Inginerii germani au creat prototipul unui motor naval cu un cilindru, în 4 timpi, care va opera cu combustie de hidrogen

În ultimi ani, am vorbit de mai multe ori despre o evoluţie majoră care se întâmplă în lumea transporturilor maritime, acolo unde sunt dezvoltate cu viteză accelerate tipuri de propulsie noi, care să folosească noi tipuri de combustibil, ce nu ar mai genera poluarea şi emisiile enorme actuale. Aşa cum scriam într-un articol din noiembrie, toate camioanele electrice Volvo, produse în istorie până la acel moment, au evitat emiterea a 213.000 tone de CO2, conform calculelor producătorului suedez, prin înlocuirea a 5.700 de camioane diesel de pe şosele şi parcurgerea cu propulsie electrică a 250.000.000 km, doar că emisiile unei singure nave uriaşe transportatoare de containere, de 24.000 TEU, sunt cifrate la 235.000-320.000 tone de CO2 într-un singur an. Deci, o singură navă mare emite într-un an mai mult decât au economisit toate camioanele electrice Volvo din istorie, iar asta ne arată elocvent cât de important e să privim lucrurile în perspectivă şi cât de importantă e această tranziţie tehnologică în lumea motoarelor navale. Ei bine, acum inginerii germani de la Everllence, cunoscută ca MAN Energy Solutions anterior, au creat prototipul unui motor naval cu un cilindru, în 4 timpi, care va opera cu combustie de hidrogen, la un randament admirabil ţintit de ei.

Foto: Noul motor naval cu hidrogen

Ciclul de funcţionare a unui motor naval — în doi timpi sau patru timpi — e întotdeauna important de menţionat, pentru că, spre deosebire de automobile, unde motoarele în doi timpi au rămas istorie, în lumea navelor ele sunt încă prezente şi de obicei ocupă nişele de putere mai mare. În prezent, cele mai răspândite motoare navale sunt cele diesel, care funcţionează pe un diapazon de combustibili, cuprins între dieselul marin şi păcura. De asemenea, în ultimii ani sunt tot mai răspândite şi motoarele cu LNG, adică gaz natural lichefiat, care emit mai puţine noxe, însă aveau şi problema că mai emiteau o cantitate de metan nears în atmosferă, pe lângă CO2.

În ultimii ani trei-patru tipuri de combustibili au fost explorate drept alternativă — amoniacul, metanolul, etanolul şi hidrogenul. Hidrogenul ar putea suna drept cea mai atractivă variantă, dar stocarea lui e o mare problemă — în formă gazoasă ocupă volum prea mare, dacă e comprimat e nevoie de structuri de rezistenţă enormă, care devin grele, şi oricum e voluminos, iar dacă e stocat lichid, are nevoie de temperaturi criogenice de -253 grade Celsius. Prin urmare, celelalte trei alternative — amoniacul, metanolul şi etanolul — au fost considerate mai atractive, pentru că stocarea lor e mai simplă, fără a necesita temperaturi extreme. Amoniacul devine lichid la -33,4 grade Celsius, metanolul e lichid şi în condiţii de temperaturi normale, de până la 64,7 grade Celsius, iar etanolul rămâne lichid până la 78,3 grade Celsius. Amoniacul poate fi păstrat lichid şi la temperaturi mai mari prin presiune — spre exemplu la +30 grade Celsius el mai e lichid dacă e pătrat la 11,7 bari.

Atractivitatea tuturor acestor 4 tipuri de combustibil e în faptul că ele pot fi produse sintetic, folosindu-se energie regenerabilă, iar la ardere fie nu se generează deloc CO2 — ca la hidrogen (H2) şi amoniac (NH3) —, fie se emite acelaşi CO2 extras în procesul de fabricare — ca la metanol (CH3OH) şi etanol (C2H5OH).

Motoarele cu amoniac există deja în lume, fiind proiectate şi lansate de mai mulţi producători navali, ba chiar au ajuns deja şi instalate pe primele nave în proces de construcţie. Motoare cu metanol şi etanol sunt de asemenea proiectate, construite sub formă de prototipuri şi testare, părerile despre care e mai viabil şi mai raţional fiind încă împărţite, dar în esenţă toate fiind mai bune, aparent, decât motoarele cu combustie clasică.

La hidrogen, evoluţia motoarelor a fost mai lentă. Există nave de croazieră ce au aplicat pile de combustie cu hidrogen pentru a-şi produce electricitatea de la bord, unele mai cochetează şi cu ideea de a-şi produce astfel electricitatea pentru propulsie, dar faza de dezvoltare e mai incipientă şi nimeni n-a evoluat foarte departe cu combustia de hidrogen. Unii producători au anunţat pur şi simplu cu unele motoare destinate LNG-ului ar putea opera şi cu amestec de gaz şi hidrogen. Ei bine, acum cei de la Everllence au decis să facă un pas major şi-n această direcţie.

Ei au construit primul prototip de motor la centrul lor de testare din Augsburg, Germania, pe baza căruia vor face măsurările şi ajustările de rigoare, pentru a putea maturiza tehnologia până la un eventual produs de serie. Şi pentru că e vorba de un prim prototip, s-a decis crearea unui motor cu un singur cilindru, pentru că aici e mai important ciclul corect al combustiei, nu ritmicitatea. Motoarele navale sunt de obicei proiectate modular şi ceea ce se aplică la 1 cilindru poate fi replicat apoi la multe alte formule cu mai mulţi cilindri în linie, la etapa de serie.

Inginerii germani de la Everllence vor fi asistaţi şi de profesori ingineri de la Universitatea Tehnică din Munchen, care vor avea rolul de părţi terţe pentru a măsura parametri combustiei şi mai ales emisiile rezultate. Or, combustia la presiune sau temperatură incorectă poate genera formarea de NOx din azotul şi oxigenul din atmosferă, fapt care e un efect total nedorit în orice motor, noxele fiind adeseori cu efect dăunător mai imediat decât CO2-ul.

Într-un mod similar de supraveghere universitară au fost dezvoltate şi motoarele cu amoniac. Acolo s-a descoperit că e nevoie de o combustie la exact 630 grade Celsius, spre deosebire de combustia la 210 grade Celsius la diesel. Doar aşa nivelul noxelor ajunge la un minim absolut şi NH3-ul se transformă în vapori de apă H20 şi azot pur N2, care revine în atmosferă.

Inginerii ţintesc un randament de combustie de 51,5% la noul motor cu hidrogen în 4 timpi, ceea ce ar fi un pic mai jos de motoare diesel cu recorduri absolute, dar ar asigura oricum o eficienţă foarte bună a combustiei. Însă abia testele şi măsurările în diverse condiţii vor confirma dacă acest deziderat va putea fi atins.

Primele teste arată promiţător, iar noul motor cu hidrogen, cu un cilindru, arată o funcţionare promiţătoare. Inginerii germani spun că testele şi scalarea vor dura mai mult de un an şi ne previn că faza de dezvoltare de acum e încă incipientă, dar anunţă în acelaşi timp că ar vrea să aibă la final primul motor naval din lume capabil să opereze cu 100% hidrogen în combustie, are să asigure zero emisii de CO2 şi să poată face uz de beneficiul acestui combustibil.

De ce şi-ar dori inginerii germani să mai dezvolte un motor naval cu combustie de hidrogen, dacă am menţionat mai sus că stocarea e cea mai dificilă la hidrogen şi dacă celelalte tipuri de combustibil — amoniacul, etanolul şi metanolul — au ajuns deja mai departe în stadiul elaborărilor? Ei bine, răspunsurile vin din câţiva parametri comparativi de densitate energetică.

Iată care e densitatea energetică a celor 4 combustibili, raportată la greutate:
• Hidrogen: 120 MJ/kg (≈33,3 kWh/kg);
• Amoniac: 18,6 MJ/kg (≈5,17 kWh/kg);
• Metanol: 19,9 MJ/kg (≈5,53 kWh/kg);
• Etanol: 26,7 MJ/kg (≈7,42 kWh/kg).

Aşadar, hidrogenul e ca un mare miraj aici, având cea mai mare densitate raportată la greutate. Doar că hidrogenul e foarte uşor, iar 1 kg înseamnă foarte mult în volum. Într-un metru cub de volum încape 1 tonă de apă, sau 1.000 kg. Mai jos, listăm şi ce greutăţi ale celor 4 tipuri de carburanţi în formă lichidă încap în acelaşi volum.

Greutatea raportată la volum a celor 4 combustibili în formă lichidă (şi conţinutul de energie în kWh raportat la volum):
• Hidrogen: 70,8 kg/m3 (≈2.357.64 kWh/m3);
• Amoniac: 682 kg/m3 (≈3.525,94 kWh/m3);
• Metanol: 791 kg/m3 (≈4.374,23 kWh/m3);
• Etanol: 789 kg/m3 (≈5.854,33 kWh/m3).

Astfel, dacă doar greutatea ar conta, hidrogenul ar fi regele la densitate energetică gravimetrică. Însă dacă şi volumul e important, atunci într-un metru cub de volum avem mai puţină energie în formă de hidrogen lichid, decât am avea-o cu amoniac, metanol şi etanol. Şi dacă mai luăm în calcul că păstrarea în formă lichidă necesită efort uriaş de energofag la hidrogen şi mult mai puţin sau deloc la celelalte, atunci e clar de ce cele trei tipuri de propulsie au evoluat mai mult în ultimii ani, deşi cam toate au nevoie de producţia de hidrogen ca etapă intermediară în fabricară loc. Pur şi simplu mediul de stocare e mai avantajos în cele 3 ipostaze, la nivel de volum şi energie consumată.

Doar că atunci când toţi aceşti combustibili ajung în combustie într-un motor, cantităţile de combustibili nu sunt echivalente. Contează de fapt componenta aia de kWh din fiecare carburant, atât la greutate, cât şi la volum. Pentru că un carburant care e mai puţin dens va trebui consumat în volum mai mare pentru a genera aceeaşi putere în motor.

Dacă luăm la bază un motor cu un randament de 50%, care trebuie să dezvolte 1.000 CP (unităţi americane, mai frecvent folosite în lumea maritimă) de forţă mecanică, produşi timp de o oră, asta înseamnă o forţă mecanică necesară de 745,7 kWh, iar la randamentul de 50%, asta înseamnă consum dublu de energie din carburant, de 1491,4 kWh, (5.369 MJ).

Ca un motor naval de tipul celui descris mai sus să genereze, aşadar, 1.000 CP constant timp de o oră, el va trebui să consume următoarele valori de kg şi m3 din fiecare carburant:
• Hidrogen: 44,7 kg/h (0,632 m3/h);
• Amoniac: 288,5 kg/h (0,423 m3/h);
• Metanol: 269,7 kg/h (0,341 m3/h);
• Etanol: 201,0 kg/h (0,255 m3/h).

Aşadar, asta arată că proporţiile se schimbă un pic, iar ca să ai o navă care foloseşte un motor cu combustie cu hidrogen, precum cel despre care vorbim azi, la aceeaşi putere a motorului ai nevoie de rezervoare de 1,5 ori mai mari în volum decât la amoniac şi de 1,85 ori mai mari decât la metanol.

Atunci când greutatea e foarte critică, însă, hidrogenul e în mod evident în avantaj, la aceeaşi putere a motorului fiind nevoie de o greutate de 6,45 ore mai mică la bordul navei, faţă de amoniac şi de 6,03 ori mai mică faţă de metanol.

Prin urmare, putem să ne imaginăm scenariul în care navele sunt obligate să folosească unul din cele 4 tipuri de combustibil, pentru că doar ele asigură zero emisii. Majoritatea navelor vor opta dând prioritate volumului, pentru că aşa dictează practica, însă unele nave, care transportă eventual obiecte foarte grele şi concentrate la bord, care au volum liber, ar putea să-şi dorească propulsia cu hidrogen pentru că ele ar pune preţ mai mare pe greutate. Iar asta explică de ce motoarele navale cu hidrogen au rămas mai lente în dezvoltare faţă de celelalte trei şi de cei hidrogenul are mai degrabă şanse la un produs de nişă în transportul maritim decât să ia locul celorlalte trei tipuri de combustibil, dezvoltate acum.