Avdelningen Marina System på Kungliga Tekniska Högskolan har designat och konstruerat en autonom undervattensfarkost (AUV). I dagsläget drivs farkosten drivs av ett litiumpolymerbatteri. Ett bränslecellssystem bestående utav PEM-bränslecellsstackar (Polymerelektrolytbränslecell), metallhydrid och trycksatt syrgas har designats för att byta ut det befintliga litiumpolymerbatteriet. För att få ett säkert system är det utrustat med vätgassensor, trycksensor, voltmätare samt temperatursensor. Eftersom både syrgas och vätgas måste medföras i farkosten, jämfört med landgående fordon som kan utnyttja syret från omgivande atmosfär, har olika bränslelagringsmetoder undersökts. För att lagra syrgas har trycksatt gas valts, denna lagras i en tank gjord av kolfiber och ett har ett tryck på 300 bar. Vätgasen väljs att lagras i en FeTi-metallhydrid på grund av dess volymmässiga fördel. Metallhydrid är en volymeffektiv men viktineffektiv lagringsmetod, vilket gör att den är perfekt till en undervattensfarkost. Metallhydriden förvaras i en tank gjord av aluminium. Eftersom bränslecellerna producerar vatten har olika sätt att fånga upp detta undersökts. Regenerad cellulosa (disktrasa) har hög absorptionsförmåga och har därför valts för systemet. De bränslecellesstackar som införskaffades har testats med hjälp av programvaran Labview. De presterade något under vad tillverkaren hävdade, något som antas bero på effektbehov hos kontroller och fläktar. Olika driftbetingelser har undersökts för att kunna använda bränslecellsstackarnas fulla potential. Det slutgiltiga systemet får ej plats i farkosten. En teoretisk studie för när bränsleceller blir mer volymeffektiva än batterier visar att för ett helt optimerat system går gränsen vid 3 liter, vilket motsvarar att 822 normalliter vätgas måste tas med. I framtiden skulle en kemisk lagringsmetod av syrgas vara att föredra, exempelvis väteperoxid. Metallhydrid är ett bra sätt att lagra vätgas men tankmaterialet skulle kunna vara exempelvis rostfritt stål istället för aluminium så att tanken blir mer volymeffektiv på grund av den högre brottgränsen hos stålet. Ett syrgasflöde till bränslecellen istället för ut i farkostens atmosfär skulle kunna öka verkningsgraden och därmed räckvidden.

The maritime transport sector accounts for around 2.9% of the world’s anthropogenic emissions, a percentage that is growing yearly. Alternative fuels have come to be considered the necessary solution of the future, not least in island nations such as Fiji that are socially and economically dependent on sustainable maritime transport. Amongst these potential fuels is green hydrogen: a versatile, low-carbon fuel that causes no air pollution. This thesis investigates the feasibility of a future implementation of liquid hydrogen in combination with fuel cells in Fiji’s maritime transport sector through a literature study and mathematical analysis. The thesis provides an economical and technological suitability analysis as well as an investigation of the socio-political context through meetings with local stakeholders. The mathematical analysis focuses on the routes that are included in Fiji’s Government Shipping Franchise Scheme (GSFS), which is a governmentally funded scheme to subsidize uneconomical domestic routes in Fiji. The results indicate that liquid hydrogen would be suitable for 9 out of 10 GSFS routes and for most of the domestic maritime sector. The national funds intended for maritime transport would be sufficient for a proof-of-concept or a first small-scale implantation, but international financial support would be needed for a full implementation. There is a lack of data and research in the maritime sector of Fiji and a significant amount of additional research is necessary for a larger implementation. This paper is intended to be an elemental study modelling a foundation for further similar research. / Den martima transportsektorn står för cirka 2,9% av världens antropogena utsläpp, en andel som växer årligen. Idag betraktas därav en global implementering av alternativa bränslen som ett nödvändigt steg för en klimatvänlig transportsektor, inte minst för önationer såsom Fiji som är socialt och ekonomiskt beroende av en hållbar maritim transportsektor. Bland dessa potentiella alternativa bränslen ingår väte, ett grönt mångsidigt bränsle som bidrar till varken luftföroreningar eller koldioxidutsläpp. Den här rapporten undersöker en möjlig framtida implementering av flytande väte i kombination med bränslecellsteknologi i Fijis maritima transportsektor genom en matematisk analys och literaturstudie. Uppsatsen tillhandahåller både en ekonomisk och en teknisk lämplighetsanalys, samt en undersökning av Fijis nuvarande socio-politiska inställning till en potentiell implementeringen genom möten med olika myndigheter i Fiji. Den matematiska analysen fokuserar på de rutter som ingår i Fijis "Government Shipping Franchise Scheme", vilken är ett statligt finansierat transportsystem av inhemska oekonomsika maritima rutter. Resultaten indikerar att flytande väte är ett lämpligt bränsle för 9 av 10 rutter som ingår i Fijis GSFS, samt stora delar av den inhemska maritima transportsektorn. Kostnadsuppskattningarna visar på behovet av internationellt stöd i fallet av en fullständig och storskalig implementering, men även att landets nationella ekonomiska medel är tillräckliga för ett "proof-of-concept" eller en första småskaliga implementering. På grund av den nuvarande bristen av tidigare forskning och data kring Fijis maritime transportsektor, är denna artikel avsedd att vara en första grundläggande studie som breder vägen för vidare forskning och som identifierar områden i behov av ytterligare analyser.

Det råder koncensus bland klimatforskare världen över att en omställning från fossila bränslen till mer klimatneutrala alternativ måste ske i energiproduktionen om det ska gå att hejda den globala uppvärmningen. Ett alternativ för att lyckas med detta är att producera energin från förnybara energikällor som vind och solkraft. Detta är också något som utnyttjas i allt högre grad runt om i världen, men problem uppstår dock när en stor del av en regions andel av energiproduktionen kommer från dessa källor. Det skapas en prisvolatilitet på marknaden, med priser som varierar lika mycket som vindstyrkan eller solinstrålningen. Ibland sjunker priserna så lågt att det är svårt att nå en lönsamhet för kraftverken. För att komma till bukt med denna obalans på energimarknaden kommer det att behöva byggas ett energilagringssystem som lagrar energin de förnybara källorna producerar. Ett alternativ för att lagra energi är att utvinna vätgas genom elektrolys när priserna på elmarknaden är låga för att sälja detta till olika aktörer. Tanken är att prisdalar ska jämnas ut om en överproduktion av el motverkas av en ökande elförbrukning genom vätgasframställning. På samma sätt jämnas pristopparna ut genom att upphöra med denna framställning när elproduktionen minskar. De aktörer som kan tänkas använda den producerade vätgasen kan vara allt från förbrukare inom industrin, vätgasbilar i transportsektorn, stationära bränsleceller för reservkraftverk, omvandling av koldioxid till biogas med hjälp av vätgas och konvertering av oljeeldade värmepannor. Vätgas är en skrymmande gas vid normalt tryck och temperatur, varför lagring måste ske i högt tryck eller i vätskefas. Detta göra att lagring och transport är två av de kostsammaste aspekterna i vätgashanteringen. Elpriset är också en stor kostnadsdrivare när vätgas framställs genom elektrolys. Dock kan en del av kostnaden för inköp av elenergi till en sådan här elektrolysanläggning undvikas om den placeras inom ett så kallat icke konscessionspliktigt nät, där ingen överföringsavgift behöver betalas. Exempel på sådana områden är vindkraftsparken på berget Uljabuouda utanför Arjeplog och fjärrvärmeverket på Hedensbyn i Skellefteå. Det huvudsakliga syftet med denna rapport har varit att undersöka om det är ekonomiskt försvarbart att lagra energi i form av vätgas genom elektrolysframställning. För att undersöka detta valdes att placera två tänkta elektrolysörer på Uljabuouda och Hedensbyn tillsammans med en jämförelseanläggning i Arjeplogs samhälle. Dessutom valdes två olika storlekar på elektrolysörerna, en som producerar 150 Nm3 vätgas i timmen, kallad C150, och en annan som producerar 300 Nm3, kallad C300. Förutom det huvudsakliga syftet har rapporten undersökt vilket snittpris på el det varit under de senaste fyra åren. Det presenteras också några beräkningar för olika marknadsaktörers möjligheter att använda vätgas. Undersökningens resultat Lönsamheten för elektrolysören styrs i första hand av om all vätgas som produceras kan säljas, givet att anläggningen placeras inom icke koncessionspliktigt nät. Placeras den utanför sagda område är lönsamheten betydligt sämre. Placering av elektrolysören på Hedensbyn ger lite bättre ekonomiskt resultat och kortare återbetalningstid i jämförelse med en placering på Uljabuouda. Det här beror till största del på de stordriftsfördelar som antas erhållas i anslutning till ett bemannat fjärrvärmeverk. Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 150 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år Återbetalningstiden i år för en elektrolysör som producerar 300 Nm3/h, med en drifttid på 4000 h/år och ett försäljningspris för vätgasen på 90 kr/kg är följandeUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år Det är osäkert om det går få tillstånd att bygga en elektrolysör på Uljabuouda. Detta gör att det kanske inte ens är lönt att överväga byggnation av en elektrolysör på detta ställe. De senaste fyra åren har snittpriset på el har varit 274 kr/MWh. Vid ett så lågt elpris kan vindkraftverk få problem med lönsamhet för sin elproduktion. Marknadsundersökningen visar att marknaden för vätgas i Västerbotten och Norrbotten inte är speciellt stor i nuläget. Den kan dock komma att växa. Biltestverksamheten i Arjeplog kan inom en snar framtid förbruka en väsentlig del av det som en elektrolysör i storlek C150 producerar. Fjärrvärmeverket på Hedensbyn är också en möjlig förbrukare av vätgas i sina uppstartsbrännare. / There is a consensus amongst climate scientists around the world that a shift from fossil fuels to more climate-neutral alternatives must take place in the energy production in order to cope with global warming. One way to succeed with this is to produce energy from renewable sources such as wind and solar power. This is also something that is increasingly being utilized around the world, but problems arise when a large part of a region's share of energy production comes from these sources. There can be price volatility in the market, with prices that vary as much as wind or solar radiation. Sometimes prices drop so low that it is difficult to achieve profitability for power plants. In order to overcome this imbalance in the energy market, an energy storage system will need to be built that stores the energy the renewable sources produce. An alternative to storing energy is to extract hydrogen through electrolysis when prices in the electricity market are low to sell this to different players. The idea is that price valleys will be leveled out if an overproduction of electricity is counteracted by increasing electricity consumption through hydrogen production. Similarly, pricing peaks are leveled by ending this production when power generation decreases. The operators who may use the hydrogen produced may range from industrial users, hydrogen vehicles in the transport sector, stationary fuel cells for reserve power plants, conversion of carbon dioxide to biogas by hydrogen and conversion of oil-fired boilers. Hydrogen is a bulky gas at normal pressure and temperature, so storage must take place in high pressure or in liquid phase. This means that storage and transportation are two of the most expensive aspects of hydropower management. Electricity price is also a major cost driver when hydrogen is produced by electrolysis. However, part of the cost of purchasing electricity for such an electrolysis plant can be avoided if it is placed within a so-called non-licensed network, where no transfer fee is required. Examples of such areas are the wind farm on the Uljabuouda mountain outside Arjeplog and the district heating plant at Hedensbyn in Skellefteå. The main purpose of this report has been to investigate whether it is economically justifiable to store energy in the form of hydrogen through electrolysis production. To investigate this, it was decided to place two thought electrolysers on Uljabuouda and Hedensbyn together with a comparison facility in Arjeplog's society. In addition, two different sizes were selected on the electrolysis tubes, one that produces 150 Nm3 hydrogen per hour, called C150, and another that produces 300 Nm3, called the C300. In addition to the main purpose, the report has examined the average price of electricity for the last four years. It also presents some estimates for the potential of various market participants to use hydrogen. Survey results: The profitability of the electrolyzer is primarily governed by the fact that all hydrogen produced can be sold, given that the plant is placed within non-concessionary networks. Placed outside the stated area, profitability is significantly reduced. Placement of the electrolyzer on Hedensbyn gives a little better financial performance and a shorter payback time compared to a location on Uljabuouda. This is largely due to the economies of scale assumed to be obtained in connection with a manned district heating plant. The payback time in figures for an electrolyzer that produces 150 Nm3/h, with a running time of 4000 h/year and a sales price of 90 kr/kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 11,3 år Arjeplog: 14,4 år Hedensbyn: 10,8 år The payback time in figures for an electrolyzer producing 300 Nm3 / h, with a running time of 4000 h / year and a sales price of 90 kr / kg of hydrogen is the followingUljabuouda: 7,92 år Arjeplog: 9,25 år Hedensbyn: 7,75 år It is uncertain whether permission is being given to build an electrolyzer on Uljabuouda. This may make the construction of an electrolytic tube there not even worth to consider. In the past four years, the average electricity price has been 274 kr / MWh. This is a low electricity price due to overproduction of electricity. At such a low electricity price, wind turbines can have problems with profitability for their production. The market survey shows that the market for hydrogen in Västerbotten and Norrbotten is not particularly high at present. However, it may grow. The car test business in Arjeplog can in the near future consume an essential part of what an electrolytic tube in size C150 produces. The district heating plant at Hedensbyn is also a potential hydrogen source in its boot burner.

Alltmer intermittent elkraft byggs idag i Sverige för att öka andelen förnybar el i energisystemet. Detta leder till mer ojämn elproduktion, vilket skapar problem i form av mer volatila och oförutsägbara elpriser. Ett sätt att dämpa effekten av den ökande intermittenta kraften är att använda förnybar vätgasproduktion som lastutjämning. På detta sätt kan vätgasen potentiellt bli en viktig del i den fossilfria energimixen. Att använda vätgas som energilager i en Power-to-Power-applikation (P2P) möjliggör även utnyttjandet av prisarbitrage på elmarknaden. Ett ökat klimatfokus har återuppväckt intresset för hur vätgasproduktion kan göras lönsamt. Några tecken på att satsningar sker är att flera länder satsar stora pengar på vätgastekniker och infrastruktur, där flertalet samarbeten över nationella gränser har etablerats.Denna studie syftar till att undersöka de tekno-ekonomiska förutsättningarna för produktion av förnybar vätgas där lönsamheten av arbitragehandel på elmarknaden Elspot bedöms. Detta innefattar en gedigen granskning av kommersiella tekniker lämpade för Linköpings energisystem, däribland elektrolys, ångreformering och bränslecell. Tre fall konstruerades med olika uppsättningar av ingående komponenter. Sedan utfördes en driftoptimering som tog fram övre och undre prisgränser för produktion respektive konvertering av vätgas mot spotpriset. Optimeringsverktyget Problemlösaren i Excel användes för att få fram dessa gränser. Visual Basic (VBA) användes sedan för att genomföra en lagersimulering som visualiserar lagersaldot för alla årets timmar. För att få fram kostnaden för varje kilogram producerad vätgas användes nuvärdesberäkningen Levelised Cost of Energy (LCOE), vilket även underlättade jämförelsen av de tre fallen. Vilka effekter i form av växthusgasutsläpp de olika anläggningarna medför utvärderades också genom beräkningssättet konsekvensanalys. Där jämfördes effekten i form av nettoutsläpp i koldioxidekvivalenter för integrering av respektive anläggning. Resultaten visar på att det finns kommersiella tekniker som kan integreras med det befintliga energisystemet på ett resurseffektivt sätt, däremot är de ekonomiska förutsättningarna inte lika bra och P2P-lösningarna är idag långt ifrån lönsamma. Anledningen tros vara en kombination av otillräckliga elprisfluktuationer samt låg total systemverkningsgrad (som högst 14%) för samtliga konstruerade fall. De årliga intäkterna från elförsäljningen motsvarar cirka 1 procent av de årliga kostnaderna för anläggningen, och LCOE landade på cirka 1500 kronor. Resultaten från investeringskalkyleringen visar på att en högre utnyttjandegrad leder till en lägre LCOE. Lagersimuleringen visar på att säsongslagring krävs för denna typ av anläggning då fluktuationerna inte är tillräcklig stora på en daglig, veckovis eller månatlig basis. Känslighetsanalys på LCOE och driftoptimeringen visar inte heller på lönsamhetsmöjligheter i P2P-fallen även vid gynnsamma justeringar på parametrarna investeringskostnad, elpris och verkningsgrad. Ur ett klimatperspektiv visar samtliga fall, med ett undantag, på en minskade växthusgasutsläpp i regionen.  Slutsatsen som dras av resultaten från fallstudien är att, trots goda tekniska förutsättningar och positiv inverkan på lokala växthusgasutsläpp, kan en P2P-applikation med vätgaslagring inte göras lönsam i en svensk kontext inom en nära framtid. Däremot visar ett Power-to-Gas-fall potential för lönsamhet, då dess investeringskostnad är mindre samt att systemverkningsgraden är högre. / More and more intermittent electric power is being built in Sweden today to increase the share of renewable electricity in the energy system. This leads to more uneven electricity generation, which creates problems in terms of more volatile and unpredictable electricity prices. One way to dampen the effect of the increasing intermittent power is to use renewable hydrogen production as load shedding. In this way, the hydrogen gas can potentially become an important part of the fossil-free energy mix. Using hydrogen as energy storage in a Power-to-Power application (P2P) also enables the use of price arbitrage in the electricity market. An increased climate focus has rekindled interest in how hydrogen production can be made profitable. Some signs that investments are taking place are that several countries are investing big money on hydrogen technologies and infrastructure, and collaborations across national borders have been established. This study aims to investigate the techno-economic prerequisites for renewable hydrogen production where the profitability of arbitrage on the Elspot market is explored. This comprises a thorough investigation of commercial technologies suited for Linköping’s energy system. Three cases where constructed with different component constellations. Then the operational strategy was optimised which generated a lower and upper price limit for production and conversion of hydrogen with input price data from Elspot. The optimisation tool in Excel was used in order to obtain these price limits. Visual Basic (VBA) was then used for storage simulation in order to get a perception of the storage development through all the hours of the year. The cost of every kilogram of hydrogen produced was then calculated through Levelized Cost of Energy (LCOE), which made the comparison of the three cases easier. The resulting greenhouse gas emissions when integrating the facilities in each case were also evaluated with a so-called impact analysis. The effect was compared in net emissions in carbon dioxide equivalents for an integration of each facility.     The results show that there are commercial technologies that can be integrated with the existing energy system in a resource efficient manner, whereas the economic prerequisites are not as good, where today’s Power-to-Power (P2P) solutions are not profitable. The reason seems to be the combination of insufficient spot price fluctuations and a low system efficiency (14% at best) for each case. The annual revenues correspond to 1 percent of the annual costs and that LCOE lands at about 1500 SEK. A higher utilization percentage of the plant shows a lower LCOE in the investment calculation. The storage simulation indicates that a seasonal storage is needed for this type of facility because of that the spot price fluctuations are not big enough on a daily, weekly or monthly basis. The sensitivity analysis made on the investment calculation and operational strategy also shows that there is no profitability in the P2P cases where parameters regarding investment cost, efficiency and electricity price were set optimistically. The Power-to-Gas case on the other hand shows potential for profitability, all because of lower total investment costs and higher efficiency. All cases except the case with steam methane reforming shows reductions in greenhouse gas emissions when integrated in the regional energy system.   The conclusion that can be drawn from the results in the case study is that, in spite of good technological prerequisites and a positive effect on local greenhouse gas emissions, a P2P-application with hydrogen storage cannot be made profitable in a Swedish context in the near future. However, a Power-to-Gas case shows potential for profitability because of its lesser investment cost and that the system efficiency is higher.

Sedan industriella revolutionen har hastigheten av global uppvärmning och föroreningar i miljön ökat betydligt. Företag i fordonsindustrin arbetar aktivt för att göra sina produkter mer hållbara genom att bland annat minska utsläppen, minimera användningen av icke-förnybara resurser samt att återvinna. En batteridriven elbil (BEV) är en möjlig lösning för renare transport och marknaden har ökat signifikant. Men med den nuvarande batteriteknologin skulle stora byggmaskiner som grävmaskiner behöva tunga batterier för att möta sina energibehov, vilket ökar den totala vikten. Bränslecellshybriddrivna fordon (FCHEV) med vätgas är en potentiell lösning för medelstora och stora byggmaskiner som kombinerar bränsleceller och batterier för att tillhandahålla energin. Byggmaskiner har en växlande effekt och utför vanligtvis upprepande arbetsmönster, men en bränslecell reagerar långsammare på grund av den kemiska processen. Därför behövs ett effektivt energihanteringssystem för att möta effektbehovet, uppfylla systembegränsningar, minska vätgasförbrukningen samt att begränsa bränslecell- och batteridegraderingen. Syftet med denna avhandling är att utveckla en kontrollenhet och ett estimeringsinstrument för maskinbelastning för ett sådant FCHEV system. En ny energihanteringsstrategi föreslås genom att formulera den som ett optimeringsproblem och använda modellprediktiv reglering (MPC) för att minimera målfunktionen som involverar vätgasförbrukning och hastighetsbegränsningar. Kontrollenheten ger en optimal fördelning av bränslecell- och batterikraft över en tidsperiod som uppfyller det efterfrågade effektbehovet och följer systembegränsningarna. Maskinbelastningsestimeringen är baserad på autokorrelation och integreras med kontrollenheten. Estimeringsinstrumentet fungerar som en ingång till kontrollenheten som optimerar fördelningen av kraften mellan batteriet och bränslecellen. Jämfört med den tidigare realtidsfördelningsfunktionen för effekt som användes av Volvo Construction Equipment AB (Volvo CE) visade det sig att MPC kombinerat med autokorrelationsbaserad belastningsestimering främst använde ett mycket smalare fönster för batteriets laddningstillstånd (SoC), vilket öppnar upp möjligheten att minska batteristorleken i maskinen. Transienter i bränslecellens effekt minskar också, vilket minskar dess nedbrytning och förbättrar livslängden. / Ever since the industrial evolution, the rate of global warming and pollution in the environment have gone up significantly. Automotive companies are actively working towards making their products more sustainable in terms of reducing emissions, minimizing resource utilization of non-renewables, recycling, and several other steps. A pure battery electric vehicle (BEV) is a possible solution for cleaner transport and has seen widespread adoption among users. However, with the current battery technology, large construction machines such as excavators would need heavy batteries to meet their energy demand, pushing up the overall weight. Hydrogen driven Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles (FCHEV) are a potential solution for medium and large sized construction machines having both fuel cells and batteries to supply energy. Construction machines have a highly transient power and generally perform repeating patterns of work but a fuel cell is slow reacting device due to the chemistry involved. Hence there is a need for an efficient energy management system to meet the power demand, satisfy system constraints, reduce hydrogen consumption and limit fuel cell and battery degradation. This thesis aims to develop a controller and a machine load predictor for such a FCHEV. A novel energy management strategy is proposed by formulating it as an optimization problem and using Model Predictive Control (MPC) to minimize the objective function that involves hydrogen consumption and rate constraints. The controller yields an optimal fuel cell and battery power split over a time-horizon that fulfills the demanded power and obeys the system constraints. An auto-correlation-based machine load predictor is integrated with the controller. The predictor serves as an input to the controller that optimizes the power split between the battery and fuel cell. Compared to the previous real-time power-split function used by Volvo Construction Equipment AB (Volvo CE), the MPC combined with the auto-correlation-based load predictor was found to primarily use a much narrower battery State of Charge (SoC) window, thus opening up the potential to reduce battery size in the machine. Transients in the fuel cell power are also reduced, thus slowing down its degradation and improving the lifetime.

There is a need for alternative marine fuels and propulsion techniques in order to reduce the environmental and climate impacts of the transport sector, and meet the new Swedish climate targets of net zero emissions by 2045. There are several projects and studies on full electric ferries, while the option of hydrogen fuel cell-battery hybrids are not as well explored. This study assesses the prospects for three alternative fuels and propulsion techniques for a commuter ferry in Stockholm City. The fuels assessed are hydrogen (Fuel cellbattery hybrid/electric engine), electricity (Full battery/electric engine) and a biofuel (HVO/Internal combustion engine). Conventional diesel was included as benchmark. A multi-criteria decision analysis approach is employed in order to assess the fuel systems by estimated fuel performance and benchmarked input onthe relative criteria importance. The criteria cover economic, environmental, technical, and ultimately social aspects like availability and supply of fuel. The full battery solution was discarded due to excessive weight, but as only one charging solution was investigated it is recommended for further investigation. HVO performed best in an overall score comparing all fuel alternatives, but in a comparison between only fuel cell hybrid and HVO, including the availability criteria, the fuel cell hybrid system performed best. The analysis therefore supports the opportunity to implement fuel cell-battery hybrids onthis route. / Det finns ett behov av alternativa marina bränslen och framdrivningstekniker för att minska transportsektorns miljö- och klimatpåverkan, och för att uppfylla de nya svenska klimatmålen om att inte ha några nettoutsläpp till 2045. Det finns flera projekt och studier om fullt elektriska färjor, alternativet att använda bränslecellshybrider inte är däremot inte lika utforskat. Denna studie utvärderar möjligheterna för tre alternativa bränslen och framdrivningstekniker för implementering på Djurgårdsfärjan i Stockholm Stad. De utvärderade bränslena är vätgas (bränslecellshybrid / elmotor), elektricitet (full batterilösning / elmotor) och ett biobränsle (HVO / Förbränningsmotor). Konventionell diesel ingick som riktmärke för jämförelse. Analysen genomfördes för att bedöma och jämföra bränsleprestandan mellan de olika systemen. En beslutsgrundande multikriterieanalys (MKA) utfördes och jämfördes mot liknande studier där en analytisk hierarkisk process (AHP) utförts tillsammans med viktiga intressenter i den marina transportsektorn i Sverige. Kriterierna täcker ekonomiska, miljömässiga, tekniska och i slutändan sociala aspekter som tillgång till bränsle. Den fullständiga batterilösningen avfärdades på grund av för stor massa av energisystemet, men att eftersom endast ett laddningsalternativ undersöktes rekommenderas den för ytterligare analys. HVO presterade bäst i den övergripande poängen där alla bränslealternativ jämfördes. Hybridsystemet presterade dock bäst i en jämförelse mellan HVO och hybrid där kriterierna justerades till att inkludera tillgängligheten av bränslet. Resultatet visar att viktningen av den relativa betydelsen för de olika kriterierna har stor betydelse vid utvärdering av bränslealternativ. Analysen stöder därmed möjligheten att implementera bränslecellshybrid på denna linje.

The proton exchange membrane fuel cell generates electricity from hydrogen and oxygen (from air) through electrocatalytic reactions in an electrochemical cell. The Pt/C catalyst, commonly used in PEM fuel cells, is very sensitive to impurities that can interact with the active catalyst sites and limit fuel cell performance. Unfortunately, most hydrogen is currently produced from fossil sources, and inevitably contains impurities. The subject of this thesis is the effect of hydrogen impurities on the operation of a PEM fuel cell using a Pt/C anode. The impurities studied are carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), and selected hydrocarbons. Particular focus is given to the interaction between the impurities studied and the anode catalyst. The main method used in the study involved performing cyclic voltammetry and mass spectrometry, simultaneously. Other electrochemical techniques are also employed. The results show that all the impurities studied adsorb to some extent on the Pt/C catalyst surface, and require potentials comparable to that of CO oxidation, i.e., about 0.6V, or higher to be removed by oxidation to CO2. For complete oxidation of propene, and toluene, potentials of above 0.8, and 1.0V, respectively, are required. The unsaturated hydrocarbons can be desorbed to some extent by reduction, but oxidation is required for complete removal. Adsorption of ethene, propene, and CO2 is dependent on the presence of adsorbed or gaseous hydrogen. Hydrogen inhibits ethene and propene adsorption, but facilitates CO2 adsorption. Adsorption of methane and propane is very limited and high concentrations of methane cause dilution effects only. The adlayer formed on the Pt/C anode catalyst in the presence of CO2, or moderate amounts of hydrocarbons, is found to be insffuciently complete to notably interfere with the hydrogen oxidation reaction. Higher concentrations of toluene do, however, limit the reaction. / Polymerelektrolytbränslecellen genererar elektricitet fran vätgas och syrgas (fran luft) genom elektrokatalytiska reaktioner i en elektrokemisk cell. Den platina-baserade katalysator som oftast används i dessa bränsleceller är känslig mot föroreningar, då dessa kan interagera med katalysatorns aktiva yta, och därmed begränsna bränslecellens prestanda. Tyvärr produceras dagens vätgas huvudsakligen fran fossila källor och innehåller därför oundvikligen föroreningar. Denna avhandling behandlar hur olika vätgasföroreningar påverkar katalysatorns aktivitet och bränslecellens drift. De föroreningar som studeras är kolmonoxid (CO) och koldioxid (CO2), samt ett antal mindre kolväten. Störst fokus ligger på hur dessa föroreningar interagerar med anodens Pt/C katalysator. Den metod som huvudsakligen används är cyklisk voltammetri kombinerat med masspektrometri, men flera elektrokemiska metoder har använts. Resultaten visar att alla undersökta föroreningar adsorberar på Pt/C katalysatorns yta i större eller mindre utstreckning. For att avlägsna det adsoberade skiktet genom oxidation till CO2 krävs potentialer jämförbara med CO oxidation, dvs ca 0,6V, eller högre. Fullständig oxidation av propen eller toluen kräver potentialer högre än 0,8V respektive 1,0V. De omättade kolvätena kan delvis avlägsnas genom reduktion, men fullständig avlägsning kräver oxidation. Närvaron av väte, i gasform eller adsorberat pa katalysatorn, hämmar adsorptionen av eten och propen, men främjar CO2 adsorption. Metan och propan adsorberar i mycket begränsad utstreckning på Pt/C katalysatorns yta. De prestandaförluster som uppstår av höga koncentrationer av metan förklaras av utspädning av vätgasen. Det adsorberade skiktet som bildas när Pt/C katalysatorn exponeras för CO2 eller måttliga koncentrationer av studerade kolväten, är inte tillräckligt heltäckande for att märkbart påverka vätgasreduktionen. Däremot kan höga koncentrationer av toluen begränsa reaktionen. / <p>QC 20161010</p>

The polymer electrolyte fuel cell converts the chemical energy in a fuel, e.g. hydrogen or methanol, and oxygen into electrical energy. The high efficiency and the possibility to use fuel from renewable sources make them attractive as energy converters in future sustainable energy systems. Great progress has been made in the development of the PEFC during the last decade, but still improved lifetime as well as lowered cost is needed before a broad commercialization can be considered. The electrodes play an important role in this since the cost of platinum used as catalyst constitutes a large part of the total cost for the fuel cell. A large part of the degradation in performance can also be related to the degradation of the porous electrode and a decreased electrochemically active Pt surface. In this thesis, different fuel cell reactions, catalysts and support materials are investigated with the aim to investigate the possibility to improve the activity, stability and utilisation of platinum in the fuel cell electrodes. An exchange current density, i0, of 770 mA cm-2Pt was determined for the hydrogen oxidation reaction in the fuel cell with the model electrodes. This is higher than previously found in literature and implies that the kinetic losses on the anode are very small. The anode loading could therefore be reduced without imposing too high potential losses if good mass transport of hydrogen is ensured. It was also shown that the electrochemically active surface area, activity and stability of the electrode can be affected by the support material. An increased activity was observed at higher potentials for Pt deposited on tungsten oxide, which was related to the postponed oxide formation for Pt on WOx. An improved stability was seen for Pt deposited on tungsten oxide and on iridium oxide. A better Pt stability was also observed for Pt on a low surface non-graphitised support compared to a high surface graphitised support. Pt deposited on titanium and tungsten oxide, displayed an enhanced electrochemically active surface area in the cyclic voltammograms, which was explained by the good proton conductivity of the metal oxides. CO-stripping was shown to provide the most reliable measure of the electrochemically active surface area of the electrode in the fuel cell. It was also shown to be a useful tool in characterization of the degradation of the electrodes. In the study of oxidation of small organic compounds, the reaction was shown to be affected by the off transport of reactants and by the addition of chloride impurities. Pt and PtRu were affected differently, which enabled extraction of information about the reaction mechanisms and rate determining steps. The polymer electrolyte fuel cell converts the chemical energy in a fuel, e.g. hydrogen or methanol, and oxygen into electrical energy. The high efficiency and the possibility to use fuel from renewable sources make them attractive as energy converters in future sustainable energy systems. Great progress has been made in the development of the PEFC during the last decade, but still improved lifetime as well as lowered cost is needed before a broad commercialization can be considered. The electrodes play an important role in this since the cost of platinum used as catalyst constitutes a large part of the total cost for the fuel cell. A large part of the degradation in performance can also be related to the degradation of the porous electrode and a decreased electrochemically active Pt surface. In this thesis, different fuel cell reactions, catalysts and support materials are investigated with the aim to investigate the possibility to improve the activity, stability and utilisation of platinum in the fuel cell electrodes. An exchange current density, i0, of 770 mA cm-2Pt was determined for the hydrogen oxidation reaction in the fuel cell with the model electrodes. This is higher than previously found in literature and implies that the kinetic losses on the anode are very small. The anode loading could therefore be reduced without imposing too high potential losses if good mass transport of hydrogen is ensured. It was also shown that the electrochemically active surface area, activity and stability of the electrode can be affected by the support material. An increased activity was observed at higher potentials for Pt deposited on tungsten oxide, which was related to the postponed oxide formation for Pt on WOx. An improved stability was seen for Pt deposited on tungsten oxide and on iridium oxide. A better Pt stability was also observed for Pt on a low surface non-graphitised support compared to a high surface graphitised support. Pt deposited on titanium and tungsten oxide, displayed an enhanced electrochemically active surface area in the cyclic voltammograms, which was explained by the good proton conductivity of the metal oxides. CO-stripping was shown to provide the most reliable measure of the electrochemically active surface area of the electrode in the fuel cell. It was also shown to be a useful tool in characterization of the degradation of the electrodes. In the study of oxidation of small organic compounds, the reaction was shown to be affected by the off transport of reactants and by the addition of chloride impurities. Pt and PtRu were affected differently, which enabled extraction of information about the reaction mechanisms and rate determining steps. / Polymerelektrolytbränslecellen omvandlar den kemiska energin i ett bränsle, exv. vätgas eller metanol, och syrgas  till elektrisk energi. Den höga verkningsgraden samt möjligheten att använda bränsle från förnyelsebara källor gör dem attraktiva som energiomvandlare i framtida hållbara energisystem. En enorm utveckling har skett under det senaste årtiondet men för att kunna introducera polymerelektrolytbränslecellen på marknaden i en större skala måste livstiden öka och kostnaden minska. Elektroderna har en central del i detta då den platina som används som katalysator står för en stor del av kostnaden för bränslecellen. En stor del av prestandaförsämringen med tiden hos bränslecellen kan också relateras till en degradering av den porösa elektroden och en minskad elektrokemiskt aktiv platinayta. I denna avhandling studeras olika bränslecellsreaktioner samt olika katalysatorer och supportmaterial med målet att undersöka möjligheten att förbättra platinakatalysatorns aktivitet, stabilitet och utnyttjandegrad i bränslecellselektroder. Utbytesströmtätheten, i0, för vätgasoxidationen i bränslecell bestämdes till 770 mA cm-2Pt genom försök med modellelektroderna. Denna var högre än vad som framkommit tidigare i litteratur, vilket visar att de kinetiska förlusterna på anoden är mycket små. Katalysatormängden på anoden borde därför kunna minskas utan några större potentialförluster så länge masstransporten av vätgas är tillräcklig. Den elektrokemiskt aktiva ytan, aktiviteten och stabiliteten hos elektroden visade sig kunna påverkas av supportmaterialet. Platina deponerad på volfram oxid hade en högre aktivitet vid höga potentialer vilket relaterades till den förskjutna oxidbildningen på ytan. Elektroder med platina på volframoxid och iridiumoxid var mer stabila än elektroder med platina på kol. Det var även platina på ett icke grafitiserat kol med låg yta jämfört med platina på grafitiserade kol med en hög yta. Platina på metalloxidskikt av volfram och titan visade en högre elektrokemiskt aktiv yta i de cykliska voltamogrammen än platina på kol, vilket förklarades med att båda metalloxiderna har en bra protonledningsförmåga. CO-stripping gav det säkraste måttet på den elektrokemiskt aktiva ytan i en elektrod i bränslecell. CO-stripping visade sig även vara användbart för karaktärisering av degraderingen av en elektrod. Oxidationen av små organiska föreningar påverkades av borttransporten av intermediärer samt av kloridföroreningar. Pt aoch PtRu påverkades olika vilket gjorde det möjligt att få fram information om reaktionsmekanismer och hastighetsbestämmande steg. / QC 20101014

The automotive industry has been actively seeking ways to reduce emissions and combat global warming. While pure battery electric vehicles have shown promise in achieving zero-tailpipe emissions, they face challenges in meeting the energy demands of large construction machines like excavators and wheel loaders, due to the heavy batteries required. To overcome this issue, Fuel Cell Hybrid Electric Vehicles (FCHEV) have emerged as a potential solution. However, efficient energy management systems are crucial for FCHEV, as fuel cells are slow-reacting devices and construction machines operate with highly transient work cycles. This thesis addresses the need for an effective energy management strategy by developing a controller and machine load predictor for an FCHEV. The proposed approach utilizes Model Predictive Control (MPC) to minimize an objective function encompassing hydrogen consumption and rate constraints. The controller determines the optimal power split between the fuel cell and battery over a specific time-horizon, ensuring power demand is met while adhering to system constraints. Additionally, an auto-correlation-based machine load predictor is integrated with the controller to optimize the power split between the battery and fuel cell. By implementing the MPC combined with the auto-correlation-based load predictor, the FCHEV effectively utilizes a narrower battery State of Charge (SoC) window, potentially reducing the required battery size in the machine. Moreover, the strategy reduces transients in fuel cell power, slowing down degradation and enhancing its lifetime, in comparison to Volvo Construction Equipment AB’s (Volvo CE) previous real-time power-split function. This research contributes to the development of energy-efficient solutions for large construction machines, particularly in the context of FCHEV. The proposed energy management strategy utilizing MPC and load prediction techniques holds promise for improving overall system performance, reducing hydrogen consumption, and limiting the degradation of fuel cell and battery components. / Bilindustrin har sedan länge sökt sätt att minska utsläppen och bekämpa den globala uppvärmningen. Även om rent batteridrivna elektriska fordon är i princip avgasfria, så är det utmananade att möta energikraven för stora byggmaskiner som grävmaskiner och hjullastare med endast batterier. För att övervinna detta problem har bränslecell-hybrid-elektriska fordon (FCHEV från engelskans Fuel-cell hybrid electrical vehicle) identifierats som en potentiell lösning. Dock är effektiva energihanteringssystem avgörande för FCHEV, eftersom bränsleceller reagerar långsamt och byggmaskiner arbetar med snabbt varierande arbetscykler. Detta examensarbete försöker att möta behovet av en effektiv energihanteringsstrategi genom att utveckla en styrenhet och maskinbelastningsprognos för en FCHEV. Det föreslagna tillvägagångssättet använder modellprediktiv reglering (MPC) för att minimera en målfunktion som ta hänsyn till både vätekonsumtion och hastighetsbegränsningar. Styrenheten bestämmer den optimala effektfördelningen mellan bränslecellen och batteriet över en specifik tidshorisont, och säkerställer att effektkravet uppfylls samtidigt som systembegränsningarna följs. Dessutom integreras en auto-korrelationsbaserad maskinbelastningsprediktor med styrenheten för att optimera effektfördelningen mellan batteriet och bränslecellen. Genom att implementera MPC i kombination med den auto-korrelationsbaserade belastningsprognosen, använder FCHEV effektivt ett smalare fönster för batterets laddningstillstånd (SoC), vilket potentiellt minskar den nödvändiga batteristorleken i maskinen. Dessutom minskar strategin transienter i bränslecellseffekten och förbättrar dess livstid, jämfört med Volvo Construction Equipment AB:s (Volvo CE) tidigare lösning. Denna forskning bidrar till utvecklingen av energieffektiva lösningar för stora byggmaskiner, särskilt i sammanhanget FCHEV. Den föreslagna energihanteringsstrategin, med sin kombination av MPC och belastningsprediktionstekniker, har en potential att förbättra den totala systemprestandan, minska vätekonsumtionen och begränsa försämringen av bränslecell- och batterikomponenter.

Perovskite based materials have great potentials for various energy applications and the search for new materials for uses in SOFCs has largely been concentrated to this class of compounds. In this search, we have studied perovskite phases in the system La2Co1+z(Ti1-xMgx)1-zO6, with 0  x 0.9 and z = 0.0, 0.2, 0.4, 0.6. Crystal structures were characterized by XRD and, for selected compositions, also by NPD and SAED. They exhibit with increasing x, as well as increasing z, a progressive increase in symmetry from monoclinic to orthorhombic to rhombohedral. The main focus in this work has been on the investigation of structure-property relations for compositions with 0.0 x 0.5 and z = 0. The nominal oxidation state of Co increases for these with increasing x, from Co2+ for x = 0 to Co3+ for x = 0.5. Magnetic measurements and XANES studies showed that the average spin state of Co changes linearly with increasing x, up to x = 0.5, in accordance with varying proportions of Co with two fixed oxidation states, i.e. Co2+ and Co3+. The data suggests that the Co3+ ions have an IS spin state or a mixture of LS and HS spin states for all compositions with nominally only Co2+ and Co3+ ions, possibly with the exception of the composition with x = 0.1, 0.2 and z = 0, for which the data indicate that the spin state might be HS. The XANES data indicate furthermore that for the perovskite phases with z = 0 and x &gt; 0.5, which in the absence of O atom vacancies contain formally Co4+, the highest oxidation state of Co is Co3+, implying that the substitution of Ti4+ by Mg2+ for x ³ 0.5 effects an oxidation of O2- ions rather than an oxidation of Co3+ ions. The thermal expansion was found to increase nearly linearly with increasing oxidation state of Co. This agrees well with findings in previous studies and is attributable to an increase in the ionic radius of Co3+ ions with increasing temperature, due to a thermal excitation from a LS to IS or LS/HS spin states. High temperature electronic conductivity measurements indicate that the electronic conductivity increases with an increase of both relative and absolute amount of Co3+. The latter can be attributed to an increase in the number of Co-O-Co connections. Additional high temperature magnetic measurements for selected samples, whose susceptibilities did not follow a Curie law behaviour up to room temperature, showed effective magnetic moments that did approach plateaus even at high temperatures (900 K). Interpretations of these data are, however, hindered by the samples losing oxygen during the applied heating-cooling cycle. The present study has shown that the investigated system is suitable for further studies, of more fundamental character, which could provide further insight of the structure-property relationships that depend on the oxidation state of Co. / Studies of cobalt based perovskites for cathode materials in solid oxide fuel cells.