Towards net-zero shipping: Sustainable energy and power in future marine vessels

Abstract

Global shipping is undergoing a critical transition as it strives to meet the International Maritime Organization’s target of reaching net-zero greenhouse gas emissions by 2050. Achieving this ambition requires a coordinated transformation of energy technologies, powertrain architectures, and circular economy practices. As the maritime sector advances toward electrification, choices in propulsion, energy-storage, and fuel systems will determine both environmental performance and long-term economic viability.

This research explores the techno-economic and environmental feasibility of sustainable energy pathways for marine vessels, focusing on alternative fuels for high-power ships and on circular economy strategies for large-scale lithium-ion batteries. It integrates three complementary areas: sustainable fuel options for icebreakers, experimental analysis of first- and second-life battery performance, and life-cycle cost modelling of marine energy storage systems. The investigation integrates laboratory-scale ageing experiments, life-cycle and total cost-of-ownership modelling, and ship-level techno-economic simulations based on operational data from the Polaris icebreaker and Ellen e-ferry. Comparative assessments encompass fossil fuels, electrofuels, and nuclear energy systems, while the circular economy framework quantifies the reuse and salvage value of propulsion batteries across diverse market and cost conditions.

The results identify small modular reactors and renewable methanol and ammonia as the most promising long-term energy solutions for icebreakers. The Small Modular Reactor (SMR) offers near-zero operational emissions and approximately €15 million lower life-cycle costs than the next best alternative. In the energy storage studies, retired electric vehicle batteries retained substantial capacity for reuse in lower-stress stationary applications, with first-life cycling intensity having only a limited effect on second-life degradation once repurposed at approximately 80% state of health. Second-life batteries can achieve payback periods between three and six years in frequency control or stacked grid services when procured at half the cost of new systems. Battery reuse and material circulation further reduce ferry life-cycle costs by 1–2%, improving battery capital efficiency by about 20%.

Future research should focus on optimising hybrid fuel–battery configurations, conducting more comprehensive techno-economic analyses of small modular marine reactors, developing policy-driven life-cycle models to refine decarbonisation pathways for a broader range of vessel types, and enhancing the logistics of large-scale battery repurposing.

Kansainvälinen merenkulku on käännekohdassa pyrkiessään saavuttamaan Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) asettaman nollapäästö tavoitteen kasvihuonekaasujen osalta vuoteen 2050 mennessä. Tämän tavoitteen saavuttaminen edellyttää kokonaisvaltaista muutosta energiantuotantoteknologioissa, voimansiirtojärjestelmissä ja kiertotalouden käytännöissä. Merenkulun edetessä kohti sähköistymistä ratkaisut propulsioenergian varastoinnissa ja polttoainejärjestelmissä ja merimoottoreissa määrittävät sekä ympäristösuorituskyvyn, että pitkän aikavälin taloudellisen kestävyyden.

Tässä tutkimuksessa tarkastellaan kestävien energiavaihtoehtojen teknistaloudellista ja ympäristöön liittyvää toteuttamiskelpoisuutta meriliikenteessä keskittyen suuritehoisten alusten vaihtoehtoisiin polttoaineisiin sekä suurten litiumioniakkujen kiertotalousratkaisuihin. Tutkimus yhdistää kolme toisiaan täydentävää osa-aluetta: jäänmurtajien kestävät polttoainevaihtoehdot, ensimmäisen ja toisen elinkaaren akkujen kokeellisen suorituskykyanalyysin sekä meriliikenteen alusten energiavarastojen elinkaarikustannusmallinnuksen. Menetelmällisesti tutkimus yhdistää laboratoriomittakaavan ikäännytyskokeita, elinkaari- ja omistuskustannusmallinnusta sekä alustason teknistaloudellisia simulointeja, jotka perustuvat operatiivisiin mittausaineistoihin Polaris-jäänmurtajasta ja Ellen-sähkölautasta. Vertailuanalyysit kattavat fossiiliset, synteettiset ja ydinvoimapohjaiset energiavaihtoehdot, ja kiertotalouskehikko arvioi propulsioakkujen uudelleenkäytön ja jäännösarvon eri markkina- ja kustannusskenaarioissa.

Tulokset osoittavat, että pienet modulaariset reaktorit (SMR) sekä uusiutuva metanoli ja ammoniakki ovat lupaavimmat pitkän aikavälin energiaratkaisut jäänmurtajille. SMR mahdollistaa lähes nollapäästöisen käytön ja noin 15 miljoonaa euroa pienemmät elinkaarikustannukset verrattuna seuraavaksi parhaaseen vaihtoehtoon. Energiavarastotutkimuksissa havaittiin, että käytöstä poistetuilla sähkökäyttöisen liikkuvan kaluston akuilla on edelleen merkittävästi jäljellä olevaa kapasiteettia, kun niitä hyödynnetään matalampaa kuormitusta vaativissa kiinteissä sovelluksissa. Ensimmäisen elinkaaren kuormituksella todettiin olevan vain rajallinen vaikutus toisen elinkaaren vanhenemiseen, kun akut otetaan uudelleen käyttöön noin 80 %:n kuntoasteella. Toisen elinkaaren akut voivat saavuttaa 3–6 vuoden takaisinmaksuajan kantaverkon taajuuden säätöreservinä tai yhdistetyissä sähköverkon palveluissa, kun ne hankitaan puolella uuden järjestelmän hinnasta. Akkujen uudelleenkäyttö ja materiaalien kierrätys alentavat lisäksi sähkölauttojen elinkaarikustannuksia 1–2 % ja parantavat akkuinvestointien pääomatehokkuutta noin 20 %.

Jatkossa tutkimuksen tulisi keskittyä hybridialusten polttoaine ja akkujärjestelmien optimointiin, pienten modulaaristen merireaktoreiden syvempään teknistaloudelliseen analyysiin, politiikkaperusteisten elinkaarimallien kehittämiseen eri alusten päästövähennyspolkujen tarkentamiseksi sekä laajamittaisen akkujen uudelleenkäytön logistiikan tehostamiseen ja prosessien automatisointiin.