Fremdriftssystemer omfatter hele drivlinjen, fra energilager i form av batteri, hydrogen, ammoniakk, syntetiske drivstoff eller biodrivstoff, via intern distribusjon og energiomforming til motorteknologien som gir framdrift via hjul eller propeller.
Biodrivstoffbaserte fremdriftssystem
Biodrivstoff, (laget av biologisk materiale som matrester, tang eller avkapp fra skogdrift), har den store fordelen at det kan redusere utslipp fra transportsektoren uten at vi nødvendigvis trenger nye fremdriftsystemer. De fleste biodrivstoff kan nemlig brukes direkte i motorteknologi som allerede eksisterer. Fossile drivstoff til både land-, vann- og lufttransport har i flere år hatt biodrivstoff blandet inn for å redusere utslippene.
Forskningen knyttet til biodrivstoff handler i hovedsak om hvordan fremstille biodrivstoff på best mulig måte og hvor det er lurt å ta det i bruk, og ikke på hvordan det er best å bruke det.
Hydrogen- og ammoniakkdrevne fremdriftssystemer
Både hydrogen og ammoniakk kan produseres og brukes uten klimagassutslipp, og vil være en svært viktig brikke i å gjøre transport til vanns, på vei og i luften utslippsfri.
Hydrogen og ammoniakk kan gi fremdrift på to måter: Enten ved direkte forbrenning (slik som fossile drivstoff forbrennes i dag), eller ved å konvertere ammoniakk eller hydrogen til elektrisitet i en brenselcelle og benytte elektrisk motor. For å unngå utslipp helt, er brenselceller den beste løsningen.
For hydrogen er brenselceller allerede tatt i bruk kommersielt i bilindustrien og i enkelte nisjemarkeder som i gaffeltrucker. Dette fordi de har betydelige fordeler framfor forbrenningsmotorer mht. utslipp og gir høyere produktivitet enn batteridrevne trucker når man har 2 og 3 skift per dag. Hydrogendrevne person- og lastebiler finnes også, og nærmere 10 lastebilprodusenter har nå konkrete utviklingsløp for hydrogenlastebiler med planlagt lansering mellom 2021 og 2025. Anleggsmaskiner er også under utvikling og vi forventer at slike vil bli alminnelig tilgjengelig rundt 2025. Det finnes flere piloter innenfor både maritim sektor og luftfart. I SINTEF jobber vi med lignende løsninger for direkte bruk av ammoniakk i brenselceller.
Skalering av hydrogendrevne fremdriftssytemer
Brenselceller er i dag en moden teknologi som i over 10 år har vært å finne i enkelte personbiler, busser og langtransport på vei. De største utfordringene knyttet til å skalere opp bruken av hydrogen i veitransporten er infrastrukturen for produksjon og distribusjon av hydrogen. For å få til dette forsker vi blant annet på sikker lagring og sikre løsninger for fylling og håndtering av avkok.
Levetid for brenselceller er betydelig forbedret de siste årene, og 35 000 driftstimer er oppnådd for busser i ordinær drift, tilsvarende 6 år med 16 timers skift hver dag. For personbiler anvendes billigere materialer i brenselcellene da disse i gjennomsnitt ikke kjører mer enn rundt 5000 timer i sin levetid.
En utfordring knyttet til utstrakt innfasing av hydrogen i dag er at kostnaden for teknologiene er høy når produksjonsvolumet er lavt. Ifølge USAs energidepartementer masseproduksjon av hydrogendrevne brenselceller allerede konkurransedyktige med forbrenningsmotorer for bruk i personbiler, men markedet er foreløpig ikke stort nok til å nå slike produksjonsvolum. De estimerer videre at det i dag koster over $ 1000 per kW å produsere brenselceller, men at kostnaden for personbiler vil falle til $ 40/kW, noe som er konkurransedyktig med forbrenningsmotorer.
Når brenselceller nå tas i bruk i tungtransport, skip og tog, må levetiden for disse være 5-10 ganger lengre (30-50 000 timer) enn i personbiler. SINTEF jobber tett sammen med leverandører med utvikling av neste generasjons brenselcelle-teknologi i våre laboratorier.
Vi i SINTEF forsker mye på løsninger for å ta i bruk hydrogen i sjø- og lufttransport. En av de store utfordringene er at hydrogen tar relativt mye plass i forhold til mengden energi det har. Derfor må brenselcellene bli tre ganger så effektive om vi skal ta i bruk hydrogen i fly. Da må vi forske frem helt nye materialer, utvikle lettere komponenter samt enklere og mer robuste brenselcellesystemer.
Hydrogen vil kunne fungere godt på små og mellomstore skip, men for langdistanse sjøtransport vil hydrogenet ta så mye plass at det ikke blir rom til lasten. Derfor jobber vi også mye på ammoniakkbaserte fremdriftssystemer. Ammoniakk kan i likhet med hydrogen produseres og brukes utslippsfritt, men lagrer hele 50 % mer energi enn flytende hydrogen. Selv dette er bare 25 % av fossile drivstoff, så mye forskning kreves før denne lovende teknologien kan tas i bruk for langdistansetransport til sjøs (deep sea transport).
Både utvikling av teknologi og egnede forretningsmodeller er viktige forskningsområder for oss i SINTEF.
Ammoniakkdrevne fremdriftssystemer
Den store forskningsutfordringen knyttet til ammoniakk er at det er vanskelig å antenne og brenner dårligere enn hydrokarbondrivstoff (fossile drivstoff og hydrogen). Vi jobber derfor aktivt med teknologier for å bøte på disse problemene, for eksempel ved nye konsepter for antenning av ren ammoniakk, eller såkalt cracking av ammoniakk, delvis eller helt, til hydrogen og nitrogen i forkant av forbrenningen. På den måten blir det lettantennelig, og meget reaktivt. Hydrogen vil bidra til pålitelig (reliable) tenning og fullstendig forbrenning av den brennbare blandingen. Ammoniakk har også den fordelen at vi ikke trenger helt nye fremdriftssystemer for å ta det i bruk, vi kan redesigne eksisterende fremdriftssystemer.
Syntetiske drivstoff i fremdriftssystemer
Syntetiske drivstoffer er enten gass eller flytende drivstoff som er fremstilt i en industriell prosess der man kombinerer hydrogen og karbon til hydrokarboner. De enkleste hydrokarboner er metan og metanol, men man kan også lage diesel-type drivstoff. Dersom karbonet er hentet fra luften omkring oss og energien til prosessen er fornybar vil forbrenning av slike hydrokarboner ikke øke mengden karbon i atmosfæren, og dermed være karbon-nøytrale.
Syntetiske drivstoff har flere fordeler, blant annet at man slipper å investere i helt ny infrastruktur om bord og på land for å håndtere, lagre, bunkre og bruke drivstoffene. I en verden hvor stadig flere er bekymret for den totale ressursbruken kan syntetiske drivstoff utgjøre en vesentlig forskjell. Disse drivstoffene har også langt høyere energitetthet enn hydrogen og ammoniakk, noe som gjør de enklere å bruke i energi- og effektkrevende fartøy som skip og fly.
En av de store ulempene med syntetiske drivstoff er at de krever mer energi å lage enn for eksempel hydrogen og ammoniakk. Mye av denne ulempen kan derimot veies opp nettopp av at de kan benytte eksisterende infrastruktur.
Batteridrevene fremdriftssystemer
Batterier vil trolig inngå i så å si alle fremtidige drivlinjer for kjøre- og fartøyer, enten som rene batterielektriske systemer eller som hybrider sammen med brenselceller og/eller forbrenningsmotorer. SINTEF jobber med utvikling og optimalisering av hybridsystemer, og programverktøy for slike systemer. SINTEF har også etablert et eget laboratorium for uttesting og optimalisering av hybrid fremdriftssystemer for maritim transport.
En stor fordel med batteridrevne fremdriftssystemer er at elektriske drivlinjer har lite energitap ved lading og de har høyere virkningsgrad enn fossile fremdriftssystemer. En stor utfordring er at batterier har lav energitetthet. Det tar derfor mye plass og vekt i forhold til mengden energi de oppbevarer og de tar lang tid å lade.
Til tross for den lave energitettheten kan batteridrevne skip og fly egne seg godt på korte strekninger der kapasiteten i strømnettet er god. Teknologien har ikke kommet like langt som for personbiler, men SINTEF jobber med saken.
Vi har allerede flere titalls elektriske ferger i drift i Norge, og i 2021 ble det første toseters batterielektriske flyet typegodkjent og kommersielt tilgjengelig. Vi jobber også iherdig for å få til elektriske passasjerfly til kortere distanser, og de første helelektriske flyene er forventet på markedet innen 2030. For å få til dette jobber vi med å doble energitettheten i batteriene og å redusere vekt på alle deler av de elektriske systemene.
Elektriske drivlinjer er imidlertid høyaktuelle også for større fly til kort- og mellomdistanse gjennom hybrid-elektriske framdriftsløsninger. Her vil forbrenningsmotorer bidra til framdrift, enten direkte eller ved å genere elektrisitet som deretter driver elektromotorene. Hvis vi bruker hydrogen eller ammoniakk som er fremstilt uten utslipp som forbrenningsdrivstoff sammen med ren elektrisitet vil også dette være nullutslippsfly.
For batteridrevne fremdriftssystemer er de største forsknings- og innovasjonsutfordringene i årene fremover kombinasjonen av nullutslippsmål og ekstreme krav til ytelse, pålitelighet og sikkerhet.
Typiske oppdrag for oss er:
- Utvikling og testing av batteri- og brenselcellesystemer i våre laboratorier
- Utvikling av motorteknologi for forbrenning av ulike typer drivstoff
- Utvikling av energisystemer i skip for bruk av nye drivstoff, inkludert systemer som kan benytte flere typer drivstoff samtidig
- Modellering og simulering av skipsoperasjoner for nye drivstoff og energisystemer, inkludert bunkringsstrategier
- Modellering og simulering av feiltilstander og levetid for brenselcelle- og batterisystemer basert på operasjonsprofil for skip
- Kompetanse og innovasjonsprosjekter på utvikling og testing av høyspennings isolasjonsysstemer og helseovervåking
- Utvikling av metoder for design og dimensjonering av batterier og kraftomformingssystemer i hybride og hel-elektriske fremdriftssystemer
- Utvikling og analyse av effekt-, energi- og kontrollstrategier (power and energy management) for hybride fremdriftssystemer med batterilager
- Feilanalyse og tilstandsvurdering av komponenter og materialer i felt (on-site) og lab.
- Standardiserte aldringsforsøk
Hvem gjør vi dette for?
- Rederier
- Skipsdesignere
- Systemintegratorer
- Utstyrsleverandører
- Skipsverft
Prosjekter
- ZeroKyst – Grønn Plattform: Demonstrere at både nye og eksisterende fartøy i sjømatnæringen kan bli utslippsfrie
- FreeCO2ast – Pilot-E: Hydrogendrevet skip
- Aegir: Ammoniakk-elektrisk marin kraft for utslippsreduksjon av drivhusgasser
- Virtual FCS: Fuel cell system development
- HYDRA: Fremtidens koboltfrie Li-ionbatterier for elektriske kjøretøy
- Flexbulk – Pilot-E: Pilotering av nullutslippsløsninger for maritim transport
- AMAZEMENT – AmmoniA Zero Emmission abatement – utvikling av renseteknologi for eksos fra forbrenningsmotorer som bruker ammoniakk som drivstoff
- AMAZE – AMmoniA Zero Emission – utvikling av motorteknologi for nye drivstoff (multi-fuel), med ammoniakk som eksempel-drivstoff
- CruiZero - IPN
- ZeroCoaster – IPN
- Kvalifisering av lavutslippsteknologi for skipsmotorer – IPN
