Amoniak może napędzać silniki. Najpierw trzeba okiełznać jedną małą dziurkę

Amoniak nie zawiera węgla, łatwiej go magazynować i transportować niż wodór, a przemysł ma z nim spore doświadczenie. Brzmi obiecująco, ale w silniku sama obecność paliwa to tak naprawdę dopiero początek. Ważne jest to, jak trafi do cylindra i jak dobrze zostanie rozpylony. Międzynarodowy zespół badaczy sprawdził, jak średnica otworu wtryskiwacza wpływa na spalanie mieszanki amoniaku i biodiesla w silniku diesla. I wyszło im, że o sukcesie może decydować detal mniejszy niż ziarnko piasku. W testowanym silniku najlepsze wyniki dała mieszanka z 20 proc. amoniaku i otwór o średnicy 0,26 mm.

Amoniak, czyli NH₃, składa się z azotu i wodoru. Nie ma w nim atomu węgla, więc samo jego spalanie nie musi oznaczać emisji CO₂ z paliwa. To główny powód, dla którego wraca w rozmowach o dekarbonizacji żeglugi, przemysłu i części ciężkiego transportu. Tam, gdzie baterie są za ciężkie, a wodór za kłopotliwy w magazynowaniu, amoniak wygląda po prostu jak rozsądny kompromis.

Tyle teoria. W praktyce amoniak jest paliwem trudnym, kapryśnym i nieprzyjemnym w obsłudze. Jest toksyczny, wymaga ostrożnej infrastruktury, nie zapala się tak chętnie jak klasyczne paliwa i spala się wolniej. Jeżeli proces spalania pójdzie źle, problemem nie będzie tylko niższa sprawność. Mogą pojawić się także emisje tlenków azotu, czyli NOx, oraz podtlenku azotu, N₂O, który jest silnym gazem cieplarnianym.

Jak pisaliśmy w tekście: Paliwo wyczyści oceany. Ale najpierw trzeba je okiełznać, największa obietnica amoniaku zderza się z bardzo konkretną fizyką spalania. Paliwo bez węgla nie jest automatycznie paliwem prostym. Trzeba jeszcze dopilnować temperatury, mieszania, zapłonu i tego, co finalnie wychodzi z wydechu.

Właśnie dlatego liczą się badania, które nie kończą się na hasłach w stylu: silnik na amoniak, tylko zaglądają pod maskę i rozkładają wszystko na czynniki pierwsze. Tym razem w centrum uwagi znalazł się detal, o którym na co dzień nikt nie myśli, a mianowicie: średnica otworu wtryskiwacza.

W silniku diesla wtryskiwacz nie jest zwykłą rurką, która po prostu podaje paliwo do cylindra. To bardzo precyzyjny element odpowiedzialny za rozpylenie paliwa na drobne krople. Od tego zależy, jak szybko paliwo odparuje, jak dobrze wymiesza się z powietrzem i jak równomiernie będzie się spalać.

Jeżeli krople są zbyt duże, to spalanie może być mniej efektywne. Część paliwa może nie zdążyć dobrze wymieszać się z powietrzem, pojawią się lokalne strefy bogatej mieszanki, a silnik zacznie tracić sprawność i produkować więcej niechcianych emisji. Jeżeli paliwo jest rozpylone drobniej, to jego powierzchnia kontaktu z powietrzem rośnie, a mieszanka ma większą szansę spalić się szybciej i czyściej.

Badacze sprawdzili średnice otworów wtryskiwacza od 0,26 do 0,34 mm. To różnica, którą łatwo zlekceważyć, bo mówimy o ułamkach milimetra. W silniku może jednak zmienić cały przebieg procesu. Drobniejsze rozpylanie paliwa oznacza inną geometrię strugi, inną penetrację kropli w cylindrze i inne warunki tworzenia mieszanki.

Najlepszy wynik w badaniu dała najmniejsza testowana średnica, czyli 0,26 mm. To sugeruje, że przy mieszankach amoniaku i biodiesla drobniejsze rozpylenie było ważniejsze niż samo zwiększanie udziału amoniaku w paliwie.

Autorzy pracy sprawdzili aż 5 wariantów paliwa: klasyczny diesel oraz mieszanki oznaczone A10, A20, A30 i A40. Liczby oznaczają udział amoniaku, od 10 do 40 proc., w połączeniu z biodieslem wytwarzanym z oleju posmażalniczego. Badacze nie testowali futurystycznego paliwa w oderwaniu od rzeczywistych zasobów. Zużyty olej kuchenny jest odpadem, który można przetworzyć na biodiesel i wykorzystać jako element mniej emisyjnego układu paliwowego.

Najlepszy zestaw to A20 przy średnicy otworu 0,26 mm. Silnik osiągnął wtedy moc indykowaną 6,39 kW, sprawność cieplną 35,3 proc. oraz emisję NOx na poziomie 3 g/kWh. Sprawność cieplna mówi, jaka część energii chemicznej paliwa została zamieniona na użyteczną pracę. Im wyższa, tym mniej energii ucieka w postaci strat.

Dlaczego nie wygrała mieszanka z większą ilością amoniaku? Bo w silniku nie zawsze więcej paliwa oznacza lepszy wynik. Amoniak pomaga ograniczać węglowy ślad paliwa, ale pogarsza warunki zapłonu, jeśli jest go zbyt dużo. Przy umiarkowanym udziale można skorzystać z jego zalet, nie tracąc stabilności spalania. Przy zbyt dużym udziale zaczynają wracać stare problemy: wolniejsza reakcja, gorsze spalanie i większe ryzyko emisji ubocznych.

Amoniak nie działał samotnie w tym badaniu. Towarzyszył mu biodiesel z oleju posmażalniczego, czyli paliwo o wyższej liczbie cetanowej i łatwiejszym zapłonie. To nie przypadek. Biodiesel inicjuje spalanie, skracając opóźnienie zapłonu i stabilizując przebieg reakcji, z czym sam amoniak ma problem. Dzięki temu mieszanka zapala się pewniej, a silnik pracuje równiej w układzie dwupaliwowym.

Taki układ może być bliższy realnym wdrożeniom. Przemysł rzadko przeskakuje z dnia na dzień od paliw kopalnych do idealnie czystych rozwiązań. Częściej pojawiają się mieszanki, tryby przejściowe, dodatki poprawiające zapłon i rozwiązania, które nie są doskonałe, ale pozwalają zmniejszać emisje bez wymiany całej infrastruktury naraz.

Przeczytaj także:

Jak pisaliśmy w tekście: Dymiące diesle do lamusa. Elektryki wypływają na szerokie wody, transport morski i ciężki przemysł szukają dziś wielu równoległych dróg ucieczki od klasycznego diesla. Jedne prowadzą przez elektryfikację, inne przez wodór, metanol, biopaliwa albo amoniak. Nie ma jednej odpowiedzi dla wszystkich zastosowań.

Mieszanka amoniaku i biodiesla pasuje właśnie do tego świata rozwiązań przejściowych. Nie jest końcem historii, ale może być jednym ze sposobów na ograniczenie emisji tam, gdzie pełna elektryfikacja jest po prostu zbyt trudna.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI