Finlandezii de la Wartsila lansează 4 motoare navale noi care folosesc amoniacul drept combustibil, oferind o alternativă cu zero CO2 în emisii

Anul 2023 cu siguranţă marchează lansarea în producţie a primelor motoare navale din lume, care folosesc amoniacul drept combustibil, cu ideea de a înlocui dieselul şi combustibilul marin vâscos şi poluant, dar şi gazul natural lichefiat, preferat până de curând. MAN Energy Solutions a lansat în acest an primul motor naval cu amoniac, în doi timpi, iar la mijlocul lunii noiembrie şi Wartsila anunţa primul său motor naval cu amoniac, doar că de această dată în patru timpi. Ei bine, la doar câteva săptămâni distanţă, finlandezii de la Wartsila mai lansează încă 4 motoare noi la pachet, care să folosească amoniac, extinzând tehnologia acestei propulsii practic în toate gamele cele mai solicitate de putere.

Folosirea amoniacului în combustia directă a motoarelor navale are un raţionament ecologic — amoniacul cu formula NH3 poate fi produs industrial, în două etape tehnologice, la una din etape producându-se hidrogenul, iar dacă în acest proces tehnologic se foloseşte energie regenerabilă, atunci combustibilul devine unul care nu are emisii CO2 nici la producţia sa, nici la ardere. Un asemenea amoniac e numit în industrie „amoniac verde”.

Pentru a produce amoniacul verde, iniţial procesul e similar producţie hidrogenului, din apă, prin electroliză, obţinându-se hidrogen curat şi oxigen curat. Pe de altă parte, din aerul atmosferic se extrage azotul, printr-o reacţie de separare care necesită de asemenea energie, ca şi electroliza. Apoi, având hidrogenul şi azotul în formă pură, cele două sunt unite printr-un proces industrial numit Haber-Bosch, un proces care are nevoie de 400 grade Celsius şi o presiune de 150 de bari pentru a avea loc. Deci, şi aici e vorba de un proces energofag, chiar dacă reacţia propriu-zisă produce energie.

Per total, pentru a obţine amoniac cu o greutate finală de un kilogram, se cheltuie următoarele cantităţi de energie — 7,76 kWh de energie pentru cantitatea de hidrogen necesară reacţiei finale, 0,24 kWh pentru separarea azotului necesar şi 2,3 kWh pentru reacţia finală Haber-Bosch. Dacă se foloseşte apă de mare pentru electroliza iniţială, se mai adaugă 0,03 kWh pentru filtrarea ei. Astfel, pentru amoniacul lichid final cu greutate de un kilogram, avem 10,3 kWh de electricitate pentru un kilogram de amoniac. Toate variaţiile de ineficienţă pot aduce cifra până la 11 kWh de energie necesară.

Aici unii cititori fideli, care ţin minte articolele anterioare, în spuneam că la producţia unui kg de hidrogen se consumă 53 kWh de electricitate, ar putea să se întrebe cum de se ajunge ca pentru un kilogram de amoniac să fie necesară mai puţină energie, inclusiv din cota de hidrogen?

Răspunsul e în compoziţia amoniacului şi masa molară, or, pentru a produce o tonă de amoniac sunt necesari 177 kg de oxigen şi 823 kg de azot, iar pentru un kilogram de amoniac — respectiv 0,177 kg de hidrogen şi 0,823 kg de azot. Iar aici, dacă am calcula 0,177 din 53 kWh, am ajunge la 9,381 kWh necesari pe partea de hidrogen în acel kilogram final de amoniac. Totuşi, tehnologia de producţie a amoniacului stipulează 7,76 kWh necesari, nu 9,381, iar explicaţia e într-o metodă de electroliză PEM pentru producţia hidrogenului, adică pe bază de membrană cu schimb de protoni, care, realizată în condiţii industriale perfecţionate, poate însemna 44 kWh consumaţi pentru un kilogram de hidrogen, nu 53 kWh, cum produce Toyota în prezent, spre exemplu. Iar aici, dacă înmulţim 0,177 cu cei 44 kWh, ajungem la cei 7,76-7,78 kWh menţionaţi mai sus, şi astfel ajungem la confirmarea acelui rezultat de 10,3 kWh pentru un kilogram de amoniac. Dacă hidrogenul s-ar produce prin metode mai ineficiente, însă, am mai putea adăuga încă 1,6 kWh pentru fiecare kilogram de amoniac final.

Toate aceste ecuaţii fac amoniacul să fie un combustibil atractiv pentru nave, pentru că până la urmă densitatea lui energetică e bună, poate fi stocat în formă lichidă şi nu are emisii CO2. E crucial, însă, de a-i asigura combustia la temperatura ideală, de 630 grade Celsius, cam de 3 ori mai mare decât cea a combustibililor navali obişnuiţi, şi de a filtra emisiile, pentru a evita formarea gazului ilariant N2O, numit şi protoxid de azot, care are un efect de seră mult mai mare decât CO2, şi totodată de a minimiza formarea de NOx şi reţinerea lor prin filtre. Dacă se fac toate aceste lucruri, atunci motorul naval care operează cu azot produs din electricitatea turbinelor eoliene şi sau panourilor solare poate fi inofensiv pentru ecologie şi totodată nava nu trebuie să stocheze zeci de tone de baterii.

Tocmai de asta, vedem o evoluţie atât de rapidă în acest an a motoarelor cu amoniac, anunţate în dezvoltate acum câţiva ani. Cele 3 motoare noi Wartsila lansate acum sunt din familia Wartsila 20, 31, 46F şi 46TS.

Şi în articolul despre primul motor naval Wartsila cu amoniac cineva ne întreba despre eficienţa termică a unei asemenea combustii. Adevărul e că această eficienţă e mai mică per total, dar nu foarte departe de cea a diesel-ului la motoarele navale. Studiile existente indică o cifră octanică bună a amoniacului şi o eficienţă termică de 37% şi chiar un pic mai sus. În cazul noilor motoare Wartsila, eficienţa termică nu e anunţată, dar aceste motoare sunt dezvoltate inclusiv pe baza motorului Wartsila 31, care deţine în prezent recordul mondial pentru randament dintre toate motoarele cu combustie, depăşind 50%. Deci putem prezuma că şi la arderea amoniacului acest motor va indica un randament mai bun de 37%, dar fiind în continuare uşor mai mic decât la diesel.

Iar această mică diferenţă pierdută în randament e recompensată de lipsa emisiilor CO2. Mai mult ca atât, chiar şi cu producţia din energie verde a amoniacului, costul acestuia n-ar trebui să depăşească costul gazului lichefiat sau a diesel-ului, ba chiar se aşteaptă că va fi uşor mai mic. Deci există şi o motivaţie economică pentru asta.

Şi, în fine, aşa cum spuneam, acest combustibil poate fi uşor stocat în formă lichidă la 10 bari şi temperaturi de până la 24 grade Celsius, deci efortul de stocare e mult mai mic decât la hidrogen. Iar astfel amoniacul pare o alternativă mult mai fezabilă în transportul naval decât hidrogenul sau decât navele electrice cu baterii. Da, oamenii de ştiinţă trag semnale de alamă despre minimizarea cantităţii nearse de amoniac ce poate ieşi de pe ţevile de eşapament, iar amoniacul e un gaz toxic. Da, trebuie multă precauţie la temperatura de combustie şi la filtrare. Şi da, e absolut crucial ca hidrogenul şi amoniacul din procesul de fabricaţie să fie produse doar cu energie regenerabilă, altfel toată ecuaţia îşi pierde sensul. Dar, dacă se îndeplinesc toate aceste condiţii, soluţia pare una de-a dreptul viabilă.