Sveriges sjömärken

I begreppet sjömärken innefattas alla fasta och ytande navigationshjälp- medel till sjöss. Det vill säga allt från stora kustfyrar till målade linjer på klippor. De esta sjömärken är passiva, dvs de förbrukar ingen eekt och behöver därmed inget system för energiförsörjning. Det gäller exempelvis sjömärken av typen prick, kummel, enslinje, tavla och båk. För underlätta vid mörkernavigering har vissa objekt försetts med aktivt ljus. Det nns i huvudsak tre typer av objekt som innehåller lampor: Fyrar, lysbojar och lysprickar. Sveriges sjömärken nns registrerade i FAREG, farledsregistret. 3.1.1 Fyrar

Med fyr avses vanligen ett lysande sjömärke som står på fast grund, dvs mark eller botten. I Sverige nns ca 1300 fyrar. Fyrens huvuddelar består av en fyrbyggnad för att skapa en lyshöjd, och en lanternin, dvs fyrlampa med linser. Ljuset kan vara runtlysande eller indelat i olikfärgade sektorer (röda, gröna och vita). Fyrens ljus har en karaktär som följer internatio-

nell standard. Fyrkaraktären bestämmer hur stor del av fyringstiden fyren är tänd respektive släckt. Normalt sett är fyren aktiv under den mörka ti- den av dygnet och släckt under dagen. Växlingen sker automatiskt med ett skymningsrelä. En del fyrar idkar tidvis även dagerfyring, främst under vin- tern. I perioder med fast havsis släckts fyrar ibland ned på grund av att ingen sjöfart förekommer, något som av naturliga skäl främst gäller de norra farvattnen.

Fyrljuset har också en nominell lysvidd. Det motsvarar det största avstånd från fyren på vilket lampans sken kan iakttas vid en siktbarhet som är likvär- dig med en dagsljussikt av 10M.1 _{Lysvidden är ofta en begränsande faktor}

när en fyr ska eektbantas. Stora kustfyrar har i regel en lysvidd mellan 20 och 28M, vilket kräver lampor med hög eekt.2

Alla fyrar har en primär energikälla. Den kan vara av olika typer, se separat avsnitt (3.2). De vanligaste är nätanslutning via kabel eller kraftförsörjning via solpanel och batteri. Utöver den primära kraften är många fyrar dessutom utrustade med ett sekundärt energisystem. Det ska träda in som reservkraft när och om huvudförsörjningen fallerar. Exempel på sekundära kraftkällor är dieselgenerator och batteri. Har fyren er nautiska funktioner än själva fyr- ningen, eftersträvas en separation i energikällor enligt principen en nautisk funktion - en primär energikälla. Avsikten är att öka tillförlitligheten. Exem- pel på ytterligare funktion kan vara en racon, det vill säga en radarsändare för objektidentikation.

Fyrljuset styrs av en s.k. klippapparat. Historiskt sett har klippapparaterna varit komplicerade mekaniska underverk som med sinnrik konstruktion styrt fyrljuset. Moderna enheter är små integrerade kretsar som klarar att hantera solpaneler, batteriladdning och fyrstyrning. Beroende på vilken energikälla som driver fyren är den utrustad med en eller två klippapparater. Fyrlam- porna har oftast mer än en glödtråd, s.k. bilamentlampor, för att minska lampbytesintervallen. Ett års serviceintervall eftersträvas.

Fyren är den enda typ av sjömärke som är tänkbart att driva med ett bräns- lecellssystem. Utrymmet inuti fyrbyggnaden är i regel tillräckligt stort för att inhysa hela systemet, inklusive vätgaslager. Fyrens eekt varierar från väldigt låg (enstaka watt) till hög (5-10kW).

1_{M = 1 nautisk mil = 1852m}

3.1.2 Lysbojar

En lysboj är ett ytande lampförsett objekt med förankring. Merparten av bojarna är av de två standardiserade typerna S7 resp S10, där 7 och 10 står för bojens totala höjd i meter. Materialet är i huvudsak stål. Energikällan är i samtliga bojar ett engångsbatteri. Bojarna har endast en klippapparat. Utbyte av batteri sker normalt i samband med tillsyn ombord på servicefar- tyg, men kan ske på plats från toppen av bojen. Normalt nns det plats för 1-4 batterier med en kapacitet på vardera ca 630Ah. Bojen saknar sekundär energikälla. Lampan är av bilamenttyp och den byter automatiskt glödtråd vid fel. Bojarna är utrustade med radarreektor.

Lysbojen lämpar sig inte för bränslecellsdrift på grund av det mycket be- gränsade utrymmet i bojen. Förbrukad eekt är dessutom låg.

3.1.3 Lysprickar

En lysprick är en mindre variant av lysbojen. Elsystemet är uppbyggt på samma sätt, med undantag av att det bara nns plats för ett batteri. Ma- terialet i lysprickarna är uteslutande plast. Två storlekar används, 6 eller 7 meter.

Lysprickarna är för små för att bli aktuella för bränslecellsdrift.

3.2 Energiförsörjning

Sveriges fyrar drivs på en ertal olika sätt. Energiförsörjningen delas upp i två huvudkategorier, primär och sekundär energi.

3.2.1 Primära energikällor Engångsbatteri

Energin kommer i detta fall från ett batteri som ej är laddningsbart. Normalt placeras i fyren ett batteripack som räcker för två till tre års drift. Merparten av objekt som drivs av engångsbatterier har endast en klippapparat. Energi- försörjning av denna typ används främst i bojar och prickar. Bland fyrar är engångsbatterier relativt ovanliga. Ca 20st är i drift, vilka i huvudsak utgörs av led- och ensfyrar inomskärs.

Solcell och batteri

I princip alla nya fristående energisystem som byggs använder denna tek- nik. En solpanel omvandlar solenergi till elektricitet som sedan lagras i ett laddbart batteri. Batteriet är vanligen av NiCd-typ. Sekundär energikälla saknas helt. Merparten av fyrarna har dubbla klippapparater med manu- ellt skifte. Systemets fördelar är underhållsfriheten och de relativt billiga ingående komponenterna. Tillförlitligheten är hög, mycket på grund av att systemet saknar rörliga delar. Bilamentlampor används för att förlänga ser- viceintervallen. Batterikapaciteten måste vara tillräckligt hög för att klara energiförsörjningen under vintern, då solinstrålningen är mycket begränsad. Idag är ca 450 solcellsdrivna fyrar i drift.

Vindgenerator och batteri

Detta system liknar solcellslösningen med undantaget att energin insamlas med hjälp av en vindgenerator. Själva vindrotorn och därtill kopplad väx- ellåda och generator är de enda rörliga delarna. Inga nya system har byggts under senare år. För närvarande nns ungefär 10 system i drift.

Land- eller sjökabel

Till fyrar med denna energikälla används det allmänna elnätet för driften. Tillgången på energi är stor, den begränsas bara av elkostnaden, och därför tillåts fyrarna dra stora eekter. Det ger möjlighet till ljusstarka fyrar med ytterligare funktioner som fasadbelysning och lanterninvärme. Lampor med endast en glödtråd används i vissa fall, då i kombination med en mekanisk lampväxlare, ibland även med dubbla linssystem. Det nns runt 500 kabe- lanslutna fyrar i svenska farvatten. Av dessa är ungefär 430st utrustade med ett sekundärenergisystem.

3.2.2 Sekundära energikällor Batteri

Laddbara batterier används främst som reservkraft i kabelanslutna fyrar. Batteritypen är vanligen NiCd och laddningselektronik bibehåller batterista- tusen för att vid strömavbrott gå in och förse fyren med energi. Då kabelan- slutna fyrar i regel förbrukar stora eekter bantas funktionerna automatiskt när batteriet kopplas in. Fasadbelysning och värme stängs av och vanligen

sker även ett lampbyte med minskad lysvidd som följd. Batterikapaciteten dimensioneras för 2-3 månaders drift. Det förekommer också att engångs- batterier används, men det är ovanligt. Laddbara batterier som reservkraft förekommer i ca 400 fyrar.

Dieselelverk

I stora kustfyrar med helikopterplatta används i vissa fall dieseldrivna elverk som reservkraft. De stadiga pelarna som tar upp krafterna från en landande helikopter skymmer stora delar av de vinklar som fyrljus ska spridas i. Av den anledningen krävs det ramper med ett ertal lampor mellan varje pe- lare. Antalet lampor kan uppgå till över 100. Den totala eekten blir hög, i storleksordningen 5-10kW. Det nns ej heller något utrymme för ett re- servlampsystem. Stora dieselaggregat blir då den enda fungerande lösningen för att bibehålla fyrens funktion vid strömavbrott. En process för att byta ut dieslarna pågår, men det kräver i de esta fall en ombyggnad av fyren. Dieselreservaggregat nns i ett tiotal fyrar.

Vätgashantering och lagring

Ren isolerad vätgas är i många avseenden ett väldigt tilltalande bränsle - högt energiinnehåll och inga giftiga avgaser. Dessutom är produktionsmöj- ligheterna i princip obegränsade eftersom enorma mängder väte nns lagrade i jordens vattenmassor. Faktum är att väte har den högsta energikapaciteten per viktenhet av alla kända bränslen. Se tabell 4.1. Sirorna gäller ren vätgas utan hänsyn till vikten lagringsmediet upptar. Med total vikt inklusive lag- ring är energiinnehållet per kg betydligt lägre. Det framhålls ofta att vätgas är framtidens bränsle. Väteekonomin sägs vara den som tar efter dagens oljebaserade samhälle. Vägen dit är dock lång och krokig.

Bränsle kWh/kg Bensin 13,0 Metanol 5,6 Etanol 7,5 Naturgas 13,9 Vätgas 33,3

Tabell 4.1: Energiinnehåll per kg för olika bränslen. (Teoretiskt maximal ener- giutvinning vid 100% verkningsgrad.)

Det nns det ingen etablerad infrastruktur som kan hantera gasen, och fram- förallt är vätgas ingen primär energikälla. Det innebär att två stora huvud- problem måste lösas; vätgashantering/lagring och tillverkning. På många sätt är dessa problem direkt överförbara till fyrtillämpningar. Även inom detta område innebär lösningen för hur vätgasen ska hanteras ett absolut huvudproblem. Oavsett om industriellt tillverkad eller genom elektrolys lo- kalt framställd vätgas används behövs ett eektivt lagringssätt. Detta kapitel redogör för de olika alternativen och presenterar slutsatser rörande vilket el-

ler vilka alternativ som är lämpligast vid användning i fyrar.

4.1 Lagringsteknik

Vätgas kan lagras på många olika sätt. Utmaningen ligger i att hitta en metod som är praktisk, säker och inte minst ekonomisk. Huvudalternativen är kemisk lagring, traditionella tryckcylindrar, metallhydrider eller ytande väte (nedkyld gas). Eftersom lagringen är ett centralt problem när det gäller införandet av vätgasdrivna produkter bedrivs mycket forskning på området. Det har lett till att en rad nya avancerade lösningar presenterats. Exempel på sådana är kol-nanober, nanorör och mikrosfärer av glas. Teknikerna har teoretiskt höga kapaciteter, men benner sig i forskningsstadiet och är inte i närheten av färdiga kommersiella produkter. Däremot är det intressant in- för framtiden att följa utvecklingen av dessa nya möjligheter. När det gäller ytande väte, dvs väte som kylts ner under vätets kokpunkt, −252.76◦_C,

medför nedkylningen mycket opraktiska krav längs logistikkedjan. Dessutom krävs det, för att bibehålla den låga temperaturen, att lite väte hela tiden släpps ut. Processen kallas boil-o. Ett typiskt värde för kyltankar installera- de i till exempel bilar är 1% väteförlust per dygn.1 _{Följden blir att ytande}

väte inte är ett alternativ för långsiktig lagring. Viktandelen väte i en typisk tank är dock ca 15%, vilket är en hög sira jämfört med andra lagringsal- ternativ. I vissa tillämpningar är ytande väte ett bra alternativ, men inte i de som denna rapport avser. För utveckling av ett system idag är det så- ledes traditionella tekniker som är de enda möjliga och det innebär att tre alternativ återstår; kemisk lagring, trycktuber och metallhydrider.

4.1.1 Kemisk lagring Funktion

Kemisk lagring av vätgas innebär att vätet nns bundet i föreningar och att det sedan, genom styrda reaktioner frigör det. Ämnena kallas generellt för kemiska hydrider. Ett exempel är litiumhydrid som med hjälp av vatten transformeras till litiumhydroxid och vätgas enligt följande (ekvation 4.1):

LiH + H2O → LiOH + H2 (4.1)

Denna hydrid har en hög lagringskapacitet - upp till 15.3 viktprocent väte 1_{Hoogers 5-4}

kan nås2 _{(att jämföras med ca 1.1% för vanliga ståltuber}3_).

Tillämpbarhet

Nackdelen med tekniken är att det i regel är mycket kostsamt och kompli- cerat att tillverka en eektiv och hållbar enhet som reformerar bränslet. En del av hydridteknikerna kräver höga temperaturer för att hålla igång reak- tionen vilket ytterligare tillför komplexitet till systemet. Det nns ej heller någon etablerad standard för vätebärarens kemiska sammansättning, vilket till exempel medför att det saknas inköpsställen för bränsleblandningen. För fem år sedan fanns många försöksverksamheter och prototyper som använde kemisk lagring av väte. Tekniska svårigheter och ekonomiska överväganden har på senare år lett utvecklingen från det spåret och istället mot direkt lagring.4 _{Kemiska hydrider kan vara ett alternativ för stationärt bruk där ef-}

fektuttaget är förutsägbart och möjligt att övervaka, men lämpar sig mindre bra för ett litet, fristående och autonomt system i stil med en fyr.

4.1.2 Tryckkärl Funktion

Lagring i tryckkärl innebär traditionellt sett ståltuber med tryck upp till 200 bar. Fördelen med de gamla stålaskorna är att det är en relativt billig metod för förse ett system med vätgas. Aktuellt pris, utan särskilda rabatter, från AGA Gas AB är 44kr/Nm3_{. Som nämnts tidigare är förhållandet mellan}

maximal vikt av lagrat väte och tubens vikt ca 0,011, dvs 1,1% av den fulla tubens massa är vätgas. Siran gäller vid 200 bar.

Det nns modernare lösningar i form av kärl tillverkade i lättare material, främst kolber och aluminium. Sådana kärl kan lagra mer väte per kilogram. Används 300 bars tryck nås med bentliga komposittuber en viktandel väte på ca 3%.5 _{Tekniken i sig har visat sig klara tryck upp till 700 bar, med}

tuber avsedda för naturgas. Det är det franska företaget Ullit S.A. som med sina högtryckskomposittuber lyckats nå en viktandel väte på hela 18,5%6_.

Det nns emellertid lagar och stadgar som kan komma att, av säkerhetsskäl, begränsa högsta tillåtna tryck i kärl. Typiska maxvärden är 3600 psi (248 bar)

2_{Hottinen, s.40} 3_{Hottinen, s.25} 4_{Cellkraft AB} 5_{Hoogers 5-2} 6_{Moser et.al}

och 300 bar.7_{I Sverige nns ingen generell begränsning, utan maximalt tryck}

bestäms av typgodkännande av varje enskilt kärl. Kompositkärl används till exempel i Stockholms bränslecellsbussar. De aktuella kärlen klarar tryck upp till 400 bar.8

Tillämpbarhet

Lagring i ståltuber är en säker och etablerad lösning, men tekniken är gam- mal och stål är förhållandevis tungt. En normal 50-liters AGA-aska enligt industristandard väger ca 70 kg. Rent tekniskt nns det egentligen ingen anledning att använda de gamla tuberna, men de är billiga och väl spridda. När det gäller användning i fyrar nns det två fall, med vardera två givna förutsättningar, där ståltuben kan bli aktuell:

1. (a) Lokal elektrolys används inte, varför gastransport ut till fyren är nödvändig.

(b) Ingen komposittub har blivit godkänd och kan därför inte använ- das, alternativt är godkänd men anses för dyr.

2. (a) Lokal elektrolys används.

(b) Genom membranteknik eller på annat sätt kan runt 100 bar eller mer uppnås utan nyttjande av extern kompressor.

Finns det vid tillfället för införande en godkänd kompositkärlslösning till ett rimligt pris är det alternativet överlägset ståltuben. Då bör dessa utnyttjas, eftersom de klarar högre tryck, är lättare, och kan tillverkas i mer praktiska dimensioner. Undantaget är fall 2 ovan, där den stationära placeringen i kombination med elektrolysörens förhållandevis måttliga tryck9_{, gör vikt och}

tryckkapacitet underordnade ekonomiska överväganden. 4.1.3 Metallhydrider

Funktion

Principen för vätgaslagring i metall är att väteatomer under lågt tryck kan nå håligheter inne i metallens mikrostruktur, så att så kallade metallhydrider

7_{Hoogers 5-3}

8_{www.miljobilar.stockholm.se (1)}

9_{`måttligt` i det här sammanhanget i jämförelse med > 200 bar i tryckkärl, inte tryck}

bildas. Reaktionen, som är reversibel, kan enkelt beskrivas enligt ekvation 4.2.

H2+ M ↔ M H2 (4.2)

där M representerar metallegeringen.

För att få reaktionen att gå till från vänster till höger, dvs bilda metall- hydrid, krävs nedkylning eller höjning av tryck. Omvänt gäller för frigörelse av vätet, dvs reaktionen från höger till vänster, en temperaturhöjning eller trycksänkning. Vid normal användning används trycksambandet och då till- förs således väte under tryck respektive tas ut under lågt tryck. Vid tillförsel blir materialet varmare och vid utförsel blir det kallare. Metallhydriden har därmed en självtätande funktion. Vid hastigt stort läckage sjunker tempe- raturen så mycket att frigörelsen av vätet snabbt upphör. Väte kan endast föras ut i en jämn takt. Det är ur säkerhetssynpunkt väldigt fördelaktigt. Det låga arbetstrycket för metallhydridbehållare är en annan säkerhetsmäs- sig fördel jämtemot tryckkärl. Trycknivån i en full metallhydrid-behållare är avsevärt lägre än i en 200 bars stålaska. Normalt tryck är så lågt som ca 2-4 bar.

Egenskaper

Den mängd vätgas som kan lagras i metallen är beroende av vilken lege- ring som används. För att få önskade egenskaper kombineras metaller med hög vätebindningsbenägenhet, kallad metall A, och sådana med lägre, kallad metall B. Beroende på hur stora andelar av A respektive B som ingår i legeringen delas blandningarna upp i familjer. De vanligaste är AB5 och

AB2, men även AB, A2B och andra varianter förekommer.10 Även på detta

område bedrivs mycket forskning. Lagringskapaciteten varierar från ca 0,6 - 1,8 viktprocent i kommersiella tillämpningar för rumstemperatur upp till ca 8 viktprocent för laboratorieprototyper vid temperaturer upp emot 300◦_C.11_.

Ett exempel är ECD Inc:s metallhydrid OTP-1, för montering på skoter, som med en vikt på 35kg lagrar 0.3kg väte. Det motsvarar 0.85 viktprocent lagringskapacitet.12

Det kan alltså noteras att metallhydrider, i jämförelse med ståltuber, i stor- leksordningen har samma vätelagringskapacitet per viktenhet. Per volym är saken dock annorlunda. 70kg metallhydrid utgör en avsevärt mindre volym än en 70kg:s 50-liters gastub.

10_{Hottinen s.38} 11_{B. Dogan} 12_{K. Sapru et.al.}

AB5 kännetecknas av förhållandevis låg känslighet för orenheter i vätgasen,

företrädesvis små mängder av O2 och H2O, men å andra sidan en i sam-

manhanget relativt låg vätekapacitet. Robustheten mot viss inblandning av vatten och syre i gasen är mycket fördelaktig vid användning av elektrolys, då det gör att en speciell torkprocess av gasen kan undvikas. Kan detta steg uteslutas i systemkonstruktionen erhålls ett enklare och driftsäkrare system, som kräver mindre underhåll. Det i synnerhet om, i linje med Miland m..13_,

ett passivt lter används för torkning.

Det viktigaste exemplet på legering inom AB5-familjen är LaNi5.14 Den

reversibla vätekapaciteten är 1,28 viktprocent%. För att optimera grund- legeringens egenskaper, som korrosionshastighet och cykellivslängd, ersätts delvis metall A och B med andra metaller. Metallhydriden omsluts sedan av en stålbehållare. En typisk kommersiell AB5-legering är LaNi-varianten

La0.64N d0.36N i0.95Cr0.19M n0.41Co0.15 från GfE Metallen und Materialen

GmBH. Produktnamnet är Hydralloy F. Livslängd

Livslängden för metallhydrider räknas normalt i antalet fulla i- och ur- laddningscykler metallen klarar av. Små, icke fullständiga, variationer i lad- dningsstatus påverkar i ringa grad degraderingen av metallen. Moderna me- tallhydrider klarar uppåt 1000 cykler. Som exempel kan nämnas GKSS15_och

GfE:s gemensamma projekt, Na2LiAlH6, som uppges ha 95% kapacitet efter

1000 cykler.16 _{Uppgiften gäller industriellt tillverkad gas. Används gas från}

småskalig elektrolys kan siran bli lägre, främst på grund av den fuktighet som följer med den tillverkade gasen.

Tillämpbarhet

Metallhydrider kan mycket väl komma att bli aktuellt som lagringslösning i en fyrtillämpning. Det gäller om en lågtryckselektrolysör används. Då metall- hydrider kan laddas under i sammanhanget låga tryck uteblir behovet av en kompressor. Det gör att antalet rörliga delar hålls nere, systemet blir mind- re komplext och att tillförlitligheten ökar. Dessutom är lagringssättet, som nämts tidigare, mer volymeektivt än tryckkärl. Vid stationär användning är i regel volym viktigare än massa. Metallhydrid används i exempelsystemet som utformas i kapitel 6.

13_{Miland et.al. s.7}

14_{För metallers fullständiga namn se bilaga A.}

15_{GKSS Forschungszentrum GmbH, Hamburg/Berlin, Tyskland} 16_{B. Dogan}

4.2 Logistik

4.2.1 Transport av tryckkärl

Att använda industriellt tillverkad vätgas i en fyr innebär med naturlighet att den måste fraktas till fyren på något sätt. Med Sjöfartsverkets historia, vilken innehåller gastransporter, i åtanke inses lätt att den här formen av energiföryttning inte är önskvärd. Bentliga fristående system får en gigan- tisk fördel och ett tungt argument gentemot alla nya alternativ där fraktande ingår i konceptet. Gastransporter måste med andra ord så långt som möjligt undvikas om bränsleceller ska stå inför en etablering i Sjöfartsverkets system. Möjligen kan gastransporter vara motiverade om bränslecellstekniken an- vänds som reservkraft. Den ringa grad som reservkraften används gör att gasförbrukningen sett över tiden torde bli blygsam. Med säkerhet kan dock inte detta fastslås på grund av att reservdrifttiden varierar från objekt till objekt och från år till år. Utöver drifttider för dieselreservaggregat nns ing- en tillgänglig statistik. Installerat gaslager kan alltså, med viss rimlighet, antas räcka lång tid, vilket gör att en elektrolyslösning blir omotiverad. I sådana fall är den mest ekonomiska och praktiska lösningen gastransporter med långt intervall till fyren. Lämpligen används då lättviktstuber för att förenkla hanteringen.

4.2.2 Tankning

Ett alternativ till att frakta och bära själva gasbehållaren ut till fyrarna är att