Το «πράσινο» μέλλον της αμμωνίας ως θαλάσσιο καύσιμο

Το Longyearbyen είναι η μεγαλύτερη πόλη στο Svalbard και μπορεί να γίνει ένας από τους πρώτους μεγάλης κλίμακας καταναλωτές πράσινου υδρογόνου ή αμμωνίας που παράγεται από αιολικά πάρκα στο Finnmark. Φωτογραφική πίστωση Επισκεφθείτε το Svalbard.

Δοχείο LPG Clipper Κρόνος. Φωτογραφική πίστωση Solvang ASA.

Καλώδιο τάφρος στο αιολικό πάρκο Hamnefjell στο βόρειο νομό Finnmark στη Νορβηγία. Φωτογραφική πίστωση Πολυκοσ.

Previous Next

Η αμμωνία, η ίδια πικάντικη λύση που χρησιμοποιείται στα λιπάσματα και τα μέσα καθαρισμού, μπορεί να αποτελέσει ένα από τα κλειδιά για τη μεταφορά ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε όλο τον κόσμο. Υπάρχουν επί του παρόντος πολλά κυβερνητικά και εταιρικά έργα που αξιολογούν τη σκοπιμότητα μετατροπής της πλεονάζουσας ανανεώσιμης ενέργειας από πηγές όπως η αιολική, η ηλιακή, η παλιρροϊκή και η πυρηνική στην αμμωνία και στη συνέχεια η επιστροφή σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια.

Στην καθαρή μορφή της, η αμμωνία ή το NH3 αποτελείται από ένα άζωτο και τρία άτομα υδρογόνου, καθιστώντας το ιδανικό υποψήφιο για χημική σύνδεση της περίσσειας ανανεώσιμης ενέργειας. Όπως πολλές άλλες χημικές ενώσεις, η αμμωνία μπορεί να μεταφερθεί σε δεξαμενή χημικών σε υγρή μορφή στους τελικούς χρήστες. Με βάση το σημείο σχεδόν υγροποίησης του περιβάλλοντος, μπορεί να είναι πιο ελκυστικό να μεταφέρεται η αμμωνία σε μεγαλύτερες αποστάσεις από το υδρογόνο. Μόλις εκφορτωθεί, η αμμωνία μπορεί να μετατραπεί ξανά σε χρησιμοποιήσιμη ενέργεια και θερμότητα με κυψέλες καυσίμου, αεριοστροβίλους ή κινητήρες καύσης.

Σε μια ώθηση για να γίνει μια κοινωνία με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα, χώρες όπως η Νορβηγία εξετάζουν σχέδια που θα αποδεικνύουν αυτή την έννοια σε μεγάλη κλίμακα. Για να καθοριστεί η τεχνική και οικονομική σκοπιμότητά του, διεξήχθη μελέτη για να καθοριστεί εάν η πλεονάζουσα αιολική ενέργεια που παράγεται στο Finnmark, το βορειότερο νομό της ηπειρωτικής Νορβηγίας, θα μπορούσε να μετατραπεί είτε σε συμπίεση υδρογόνου ή αμμωνίας και παράδοση στο απομονωμένο νησί Svalbard. Τα έργα αυτά αποτελούν παραδείγματα ενός πιθανού νέου προτύπου για τη μεταφορά ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε όλο τον κόσμο μέσω πλοίων. Για να αποσαφηνίσει το θέμα αυτό, το άρθρο εξετάζει το σχέδιο Svalbard στη Νορβηγία και εξετάζει πώς η ναυτιλιακή βιομηχανία θα μπορούσε να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε αυτή την αναπτυσσόμενη αγορά ενέργειας.

Σκάφος LPG Clipper Odin. Φωτογραφική πίστωση Solvang ASA. Η μελέτη περίπτωσης Svalbard
Αν και εξακολουθεί να αξιολογεί διαφορετικές τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, εάν η νορβηγική κυβέρνηση αποφασίσει να προχωρήσει με την προμήθεια αμμωνίας στο Svalbard, θα σηματοδοτήσει το πρώτο έργο μεγάλης κλίμακας για την παροχή κοινοτικής θερμότητας και ηλεκτρισμού μέσω αμμωνίας. Η συζήτηση για την εξέταση της αμμωνίας ως ενεργειακού φορέα μεταξύ Finnmark και Svalbard ξεκίνησε για πρώτη φορά με την απόφαση να κλείσει το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής με έδρα το Σβάλμπαρτ το 2016. Σύμφωνα με τις τρέχουσες εκτιμήσεις της Statkraft, ενός από τους σημαντικότερους εταιρικούς εταίρους που βοηθούν τη νορβηγική κυβέρνηση, τα αποθέματα θα διαρκέσουν μόνο μέχρι το 2025. Μετά από αυτό το σημείο, ο άνθρακας θα χρειαστεί είτε να αποσταλεί στο νησί μέσω πλοίου μεταφοράς χύδην φορτίου είτε να δημιουργηθεί μια νέα μονάδα συνδυασμένης παραγωγής θερμότητας και ενέργειας.

Περίπου 800 χιλιόμετρα μακριά στη στενή βόρεια νότια Νορβηγία, το Statkraft εξασφάλισε πρόσφατα άδειες για την περαιτέρω ανάπτυξη δύο μεγάλων αιολικών πάρκων που ονομάζονται πεδία Raggivudda και Hamnefjell στο Finnmark. Με το μανδύα του να είναι "ένας από τους πιο αποδοτικούς αιολικούς σταθμούς στη Νορβηγία", το Statkraft είναι πρόθυμο να αναπτύξει πρόσθετη χωρητικότητα στην περιοχή για να εκμεταλλευτεί τις ιδανικές συνθήκες για την παραγωγή αιολικής ενέργειας. Μία από τις προκλήσεις που πρέπει να ξεπεράσει το Statkraft είναι ότι τα αιολικά πάρκα είναι απομονωμένα από το εθνικό ηλεκτρικό δίκτυο στη Νορβηγία. Αυτό εμποδίζει τους ιδιοκτήτες του αιολικού πάρκου, Varanger Kraft, να πωλούν υπερβολική ενέργεια στην υπόλοιπη Νορβηγία και στο εξωτερικό. Από τα δύο αυτά ενδιαφέροντα σύνολα προβλημάτων, οι εμπειρογνώμονες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας άρχισαν να εξετάζουν την αμμωνία ως μέθοδο μεταφοράς ενέργειας από την τοποθεσία παραγωγής στους πελάτες.

Για την επίλυση αυτών των ζητημάτων υλικοτεχνικής υποστήριξης και ενδεχομένως τη δημιουργία πρόσθετων επιχειρηματικών ευκαιριών σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους, η Statkraft και ορισμένες γνωστές ερευνητικές και χημικές εταιρείες προχώρησαν στην αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων. Συνοψίζοντας σε μια μεταφρασμένη έκθεση με τίτλο "Παροχή Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας στο Svalbard - Longyearbyen", η Statkraft διερευνά διαφορετικές τεχνολογίες ουδέτερου άνθρακα που θα μπορούσαν να μεταφέρουν την ανανεώσιμη ενέργεια που δημιουργήθηκε στο Finnmark στο νησί Svalbard.

Ως αφετηρία, η μελέτη σκοπιμότητας λαμβάνει υπόψη τις ακόλουθες απαιτήσεις και υποθέσεις για την εξυπηρέτηση της κοινότητας στο Svalbard. Η πρώτη υπόθεση είναι ότι η Statkraft θα είναι σε θέση να αυξήσει την παραγωγή αιολικής ενέργειας στην περιοχή Finnmark για να επιτύχει εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ μεταξύ 40 και 50 MW. Αυτή η εγκατεστημένη ισχύς θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία περίπου 3800 τόνων υδρογόνου ετησίως για μεταφορά στο Svalbard έως το 2025. Ως τελικός χρήστης, το Longyearbyen, που είναι η κύρια πόλη στο Svalbard, απαιτεί 40 Gigawatt ώρες ηλεκτρικής ενέργειας και 70 GW-ώρες θερμότητας ετησίως. Βάσει αυτής της απαίτησης, η Svalbard θα απαιτούσε εγκατεστημένη παραγωγική ικανότητα 12 MW ηλεκτρικής ισχύος και 15 MW θερμικής ισχύος. Επιπλέον, δεδομένης της κρίσιμης εξάρτησης των κατοίκων του Svalbard από τη μεταφορά καυσίμων, οι προτεινόμενες λύσεις πρέπει να είναι σε θέση να παράσχουν ένα ρυθμιστικό θερμότητας και ηλεκτρισμού 30 ημερών.

Ο ηλεκτρολύτης που παράγεται από το Nel Hydrogen Solutions χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο μέσω της διαδικασίας ηλεκτρόλυσης. Φωτογραφική πίστωση Nel ASA.

Μέθοδοι μεταφοράς ανανεώσιμων υδρογονανθράκων
Προκειμένου να μετακινηθεί η "ανακυκλωμένη" ανανεώσιμη ενέργεια από τη Finnmark στους τελικούς χρήστες στο Svalbard, η Statkraft ανέλυσε τέσσερις εναλλακτικές λύσεις για τη μεταφορά της ενέργειας. Αυτά τα μέσα ή "φορείς ενέργειας" περιλάμβαναν συμπιεσμένο υδρογόνο, υγρό υδρογόνο, δεσμευμένο με υδρογόνο υδρογόνο και δεσμευμένο με αμμωνία υδρογόνο. Προκειμένου να περιοριστούν αυτές οι δυνατότητες, η Statkraft θεωρούσε το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας άνω των 25 ετών. Μετά από λεπτομερή ανάλυση, η Statkraft κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το συμπιεσμένο υδρογόνο και το δεσμευμένο με αμμωνία υδρογόνο είχαν το χαμηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας και πληρούν όλες τις απαιτήσεις.
Κρίσιμη και στις τέσσερις προτεινόμενες λύσεις είναι η διαδικασία ηλεκτρόλυσης. Κατά τη διάρκεια της ηλεκτρόλυσης, το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το νερό το οποίο χωρίζεται σε υδρογόνο και οξυγόνο. Η ιδέα είναι ότι η πλεονάζουσα αιολική ενέργεια από τα αιολικά πάρκα στο Finnmark θα αποστέλλεται μέσω ενός ηλεκτρολύτη για τη δημιουργία υδρογόνου, και στη συνέχεια το υδρογόνο θα χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για τις τέσσερις εναλλακτικές λύσεις που εξετάστηκαν.

Μια εναλλακτική είναι ότι το υδρογόνο μπορεί να συμπιεστεί χρησιμοποιώντας ένα συμπιεστή αερίου και να αποθηκευτεί σε δοχεία υπό πίεση ειδικού σκοπού και να αποσταλεί απευθείας στο Svalbard. Το Statkraft πρότεινε τη συμπίεση καθαρού υδρογόνου στα 350 bar και την αποθήκευση του αερίου στις δεξαμενές του Διεθνούς Οργανισμού Τυποποίησης (ISO), οι οποίες θα φορτώνονταν σε TEU και θα μεταφέρονται σε παραδοσιακά δοχεία μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων. Οι υπολογισμοί υψηλού επιπέδου αποκαλύπτουν ότι θα απαιτηθούν 4600 φορτία δοχείων για την επίτευξη των 3800 τόνων απαιτούμενου υδρογόνου για την παροχή της ετήσιας απαιτούμενης θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας στο Svalbard.

Μια άλλη μέθοδος για τη μεταφορά υδρογόνου είναι η ψύξη της ουσίας στους -253 βαθμούς Κελσίου και η μεταφορά της ως υγρό κρυογόνο υγρό με παρόμοιο τρόπο με το υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG). Όπως αναλύεται σε προηγούμενο άρθρο της έκθεσης Maritime, ορισμένες ναυτιλιακές εταιρείες, όπως οι Moss Maritime, Wilhelmsen και Kawasaki Heavy Industries, εξετάζουν επί του παρόντος την καινοτόμο μέθοδο μεταφοράς μεγάλου όγκου υγρού υδρογόνου. Η έκθεση του Statkraft καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η επιλογή υγρού υδρογόνου θα είχε το υψηλότερο συνολικό κόστος ιδιοκτησίας σε σύγκριση με άλλες επιλογές που εξετάστηκαν.

Η τρίτη μέθοδος μεταφοράς υδρογόνου που συζητήθηκε στη μελέτη σκοπιμότητας του Statkraft είναι η περαιτέρω επεξεργασία της ουσίας για τον σχηματισμό μεθανόλης. Ένα από τα σημαντικότερα οφέλη της μεθανόλης είναι ότι μοιράζεται πολλές από τις ίδιες ιδιότητες με πετρελαϊκά προϊόντα όπως ντίζελ και βενζίνη που μπορούν να μεταφερθούν εύκολα από το υπάρχον στόλο χημικών δεξαμενόπλοιων. Δυστυχώς, η έκθεση αποκλείει αυτή τη μέθοδο μεταφοράς, αναφέροντας την έλλειψη σημαντικών πηγών άνθρακα που βρίσκονται σε κοντινή απόσταση, προκειμένου να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη για την παραγωγή μεθανόλης.

Η τελική μέθοδος που προτείνει η Statkraft για τη μεταφορά αιολικής ενέργειας από το Finnmark στο Svalbard είναι να συνδυάσει το υδρογόνο με το άζωτο που βρίσκεται στον αέρα για να σχηματίσει αμμωνία. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική γνωστή ως διαδικασία σύνθεσης Haber-Bosch, το υδρογόνο και το άζωτο από τον αέρα θερμαίνονται και συμπιέζονται για να σχηματίσουν αμμωνία. Εναλλακτικά, μια αναστρέψιμη κυψέλη καυσίμου μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για την παραγωγή αμμωνίας.

Σε αντίθεση με το υδρογόνο στην καθαρή του μορφή, το οποίο υπάρχει ως αέριο σε ατμοσφαιρική θερμοκρασία και πίεση, η αμμωνία μπορεί να αποθηκευτεί και να διατηρηθεί ως υγρό χρησιμοποιώντας ουσιαστικά λιγότερη ενέργεια για την υγροποίηση της ουσίας από το υδρογόνο. Σημειώνοντας ότι θα απαιτούνται ετησίως 26.500 τόνοι αμμωνίας για να καλύψουν τις απαιτήσεις θερμότητας και ισχύος της Svalbard, η Statkraft εκτιμά ότι ένας μεταφορέας LPG αμμωνίας θα πρέπει να μεταφέρει αμμωνία μία ή δύο φορές το χρόνο.

Αφού εξέτασε τόσο την τεχνική σκοπιμότητα όσο και το κόστος που συνδέεται με αυτές τις μη παραδοσιακές μορφές μεταφοράς ενέργειας, η μελέτη σκοπιμότητας του Statkraft κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το συμπιεσμένο υδρογόνο και η αμμωνία φαίνεται να αποτελούν τις δύο κύριες δυνατότητες για την μελέτη περίπτωσης Svalbard.

Εγκατάσταση τουρμπίνας στα αιολικά πάρκα Raggividda στη βόρεια επαρχία Finnmark στη Νορβηγία. Φωτογραφική πίστωση Bjarne Riesto. Μεταφορά αμμωνίας
Παρόμοια με άλλα προϊόντα που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία πετροχημικών, η αμμωνία έχει μεταφερθεί από πλοία εδώ και δεκαετίες. Οι φορείς υγροποιημένου αερίου πετρελαίου (LPG) φαίνεται να είναι η πιο δημοφιλής μέθοδος μεταφοράς αμμωνίας χύδην σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτά τα σκάφη διατηρούν το φορτίο τους σε υγρή μορφή με τη χρήση είτε δεξαμενών πλήρους ψύξης, ημι-ψυγείου είτε πλήρως πεπιεσμένου αέρα.

Για να διατηρηθεί η αμμωνία σε υγρή μορφή, η ουσία γενικά αποθηκεύεται επί των φορέων LPG σε αυτοσυντηρούμενες πρισματικές δεξαμενές οι οποίες έχουν θερμοκρασία λειτουργίας τουλάχιστον αρνητικές 50 βαθμούς Κελσίου. Οι μεταφορείς LPG μεταφέρουν συνήθως μεταξύ 15.000 και 85.000 κυβικών μέτρων αμμωνίας, με τα πιο κοινά μεγέθη να είναι 30, 52 και 80 χιλιάδες κυβικά μέτρα κατ 'όγκο. Χρησιμοποιώντας μερικές από τις ίδιες αρχές σχεδιασμού με τους μεταφορείς υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG), οι μεταφορείς LPG έχουν ένα κύριο και δευτερεύον φράγμα για να εξασφαλίσουν ότι η αποθηκευμένη αμμωνία θα περιέχεται σε περίπτωση αστοχίας είτε του ψυκτικού συστήματος είτε του πρωτογενούς φράγματος.

Στο πλαίσιο της μελέτης περίπτωσης Svalbard και πολλών άλλων «πράσινων» αμμωνιακών έργων σε ολόκληρο τον κόσμο, η αμμωνία είναι ελκυστική για τη σχετικά μεγάλη πυκνότητα της ενέργειας και τη μικρότερη κατανάλωση ενέργειας που απαιτείται για τη διατήρηση της ουσίας σε υγρή μορφή. Η αμμωνία μπορεί να αποθηκευτεί ως ψυχρό υγρό στους - 34 βαθμούς Κελσίου σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση ή σε κανονικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος σε πιέσεις περίπου 10 bar. Σε σύγκριση με το υγρό υδρογόνο, η αμμωνία έχει σχεδόν διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα κατ 'όγκο και απαιτεί λιγότερη ενέργεια και μόνωση για να διατηρεί την ουσία σε υγρή μορφή ενώ μεταφέρεται από σκάφος από πηγή σε τελικό χρήστη.

Ένα από τα κύρια μειονεκτήματα της αμμωνίας, ωστόσο, είναι ο υψηλός βαθμός τοξικότητάς της. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Ασφάλειας και Υγείας των ΗΠΑ (OSHA), «η αμμωνία θεωρείται υψηλός κίνδυνος για την υγεία επειδή είναι διαβρωτικός για το δέρμα, τα μάτια και τους πνεύμονες». Επιπλέον, όταν αναμιγνύεται με αέρα, η αμμωνία μπορεί να γίνει εύφλεκτη σε συγκέντρωση 15 έως 28% κατ 'όγκο. Παραδοσιακά, το απόθεμα τροφοδοσίας αμμωνίας για τις εργασίες λιπασμάτων μεταφέρεται ως "άνυδρη αμμωνία" που σημαίνει ότι μπορεί να απορροφηθεί γρήγορα στο νερό και να σχηματίσει ισχυρά αλκαλικά διαλύματα όπως το υδροξείδιο του αμμωνίου, το οποίο είναι επίσης ιδιαίτερα τοξικό σε υψηλές συγκεντρώσεις. Για να εξασφαλιστεί η ασφάλεια του κοινού και του πληρώματος, τα πλοία που μεταφέρουν αμμωνία πρέπει να συμμορφώνονται με τον Διεθνή Κώδικα για την κατασκευή και τον εξοπλισμό πλοίων που μεταφέρουν χύδην υγροποιημένα αέρια (κώδικας IGC) που παράγει ο ΔΝΟ.
Είναι ενδιαφέρον ότι υπάρχουν επίσης ορισμένα έργα ναυτικής μηχανικής που αξιολογούν τη σκοπιμότητα χρήσης αμμωνίας ως καυσίμου πλοίων. Παραδείγματα μεγάλων έργων περιλαμβάνουν τη μελέτη σκοπιμότητας που διεξάγεται από την C-Job, εταιρεία ναυπηγικής αρχιτεκτονικής στις Κάτω Χώρες και την ανακοίνωση της MAN ES, παγκόσμιου προμηθευτή μηχανών πλοίων και ενεργειακών συστημάτων, για την έναρξη έρευνας σε πολλά εκατομμύρια δολάρια αναπτυξιακό πρόγραμμα για την ανάπτυξη ενός κινητήρα διπλής όψης αμμωνίας. Σε έναν τέλειο κόσμο, οι ερευνητικές προσπάθειες στον τομέα της ναυτιλίας και της κοινής ωφέλειας μπορούν να καταλήξουν να διαμορφώσουν μια εντελώς νέα αλυσίδα εφοδιαστικής εφοδιαστικής, όπου η «πράσινη» αμμωνία μεταφέρεται σε πλοίο LPG κατά τη διάρκεια της ανεφοδιασμού και στη συνέχεια ένα μέρος της ουσίας χρησιμοποιείται ως καύσιμο πλοίων κατά τη μεταφορά το προϊόν σε πελάτες.

Ανεξάρτητα από το αποτέλεσμα κάθε μεμονωμένου έργου, είναι σαφές με βάση τον αριθμό και το χρονοδιάγραμμα των διαφόρων έργων αμμωνίας σε ολόκληρο τον κόσμο ότι η αμμωνία πιθανότατα θα γίνει πιο συνηθισμένη σε λιμένες και πλωτές οδούς. Με βάση αυτές τις εξελίξεις, και οι δύο ενδιαφερόμενοι φορείς της βιομηχανίας κοινής ωφέλειας και της ναυτιλιακής βιομηχανίας θα πρέπει να εξετάσουν προσεκτικά τις εξελίξεις, προκειμένου να καθορίσουν υπό ποιες συνθήκες η ρύθμιση αυτή θα ήταν αποδοτική.

Το Longyearbyen είναι η μεγαλύτερη πόλη στο Svalbard και μπορεί να γίνει ένας από τους πρώτους μεγάλης κλίμακας καταναλωτές πράσινου υδρογόνου ή αμμωνίας που παράγεται από αιολικά πάρκα στο Finnmark. Φωτογραφική πίστωση Επισκεφθείτε το Svalbard.

Όπως δημοσιεύθηκε στην έκδοση του Σεπτέμβρη του 2019, του Maritime Reporter & Engineering News.