Paliwo wyczyści oceany. Ale najpierw trzeba je okiełznać
Amoniak może być świetnym paliwem dla oceanicznej żeglugi, ale dotąd przegrywał z fizyką spalania. Nowe badanie pokazuje, jak można sprytnie obejść ten problem.
Amoniak od lat jest wskazywany jako jedno z najważniejszych paliw przyszłości dla wielkich statków. Nie zawiera węgla, więc nie produkuje dwutlenku węgla i można go magazynować znacznie łatwiej, niż niesforny wodór. Same zalety? Nie do końca. Amoniak ma też swoje fatalne przyzwyczajenia: bardzo niechętnie się zapala, pali się powoli, a na dokładkę potrafi zostawić po sobie nieprzyjemny zestaw emisji, których nikt nie chce w portowym powietrzu.
Nowe badanie pokazuje jednak tryb spalania, który może pomóc przeskoczyć jedną z największych barier na drodze do czystszej żeglugi i wreszcie przekuć potencjał amoniaku w coś praktycznego.
Amoniak wygląda idealnie, ale tylko wygląda
Paliwo pozbawione atomów węgla nie generuje w procesie spalania dwutlenku węgla. Amoniak, związek chemiczny o wzorze NH3, składa się wyłącznie z azotu i wodoru, co czyni go z definicji paliwem bezemisyjnym pod względem CO2. Z perspektywy dekarbonizacji sektora morskiego ma cechy szczególnie pożądane: występuje w fazie ciekłej, jest substancją doskonale rozpoznaną w przemyśle, możliwą do transportu i składowania przy użyciu istniejącej infrastruktury oraz funkcjonuje w ramach globalnego łańcucha handlu chemikaliami.
Rzeczywistość jest jednak mniej ciekawa. Amoniak ma niską prędkość płomienia, trudno go zapalić w klasycznym silniku i mocno chłodzi otoczenie podczas odparowania. Zanim paliwo spali się w cylindrze, musi przejść proces wtrysku, parowania i wymieszania. Jeśli przy okazji odbiera dużo ciepła, może utrudniać własny zapłon.
Dodatkowym wyzwaniem są także emisje uboczne. Część amoniaku może opuszczać komorę spalania w formie nieprzetworzonej, co określa się jako ammonia slip. Proces spalania może również prowadzić do powstawania tlenków azotu oraz podtlenku azotu (N2O) – gazu cieplarnianego o potencjale ocieplenia wielokrotnie przewyższającym dwutlenek węgla. Wdrożenie silnika amoniakalnego, który eliminuje emisje CO2, ale generuje znaczące ilości N2O, nie stanowiłoby rozwiązania proklimatycznego, lecz de facto działanie pozorne, maskujące negatywny wpływ netto.
Najpierw trzeba rozgrzać piekarnik, potem dopiero spalić amoniak
Zespół z Tianjin University i Lund University zaproponował tryb spalania nazwany Ammonia Thermal Atmosphere Compression Ignition, w skrócie TACI. W tym przypadku moniaku nie próbuje się zapalić w zimnym i mało sprzyjającym środowisku. Najpierw w cylindrze tworzy się aktywną, gorącą atmosferę, a dopiero potem wtryskuje amoniak.
Do zbudowania tego środowiska wykorzystano n-heptan, czyli łatwiej zapalające się paliwo referencyjne. Jego spalanie w trybie HCCI, czyli jednorodnego zapłonu samoczynnego od sprężania, podnosi temperaturę, ciśnienie i tworzy reaktywne rodniki chemiczne. Rodniki to bardzo aktywne fragmenty cząsteczek, które ułatwiają rozpoczęcie kolejnych reakcji. W takie przygotowane, gorące środowisko wtryskiwany jest ciekły amoniak. Dzięki temu nie musi on polegać wyłącznie na klasycznym, powolnym rozchodzeniu się płomienia. Badacze opisują raczej stabilne spalanie dyfuzyjne, w którym proces jest kontrolowany przez mieszanie paliwa z powietrzem i aktywną atmosferę w cylindrze.
Zamiast na siłę zmuszać amoniak, by zachowywał się jak benzyna czy olej napędowy, czyli robić z niego paliwo, którym nigdy nie będzie, nowe podejście robi coś znacznie mądrzejszego. Tworzy mu warunki, w których jego największe wady po prostu przestają dominować. Nie chodzi o to, żeby amoniak stał się idealny. Chodzi o to, żeby przestał być tak uparty, że nie da się go użyć.
Są jednak pewne ograniczenia
Jednym z najważniejszych wyników pracy jest wskazanie granicy termodynamicznej. Stabilne spalanie amoniaku wymagało temperatury w cylindrze rzędu około 1500 K. To bardzo wysoka temperatura, ale w silniku spalinowym nie jest niczym niecodziennym. Klucz polega na tym, żeby osiągnąć ją w odpowiednim momencie i w odpowiednim miejscu.
Badacze pokazali, że bez takiej aktywnej atmosfery efekt chłodzenia wywołany odparowaniem amoniaku potrafi zdusić proces. Amoniak wtryskiwany do cylindra odbiera dużo ciepła, więc jeśli środowisko nie jest wystarczająco gorące i reaktywne, zapłon staje się niestabilny albo emisje rosną.
TACI działa więc jak sprytny sposób na obejście chemicznej ociężałości amoniaku, ale nie przez zmianę jego natury, bo tego się zrobić nie da, tylko przez inteligentne ustawienie warunków. To trochę tak, jakby zamiast kazać komuś biec szybciej, po prostu skrócić dystans i wyrównać ścieżkę. Amoniak zapala się dokładnie wtedy, kiedy trzeba i spala się możliwie dokładnie – nie dlatego, że stał się innym paliwem, tylko dlatego, że wreszcie dano mu szansę zrobić to po swojemu.
Mniej gazów cieplarnianych, więcej amoniaku w miksie. Tak wygląda przełom
Najważniejsza liczba w całym badaniu to udział energii pochodzącej z amoniaku przekraczający granicę 80 proc. To nie jest więc dodatek do tradycyjnego paliwa ani eksperymentalna domieszka. Amoniak stał się głównym paliwem, a n-heptan zszedł do roli zapłonnika i twórcy reaktywnej atmosfery, która pomaga amoniakowi wreszcie się spalić. Nie jest już źródłem napędu, tylko katalizatorem warunków. Cała reszta pochodzi już z tego, co miało być paliwem przyszłości.
W zoptymalizowanych warunkach średniego obciążenia badacze uzyskali redukcję emisji gazów cieplarnianych przekraczającą 70 proc. To wręcz świetnie się w poziom ambicji wyznaczany dla żeglugi na 2040 r. przez Międzynarodową Organizację Morską. Branża morska potrzebuje teraz przede wszystkim technologii, które da się skalować do wielkich silników pracujących godzinami, dniami i tygodniami.
Równie istotne jest to, że w stabilnych warunkach TACI pozwalał utrzymać bardzo niską emisję podtlenku azotu, niskie emisje NOx oraz pomijalny poślizg niespalonego amoniaku. To trio jest tutaj istotne. Jeśli choć jeden z tych elementów wymknie się spod kontroli, cały argument za paliwem amoniakowym traci sens.
Nadchodzi rewolucja w żegludze
Żegluga jest jednym z najtrudniejszych sektorów do dekarbonizacji. Samochód osobowy można stosunkowo łatwo zelektryfikować. Statek oceaniczny płynący przez tygodnie z ogromnym ładunkiem potrzebuje paliwa o dużej gęstości energetycznej, łatwego do bunkrowania i możliwego do obsłużenia w portach na całym świecie.
Baterie są przydatne w krótkich rejsach, promach, jednostkach portowych i żegludze przybrzeżnej. W oceanicznej skali nadal są zbyt ciężkie i zajmują zbyt dużo miejsca. Wodór jest czysty przy użyciu, ale trudny w magazynowaniu, bo wymaga bardzo niskich temperatur albo wysokiego ciśnienia. Amoniak jest toksyczny i trudny w spalaniu, ale ma ogromną przewagę logistyczną: świat już umie produkować, przewozić i magazynować go na dużą skalę.
Przeczytaj także:
Właśnie dlatego amoniak jest tak poważnie traktowany jako paliwo dla statków. Nie dlatego, że jest idealny a dlatego, że jego wady mogą być łatwiejsze do okiełznania niż wady wielu alternatyw.
