ovat kuitenkin nopea käynnistysaika ja kyky reagoida tehon tarpeen muutoksiin, mikä tekee siitä monipuolisemman vaihtoehdon meriliikenne käyttöön.

Polttokennojen tehokkuuden maksimoimiseksi myös erilaisten hybridijärjestelmien tutkiminen ja kehittäminen on tärkeää. Hybridijärjestelmät voivat parantaa järjestelmän kokonaistehokkuutta ja paikata polttokennojen toiminnallisia puutteita. Polttokennojen apuna voidaan käyttää esimerkiksi turbiineita, jolloin SO-polttokennon tapauksessa hukkalämpöä voidaan hyödyntää, tai akkuja, joiden avulla järjestelmä kykenee reagoimaan nopeasti tehon tarpeen muuttuessa. Hybridijärjestelmien optimaalisella käytöllä alusten suorituskyky paranee ja toimintamatka pitenee.

Kokonaisuudessaan tutkittavat polttokennot tarjoavat potentiaalisen vaihtoehdon meriliikenteen voimantuotantoon ja päästöjen vähentämiseen. Polttokennojen toiminnalliset erot mahdollistavat niiden laajan käytön erilaisissa aluksissa, ja polttokennoteknologian käyttöä meriliikenteessä onkin tutkittu useissa projekteissa. Tälläkin hetkellä muutamia vetypolttokennoilla toimivia aluksia on käytössä, mikä todistaa vetypolttokennojen potentiaalin meriliikenteessä. Teknologian yleistyminen kuitenkin vaatii investointeja, vetyinfrastruktuurin kehittämistä sekä polttokennoteknologian kehittämistä ja standardointia.