Ученые из Национального университета Сингапура представили двигатель для лодки, который производит водород в режиме реального времени, используя всего один бак с аммиаком.
Как судовой двигатель мог бы производить водород в море и избежать одной из своих самых больших проблем.
Ежегодно международные морские перевозки обеспечивают более 80% мировой торговли и генерируют почти 1 миллиард тонн парниковых газов. Эта цифра ошеломляет. И это действительно так. Несмотря на развитие возобновляемых источников энергии, значительная часть судов по-прежнему работает на мазуте — чрезвычайно загрязняющем окружающую среду топливе, которое продолжает доминировать в отрасли благодаря своей высокой энергетической плотности и надежности на дальних рейсах.
Давление с целью изменить эту ситуацию нарастает. Международная морская организация (ИМО) поставила цель достичь нулевых выбросов к 2050 году, вынуждая судоходные компании, порты и производителей двигателей искать альтернативы, способные работать в море в течение нескольких недель без ущерба для безопасности или дальности хода судов.
Вот тут-то и пригодится аммиак. Уже несколько лет это химическое соединение считается одним из наиболее перспективных кандидатов для декарбонизации морского транспорта. Оно обладает значительными преимуществами: не содержит углерода, его относительно легко хранить, а глобальная промышленная инфраструктура для его производства и транспортировки уже создана.
Но аммиак не идеален. Он трудно воспламеняется, горит медленно и может выделять оксиды азота — газы, оказывающие значительное воздействие на климат и здоровье. И, конечно же, здесь вступает в игру еще один ключевой игрок: водород.
Проблема водорода на судах
Водород сгорает быстро и чисто. Смешивание его с аммиаком улучшает работу двигателя и помогает снизить выбросы. Главная проблема — его хранение.
Для поддержания водорода в жидком состоянии его необходимо охладить примерно до -253 °C. Его также можно сжать до чрезвычайно высоких давлений, хотя для этого требуются огромные, дорогостоящие и сложные резервуары для хранения. На торговом судне, где на счету каждый кубический метр, выделение места под эти системы может быть экономически нецелесообразным.
Это узкое место годами препятствует широкому использованию водорода в морской навигации. Не потому, что топливо неэффективно. Настоящая проблема заключается в том, как безопасно хранить и транспортировать его на расстояния в тысячи километров.
Исследователи из Национального университета Сингапура предлагают довольно оригинальную альтернативу: производство водорода внутри самого двигателя во время движения судна.
Двигатель, который вырабатывает собственный водород.
В исследовании, опубликованном в научном журнале Joule , предлагается концепция гибридного аммиачно-водородного двигателя, в котором в качестве основного топлива используется только аммиак.
Ключевым моментом является преобразование части аммиака в водород непосредственно в одном из цилиндров двигателя. Под воздействием чрезвычайно высоких температур и давлений, возникающих во время сгорания, часть аммиака разлагается и выделяет водород. Затем эти богатые водородом газы рециркулируются в другие цилиндры для улучшения общего процесса сгорания в системе.
Иными словами: двигатель производит необходимый ему водород во время работы.
И это существенно меняет правила игры.
До настоящего времени большинство конструкций полагались на внешние риформеры — дополнительные устройства, которые нагревают аммиак примерно до 550 °C с использованием дорогостоящих катализаторов, таких как рутений, для получения водорода. Эти системы громоздки, сложны и имеют значительные потери энергии. Кроме того, они увеличивают затраты на техническое обслуживание и эксплуатацию судна.
Предложение Сингапура позволяет избежать большей части вспомогательной инфраструктуры. Меньше компонентов. Меньший вес. Меньше занимаемого пространства. В навигации это бесценно.
Более чистое зажигание без дополнительного дизельного топлива
Еще одним интересным аспектом конструкции является активная система предварительной камеры, используемая для инициирования горения.
Многим экспериментальным двигателям, работающим на аммиаке, для нормального запуска сгорания требуется небольшое количество дизельного топлива. Проблема очевидна: даже при снижении выбросов двигатель все равно частично зависит от ископаемого топлива.
Технология, разработанная сингапурской командой, использует небольшую камеру, где воспламеняется более легковоспламеняющаяся смесь. Это сгорание генерирует турбулентные, чрезвычайно горячие струи, которые позволяют аммиаку стабильно воспламеняться внутри основного цилиндра.
Результат: двигатель может работать без необходимости использования дополнительного дизельного топлива.
Это может показаться незначительной технической деталью, но она имеет серьезные последствия для климата. Каждый литр выведенного из эксплуатации ископаемого топлива приближает морской сектор на один шаг к углеродной нейтральности.
Меньше загрязняющих выбросов и больше эффективности
Первые результаты моделирования и экспериментов показывают многообещающие улучшения. Система может повысить тепловую эффективность двигателя и снизить выбросы вредных веществ, таких как несгоревший аммиак и оксид азота.
Последний пункт вызывает особую озабоченность. Закись азота обладает потенциалом глобального потепления примерно в 273 раза большим, чем углекислый газ в долгосрочной перспективе. Снижение её концентрации является приоритетной задачей для любой технологии на основе аммиака.
Интересно, что исследователи обнаружили, что добавление слишком большого количества водорода тоже не помогает. Когда содержание водорода превышает примерно 12% от потребляемой двигателем энергии, повышение эффективности практически исчезает, а температура сгорания повышается, что приводит к увеличению выбросов оксидов азота.
Этот тонкий баланс между эффективностью и выбросами будет иметь решающее значение для коммерческого развития данной технологии.
Глобальная гонка за декарбонизацию судоходства
Судостроительная отрасль переживает стремительные преобразования не только по экологическим, но и по экономическим и нормативным причинам.
Европейский союз уже частично включил морской транспорт в свою систему торговли выбросами (ETS), обязав судоходные компании оплачивать часть своих выбросов CO₂. Кроме того, регламент FuelEU Maritime будет постепенно стимулировать использование топлива с меньшим углеродным следом.
Тем временем такие судоходные гиганты, как Maersk, CMA CGM и Mitsui OSK Lines, инвестируют миллиарды в суда, способные работать на экологически чистом метаноле, аммиаке или водороде.
Южная Корея, Япония и Сингапур позиционируют себя как технологические центры по производству будущего морского топлива. Фактически, Сингапур — один из важнейших портов мира — уже давно стремится стать международным центром поставок низкоуглеродного топлива.
Всё это приводит к усилению интереса к гибким двигателям, способным адаптироваться к различным видам топлива в ближайшие десятилетия. Потому что переход не будет мгновенным. Сочетание различных технологий будет продолжаться ещё долгое время.