National Transport Library Research Database

Komprimerad vätgas i marina framdrivningssystem: Temperaturutveckling och strukturell integritet hos ombordkomponenter (Compressed Gaseous Hydrogen Path in Marine Propulsion Systems: Temperature Evolution and Structural Integrity of Onboard Components)

Sponsors, duration, budget: Trafikverket ; 2026-01-01 -- 2029-12-31 ; 6 055 000 kronorRegistration number:
  • Trafikverket 2025/34407
Summary: Sjöfarten, med över 80% av världshandeln, har sett en ökning av växthusgasutsläppen med 20% under det senaste decenniet [1,2]. Internationella sjöfartsorganisationen (IMO) har satt upp mål om att minska utsläppen med 7% till år 2040 [3], medan Sverige siktar på nettonollutsläpp till år 2045. Trots effektivitetsförbättringar har sjöfarten svårt att minska sina utsläpp och mindre än 1% av den globala flottan använder fossilfria bränslen på grund av utmaningar kopplade till infrastruktur, kostnader och tekniska hinder [4]. Vätgas är ett lovande utsläppsfritt bränsle inom vissa segment av sjöfarten. Dock medför komprimerad gasformig vätgas flera utmaningar, bl.a. stora temperaturvariationer vid bunkring och överföring, tryckvariationer samt materialets kompatibilitet med vätgas [5-7]. Vår pågående forskning, i samarbete med universitet, institut, rederier och hamnmyndigheter, fokuserar på att integrera komprimerad gasformig vätgas (CGH2) i marina framdrivningssystem [6,7]. Gotlandsbolaget har nyligen beställt en färja förberedd för vätgasdrift, den första i sitt slag. Trots att forskningen kring vätgasens försörjningssystem har gett viktiga insikter visar den på flera utmaningar som kräver ytterligare forskning. Termodynamiska modeller visar att temperaturen i vätgastankarna ombord riskerar att överstiga dess gränsvärden under bunkring, vilket kräver kontroll och styrning. Samtidigt sjunker temperaturen vid tömning av tankarna i takt med att vätgasens massa och inre energi minskar, beroende på urladdningshastighet och volym. Efter bunkring kan den initiala temperaturen i vätgastankarna vara cirka 60°C, men kan under överföring till framdrivningssystemet sjunka ned till i storleksordningen –40°C. Det finns idag begränsad kunskap om hur rörledningar och tankar påverkas av dessa variationer i kombination med vätgasförsprödning och termisk påfrestning [9]. Detta projekt kommer att utvärdera vätgasens termodynamiska egenskaper i överföringssystemet, undersöka materialegenskaper samt analysera hur försprödning och termiska fluktuationer påverkar komposittankar och rörsystem. Projektet kommer även att studera behovet av termiska hanteringsstrategier ombord för att säkerställa en säker och effektiv vätgasöverföring. Syfte och mål Projektets syfte är att öka kunskapen kring termodynamiska processer vid användning av CGH2 i marina framdrivningssystem och därmed påskynda övergången till fossilfri sjöfart. • Öka kunskapen kring CGH2:s beteende, med fokus på temperaturutveckling vid tankning och överföring. • Utveckla prediktiva modeller för att bedöma vätgasens termodynamiska egenskaper och dess påverkan på systemets prestanda, effektivitet och säkerhet. • Utvärdera hur temperaturcyklisk belastning i kombination med försprödning påverkar materialens hållbarhet, utmattningsmotstånd och strukturella integritet i lagrings- och överföringskomponenter. • Identifiera tekniska utmaningar, inklusive risker för termisk expansion, försprödning och materialnedbrytning.Summary: Maritime transport, accounting for over 80% of global trade, has seen a 20% increase in greenhouse gas emissions over the past decade [1,2]. The International Maritime Organization (IMO) has set targets to reduce emissions by 7% by 2040 [3], while Sweden aims for net-zero emissions by 2045. Despite efficiency improvements, the maritime sector struggles to reduce its emissions, with less than 1% of the global fleet using fossil-free fuels due to challenges related to infrastructure, costs, and technical barriers [4]. Hydrogen is a promising zero-emission fuel for certain segments of maritime transport. However, compressed gaseous hydrogen (CGH2) presents several challenges, including significant temperature variations during bunkering and transfer, pressure variations, and material compatibility with hydrogen [5-7]. Our ongoing research, in collaboration with universities, institutes, shipping companies, and port authorities, focuses on integrating CGH2 into marine propulsion systems [6,8]. Gotlandsbolaget has recently ordered a ferry prepared for hydrogen propulsion—the first of its kind. Despite the valuable insights gained from research on hydrogen supply systems, several challenges remain that require further investigation. Thermodynamic models indicate that the temperature in onboard hydrogen tanks may exceed their limits during bunkering, necessitating control and management. Simultaneously, the temperature drops during tank emptying as the hydrogen mass and internal energy decrease, depending on the discharge rate and volume. Immediately after bunkering, the initial temperature in the hydrogen tanks can be approximately 60°C, but during transfer to the propulsion system, it can drop to around –40°C. Currently, there is limited knowledge about how pipelines and tanks are affected by these variations in combination with hydrogen embrittlement and thermal stress [9]. This project will evaluate the thermodynamic properties of hydrogen in the transfer system, investigate material properties, and analyze how embrittlement and thermal fluctuations affect composite tanks and piping systems. The project will also study the need for thermal management strategies onboard to ensure safe and efficient hydrogen transfer. Objectives and Goals The project's aim is to enhance the understanding of thermodynamic processes when using CGH2 in marine propulsion systems, thereby accelerating the transition to fossil-free shipping. • Increase knowledge of CGH2 behavior, focusing on temperature development during bunkering and transfer. • Develop predictive models to assess the thermodynamic properties of hydrogen and their impact on system performance, efficiency, and safety. • Evaluate how temperature cyclic loading combined with embrittlement affects the durability, fatigue resistance, and structural integrity of storage and transfer components. • Identify technical challenges, including risks of thermal expansion, embrittlement, and material degradation.
Item type: