Det Internationale Energiagentur, IEA, forventer, at ammoniak fremover bliver et af de vigtigste grønne brændstoffer til at sikre en CO2-neutral skibstrafik. Ifølge deres forudsigelser kommer det til at udgøre omkring halvdelen af det maritime brændstofforbrug i 2070. Andre kilder indenfor den maritime branche forventer, at ammoniak allerede i 2050 udgør mellem 30 og 40% af det samlede forbrug.
Det kræver dog en indsats at nå dertil, da ammoniak ikke er oplagt som brændstof, og de nuværende skibsmotorer ikke umiddelbart kan fungere med ammoniak.
Siden 2020 har MAN Energy Solutions derfor arbejdet på at udvikle en motor, der kan anvendes til ammoniak og dermed imødekomme klimakravene til skibstrafikken.
”Vi regner med, at den første kommercielle motor bliver afleveret i begyndelsen af 2025, og at vi herefter er klar med design af flere motorstørrelser til vores kunder, der har vist stor interesse og længe har spurgt til ammoniakmotorer. Vi er i øjeblikket i gang med at teste på vores fuldskala to-takt forsøgsmotor i Københavns Sydhavn. Derefter er det næste og sidste skridt at teste ammoniakmotoren hos en af vores licenstagere og senere på et sejlende skib, ” siger principal project manager Johan Kaltoft, MAN Energy Solutions.
Sikkerhed i højsædet
Ammoniak er giftigt, og derfor har en stor del af MAN Energy Solutions’ arbejde drejet sig om sikkerhed i forbindelse med at bringe ammoniak ind i skibets motorrum.
”Det er altafgørende, at sikkerheden er høj. Der må ikke kunne ske udslip af ammoniak, så det har haft den største prioritet i vores arbejde. De instanser, der skal stå for godkendelser og lovgivning om ammoniakmotorer vil givetvis også have fokus på, at sikkerheden grundlæggende er i orden, så der hverken er fare for mennesker eller miljø.”
Tæt samarbejde med forskere
MAN Energy Solutions’ arbejde med at omdanne en stor dieselmotor beregnet til heavy fuel oil til en motor, der anvender ammoniak, har omfattet en række samarbejdsprojekter med forskere på DTU, der var nogle af de første i verden til at undersøge ammoniaks egenskaber som brændstof til skibe.
”Vores arbejde begyndte for 18 år siden. Dengang rystede folk på hovedet af os og forstod ikke, at vi ville anvende giftig ammoniak som brændstof. Men ammoniak har den store fordel, at det ikke indeholder kulstof og dermed ikke bidrager til udslip af CO2. Derfor var det interessant at overveje som brændstof,” siger lektor Anders Ivarsson, DTU.
Ud over at være giftigt, er det også en udfordring at få ammoniakken til både at antænde og brænde hurtigt nok. Det har forskerne haft fokus på at undersøge på to mindre forbrændingsmotorer, der står i DTU’s laboratorier.
”I starten arbejdede vi med at tilsætte en såkaldt tændingsforbedrer, f.eks. brint, der kunne bruges til at antænde ammoniakken. I vores seneste forsøg har vi dog vist, at det kan lade sig gøre at antænde ammoniakken uden at tilsætte andre brændstoffer,” siger Anders Ivarsson.
En anden del af forskernes arbejde handler om detaljerne i ammoniaks forbrændingsproces i motoren. I en såkaldt forbrændingsbombe med glasvinduer er det muligt at studere de enkelte elementer i processen, for eksempel flammen eller forstøvningen af spray fra dysen der injicerer brændstoffet. Samtidig kan forskerne skrue på de enkelte parametre, for eksempel tilføre varme eller ilt og se, hvordan de enkelte dele reagerer og på den måde opnå den mest optimale forbrænding.
”Man kan jo ikke bare stikke en føler ind i en ammoniakmotor og få viden om denne type detaljer. Derfor laver vi en række forskellige velkontrollerede forsøg i vores laboratorier, der tilsammen bidrager med væsentlig viden om de enkelte trin i forbrændingsprocessen, som designerne bruger til at forstå og optimere den endelige ammoniakskibsmotor” forklarer Anders Ivarsson.
Emissioner er væsentlige
Forskerne har også bidraget til at afdække emissionerne fra en ammoniakmotor. Forbrænding af ammoniak medfører dannelse af kvælstofoxider (NOx) og lattergas (N2O). Disse emissioner er miljøskadelige og skal være så lave som muligt, så man med forbrænding af ammoniak ikke blot skifter et problem ud med et andet. Specielt udslip af lattergas er problematisk, da det er en langt stærkere drivhusgas end CO2.
”Det betyder, at en ammoniakmotor ikke skal have et ret stort udslip af lattergas, før fordelen i form af en lavere CO2-udledning er ’spist op’,” siger DTU-professor Peter Glarborg.
”Vi har et af verdens førende laboratorier til at undersøge kemiske reaktioner ved høj temperatur. Her kan vi under realistiske forhold, det vil sige under samme høje tryk som i en motor med omkring 100 atmosfæres tryk, undersøge oxidation af ammoniak under kontrollerede forhold. Det har givet viden om kemien i processen og indsigt i, hvordan emissioner ved forbrænding af ammoniak bedst muligt begrænses,” siger Peter Glarborg.
En komplet model og nye målemetoder
Resultaterne fra alle dele af forskernes arbejde indgår i simuleringsmodeller og har derudover givet input til den CFD-model, Computational Fluid Dynamics-model, MAN Energy Solutions udarbejder, og som gør det muligt at beregne væske og gasstrømninger i en motor.
”Modellen simulerer detaljeret de processer, der foregår i ammoniakmotoren. I udviklingsarbejdet er det vigtigt, så man hurtigt og enkelt kan teste på modellen for at opnå for eksempel den mest optimale forbrænding, frem for at skulle skrue på og omstille en stor forsøgsmotor og derefter vente på resultaterne,” siger Peter Glarborg.
Selvom forskerne på DTU er blandt verdens førende inden for viden om ammoniak som brændstof, har de i samarbejdsprojekterne med MAN Energy Solutions stødt på uopdaget land og skullet udvikle nye metoder.
”Det lyder let at gennemføre måling af emissioner fra afbrænding af ammoniak. Men det er en meget vandholdig udstødningsgas der skal analyseres for indhold af uforbrændt ammoniak, samt små mængder af lattergas og andre uønskede komponenter. Vi har derfor ikke kunnet anvende vores almindelige måleprocedurer og udstyr. Det har været nødvendigt at udvikle nye metoder til gasanalyse, og har samarbejdet med nogle af verdens førende forskere i måling af nanopartikler fra det græske universitet Aristotle University of Thessaloniki. De har sendt alt deres fineste måleudstyr og to forskere til vores laboratorium i tre uger for at måle på vores ammoniakmotor,” siger Anders Ivarsson.
Stor tiltro til kommende ammoniakmotor
Der er dog stor optimisme at spore blandt forskerne.
”Den største udfordring er ikke længere det tekniske og at kunne få en ammoniakmotor til at fungere. Den største hurdle lige nu er at få produceret tilstrækkelige mængder grøn ammoniak til at anvende for skibsfarten, så den kan sænke sit klimaaftryk,” siger Peter Glarborg.
Anders Ivarsson er helt enig:
”Du må gerne citere mig for at sige, at der i disse dage bliver gjort store fremskridt i udviklingen af brugen af ammoniak i en skibsmotor. Det er et meget lovende brændstof til de store skibe, som jeg tror, får en vigtig rolle i fremtiden.”
