По оценкам, в мировом торговом флоте насчитывается более 50 000 коммерческих судов, производящих примерно три процента антропогенного диоксида углерода в мире, в основном за счет сжигания тяжелой нефти. По объему, три основных вида топлива, используемые коммерческими торговыми судами, представляют собой мазут с низким содержанием серы, LSFO; мазут с высоким содержанием серы, HSFO (со скрубберами); и газойль с низким содержанием серы (LSGO). LSFO и HSFO требуют нагрева для соответствующего распыления и сгорания.

В качестве средства сокращения выбросов углекислого газа некоторые судовладельцы заказали новый тоннаж для работы на сжиженном природном газе, СПГ (в основном метан) или метаноле. Обратите внимание, что оба вида топлива являются углеводородными.

Горючим неорганическим соединением, которое до недавнего времени игнорировалось в качестве судового топлива, является аммиак, второй по объемам производства химикат в мире после серной кислоты. Ежегодно в мире производится около 200 метрических тонн аммиака, который используется в основном для производства удобрений, боеприпасов и бытовых товаров. Из-за его широкого использования многие порты имеют инфраструктуру и технические возможности для обработки аммиака. Поскольку аммиак представляет собой дискретное химическое соединение, смешивание аммиака из разных источников не должно быть проблемой.

Поскольку сегодня большая часть аммиака производится из природного газа, его цена зависит от цены природного газа. По мере ускорения производства зеленого аммиака цена на аммиак перестанет зависеть от цены на природный газ и будет зависеть от мирового спроса на удобрения. Зеленый аммиак производится из воды и воздуха с использованием зеленого электричества, электричества из ядерной, ветровой и солнечной энергии.

Как правило, чем больше водорода содержит молекула топлива, тем больше тепла она выделяет при сгорании. Приблизительное химическое выражение для СПГ – CH4, и при сгорании он дает 21 500 БТЕ/фунт. Химическое выражение метанола – CH3OH, а его теплотворная способность составляет примерно 9800 БТЕ/фунт. Хотя и СПГ, и метанол производят меньше двуокиси углерода, чем обычное судовое топливо, они производят двуокись углерода. Обратите внимание, что приблизительное химическое выражение тяжелого судового топлива составляет CH1,5, а его приблизительная теплотворная способность составляет 18 500 БТЕ/фунт.

При сжигании аммиака, NH3, не образуется двуокись углерода и выделяется 8 120 БТЕ/фунт. Тот факт, что аммиак не образует углекислого газа, был признан как производителями двигателей, так и владельцами судов, заботящимися об окружающей среде. Недавно некоторые производители двигателей объявили, что к 2024 году они разработают двигатели, работающие на аммиаке, и к 2025 году они будут доступны для судов. Итальянский судовладелец Grimaldi Group недавно подписал заказ на строительство до десяти легковых и грузовых автомобилей, работающих на аммиаке.

В дополнение к устранению двуокиси углерода аммиачное топливо также устраняет другие выбросы, связанные с углеводородами, такие как двуокись серы и твердые частицы.

Судовладельцы, начинающие строить суда, готовые к работе с аммиаком, — это хороший знак, однако, учитывая, что на новое строительство приходится всего два процента ежегодно обновляемого мирового флота, потребуется десятилетия, чтобы морская индустрия отказалась от углеводородного топлива.

Параллельный подход

Следует рассмотреть параллельный подход, разработку системы модернизации существующих судов для снижения их потребления углеводородного топлива путем модификации судов для замены значительной части потребляемой ими нефти аммиаком. По мере уменьшения доли потребления масла пропорционально уменьшаются загрязняющие вещества, не связанные с двуокисью углерода, а также выбросы двуокиси углерода.

Использование эмульсий для работы двигателей с воспламенением от сжатия, в основном использующих водомасляные эмульсии, исследовалось в течение десятилетий и показало некоторые положительные эффекты. Эмульсии масла и аммиака также были исследованы, и было показано, что они имеют положительный эффект с дополнительным эффектом замены энергии углеводородного топлива. Исследования показали, что более 90% замещения энергии, полученной нефтью, может быть достигнуто с помощью масляно-аммиачных эмульсий в зависимости от условий нагрузки двигателя. Также было показано, что выбросы двуокиси углерода монотонно уменьшались при том же выходном крутящем моменте двигателя по мере увеличения количества аммиака в топливной смеси. Кроме того, сжигание аммиака в двигателях не обязательно увеличивает выбросы NOx, несмотря на связанный с топливом азот. Более низкие уровни выбросов NOx наблюдались, если замещение энергии аммиаком не превышало 60%. Считается, что это происходит из-за более низкой температуры сгорания аммиака.

На протяжении многих лет предпринимались попытки эмульгировать жидкий аммиак с очень ограниченным успехом из-за того, что аммиак испаряется до того, как эмульсия достигает топливных насосов высокого давления. Двое моих коллег, Джим Харбах и Вито Агоста, экспериментировали с низкотемпературной эмульсией дизельного топлива и аммиака на небольшом промышленном четырехтактном двигателе с воспламенением от сжатия, но не смогли добиться стабильной работы из-за летучести аммиака.

Я, Джим Харбах и Деннис Бреннан поставили перед собой цель сократить использование в морской промышленности альтернативных видов топлива для производства углекислого газа, и мы считаем, что это может быть достигнуто для существующих коммерческих судов в дополнение к новым постройкам.

Поскольку большинство коммерческих судов не известкованы из-за вспомогательного машинного пространства и веса, мы предлагаем систему мазут-аммиак, предназначенную для повышения давления мазута и жидкого аммиака до давления выше критического давления аммиака 113,57 бар (132,41 oC) перед эмульгированием двух компонентов. жидкости, что позволяет нагревать топливную часть эмульсии до температуры, необходимой для достижения надлежащей вязкости впрыска.

Следует отметить, что элемент системы эмульгирования масла и аммиака должен обеспечивать равномерное распределение аммиака в масле, особенно если эти две жидкости не смешиваются.

В следующей таблице показано сокращение выбросов углекислого газа, которое может быть достигнуто путем замены части теплоты сгорания жидкого топлива теплотой сгорания аммиака для первичного двигателя с воспламенением от сжатия мощностью 25 000 л.с., работающего 300 дней в году.

В то время как вышеизложенное было сосредоточено на моторных судах, нет никаких причин, по которым эта концепция не может быть применена к паровым судам.

Прежде чем владелец переоборудует существующее судно для использования аммиака в качестве частичной замены топлива, планы должны быть обсуждены с производителем двигателя или котла, чтобы установить максимальное количество аммиака, которое двигатель или котел может безопасно и эффективно использовать.

Логичен вопрос: «Как мы храним аммиак на существующем сосуде?» Мой ответ: используйте цистерны с аммиаком среднего давления подходящего размера, подобные одобренным Министерством транспорта США железнодорожным цистернам с аммиаком на 34 400 галлонов. Цистерны могут быть расположены на палубе, если нет другого подходящего места. Двигатель мощностью 25 000 л.с., работающий с заменой топлива на 10% аммиака, будет потреблять менее семи баков аммиака каждые 30 дней.

Если одно судно мощностью 25 000 л. уменьшается, если такая практика становится обычным явлением. Если бы 300 подобных судов, использующих аммиак для 10-процентного замещения энергии, эксплуатировались 300 дней в году в море, сокращение выбросов углекислого газа в морской отрасли составило бы более 200 000 метрических тонн в год! Кроме того, подумайте о нефти, которая будет сохранена.

С моей точки зрения, нефть слишком ценна, чтобы ее сжигать для двигателей кораблей. Это исходное сырье для бензина, легких дистиллятов, пластмасс и синтетики, и его следует сохранять для использования в качестве исходного сырья. Сводя к минимуму потребление углеводородов, используемых для питания кораблей, морская промышленность может помочь сократить выбросы двуокиси углерода во всем мире и сохранить сырье, необходимое для поддержания современной цивилизации.

На мой взгляд, отрасли необходимо выйти из верхней мертвой точки и принять решительные, но разумные меры, чтобы помочь сократить выбросы двуокиси углерода на Земле, например, путем перехода на экологически чистое неуглеводородное топливо, такое как аммиак. Судовладельцы, производители двигателей, классификационные общества, правительства и поставщики топлива должны работать вместе, чтобы обезуглероживание морской отрасли стало реальностью.