Ammoniak tar fart när tekniken mognar

Efterfrågan på ammoniak förändras på grund av energiomställningen. Tills nyligen användes som råvara för gödningsmedel och kemikalier, växer nya marknader fram för grön och blå ammoniak för att ersätta kol i kraftproduktion, grönt stålproduktion och marina bränslen.

Cirka 200 miljoner ton produceras för närvarande årligen över hela världen, varav 20 miljoner ton transporteras med gasolfartyg. Dessa siffror kommer att stiga på grund av ny efterfrågan och storleken på den potentiella efterfrågan. Hur snabbt detta kan uppnås avgör acceptansen inom transporten.

Intresset för ammoniak härrör både från dess nollutsläpp när det används som bränsle och eftersom ammoniakproduktionen inte är beroende av biogena kolkällor. När den globala ekonomin övergår från fossilbaserade bränslen kommer biogent kol från fångad CO2, elektrolys och till och med avfallskällor att utsättas för ökad konkurrens från en mängd olika industrier.

Fossilt kol ersätts i allt högre grad av biogent kol i många av de produkter som idag används inom industri och konsumentvaror. Konkurrens från energi- och flygsektorerna kommer oundvikligen att leda till högre priser, men produktionskapaciteten måste komma från industriella källor snarare än från biomassa som skördats för detta ändamål.

Ökningen av ammoniak öppnar också för möjligheten till grönt väte som bränsle. Men eftersom ammoniak är mycket billigare att transportera över långa sträckor, och med tanke på energiförlusten när väte omvandlas till ammoniak genom Haber-Bosch-processen, överförs det mesta av vätet till den gröna ammoniaken på platsen tillverkas genom att demontera . Väte kommer att förbrukas.

Ammoniakproduktion

Att uppnå storskalig produktion av grön ammoniak för nya marknader kommer att kräva en betydande utbyggnad av produktionskapaciteten i samband med förnybar el och grönt väte. Den installerade kapaciteten för de vind- och solkraftverk som för närvarande är installerade över hela världen, särskilt de elektrolysatorer som behövs för att producera det gröna väte som behövs för att producera ammoniak, verkar liten jämfört med den kapacitet som behövs.

Förnybar el för elektrolys behöver produceras på platser runt om i världen där förhållandena är gynnsamma och stora markområden finns tillgängliga för vind- och solenergi. Dessa platser är ofta i avlägsna områden. Regioner som västra Australien, Chile, Västafrika, Oman och Saudiarabien förväntas vara de viktigaste produktionscentrumen. Ammoniak måste transporteras från dessa platser till efterfrågecentra, i första hand Nord/östra Asien och Europa.

Aktuella prognoser för global produktionstillväxt indikerar att det år 2040 kommer att finnas tillräckligt med förnybar el för att producera den nödvändiga mängden grön ammoniak enbart av sjöfartsflottan. Men sjöfarten kommer också att konkurrera med många andra branscher om både förnybar och grön kraft. Försörjningsbegränsningar förväntas inte bara för det väte som behövs för ammoniakproduktion, utan också för andra sektorer som är beroende av grön ammoniakkonsumtion, såsom jordbruk och koleldade kraftverk.

Framdrivningsteknik

Inledande tester utfördes av flera stora motortillverkare som använder ammoniak som bränsle i förbränningsmotorer. Detta test har varit mycket lovande och har inte funnit några betydande problem vid användning av ammoniak som förbränningsbränsle i förbränningsmotorer.

Även om pilotbränslevolymer och NOx-, NH3-slirning och N2O-utsläpp för kommersiella marinmotorer ännu inte har kvantifierats, är marinmotortillverkare generellt överens om att dieselcykeln är optimal för ammoniakförbränning.

Forskning pågår om både diesel- och Otto-förbränningskoncept. Att optimera utsläppsminskningar förväntas bli en utmaning, med hög temperaturförbränning som krävs för att kontrollera N2O och ammoniakglidning, vilket också ger höga NOx-nivåer. Tester på tvåtaktsmotorer har visat att NOx är ett mindre problem när man använder dieselcykelförbränningsprinciper vid förbränning av ammoniak. När ammoniak sprutas in i förbränningskammaren expanderar den och skapar en kylande effekt, vilket eliminerar de höga topptemperaturerna i förbränningszonen som producerar höga NOx.

Pilotbränsle behövs för att antända ammoniaken och behövs även för att stabilisera förbränningen. För små 4-taktsmotorer krävs 10 % pilotbränsle efter att motoroptimeringen är klar och motorn är igång. Stora tvåtaktsmotorer som använder dieselcykeln kräver endast 5 % pilotbränsle, och vissa motortillverkare förväntar sig att kunna minska denna mängd ytterligare.

Utvärdering av utsläpp

Därför, även om de faktiska utsläppen av NH3 och N2O ännu inte har bedömts korrekt, förväntas utsläppen vara låga, särskilt i dieselförbränningscykeln. Enligt IPCC 2013-ARS är 20-åriga globala uppvärmningspotentialen (GWP) för N2O 264 och 100-åriga GWP är 265, så beroende på utsläppsnivån är fördelarna med att använda ammoniak som bränsle framför CO2 mycket av det kan annulleras. Detta förblir ett potentiellt betydande hinder för adoption.

Konstruktörer av marina tvåtaktsmotorer har dock funnit att N2O-nivåerna är låga i tester, i samma intervall som observerats med andra bränslen som marin diesel, LNG och metanol. Sammantaget anses dieselförbränningsprincipen vara idealisk för användning av ammoniak, eftersom temperaturen i förbränningskammaren når en ”sweet spot” där glidnivåer av NOX, N2O och ammoniak registreras vid mycket låga nivåer. Det förväntas därför att dessa motorer kommer att kunna fungera enligt IMO NOx Tier II-standarder utan behov av begränsningssystem.

Från och med första kvartalet 2024 har stora marinmotortillverkare följande utvecklingsplaner och ledtider för ammoniakdrivna motorer:

• Tvåtakts ammoniak-dubbelbränslemotor som täcker ett effektområde från 5 MW till 31 MW. Dessa motorer kommer att vara tillgängliga för leverans från Q4 2024/Q1 2025.
• Fyrtakts ammoniakmotorer blir också tillgängliga som dubbelbränslegeneratorer. Två motortillverkare planerar att lansera denna typ av motor i slutet av 2024 eller början av 2025.

Säkerhet och avgasbehandling

De flesta motorkonstruktörer räknar med att avgasefterbehandling kommer att krävas för att uppfylla IMO:s NOx Tier III-standard, och alla är överens om att det föredragna sättet att rensa avgaser efter att de har drivits ut är Vi förväntar oss att specificera selektiv katalytisk reduktion (SCR) som Den använder en förbränningskammare snarare än avgasåterföring (EGR), vilket förändrar förbränningsförhållandena och begränsar produktionen av NOX. EGR minskar mängden syre i insugningsluften, och det finns farhågor om att detta kommer att ha en mycket negativ inverkan på ammoniakförbränningsprestandan, men detta är fortfarande föremål för ytterligare utredning.

Förutom ammoniakdrivna huvudmotorer och generatorer dyker det också upp hjälpmotorkonstruktioner som är nödvändiga för att slutföra övergången till ammoniakdrivna fartyg. Panntillverkare förbereder dubbelbränslepannor som använder ammoniak som bränsle så att ånga och värme kan produceras genom förbränning av ammoniak.

Rutinmässig hantering av ammoniak ombord på fartyg kräver en lösning för att samla upp ammoniakånga på ett säkert sätt. Denna ånga släpps ut under normala motoravstängningar när rörsystemet behöver tömmas eller när ett fel inträffar någonstans i bränsleförsörjningssystemet.

Olika lösningar för ångbehandling är under utveckling från flera tillverkare, inklusive vattenskrubberdesigner som kan avlägsna ammoniakånga från spolluft. I denna lösning lagras ammoniakånga i en dedikerad tank som en vatten-ammoniaklösning. Detta tillvägagångssätt kräver dock en dedikerad infrastruktur vid hamnen för att ta emot och lagra data.

Alla ovanstående system förbereds för nybyggnadsprojekt av olika fartygstyper och det förväntas att dessa system kommer att vara i drift i slutet av 2025 eller början av 2026. Det uppskattas att cirka 50 till 70 fartyg för närvarande är i beställning. april 2024.

René Sejer Laursen är Director of Fuels and Technology på American Bureau of Shipping (ABS).