安迪·埃文斯发现了为什么这种最著名的肥料化合物会成为巨大集装箱船动力的惊人候选者

在丹麦哥本哈根的一个巨大仓库里,停放着一台500吨重的发动机,它曲轴的每一次旋转,都使世界更接近一场可以清洁国际航运的革命。在发动机设计公司MAN Energy Solutions的研究中心,这种转变的唯一线索是看不见的。曼恩的首席推广经理柯克比(Peter Kirkeby)说,曼恩为主要位于亚洲的重工业集团提供集装箱船和油轮发动机的设计,这些产品占全球贸易的50%。柯克比说,我们一直在与市场进行非常深入的谈判。我们需要一种不含碳的燃料。

一个港口的图像

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氨研究引擎从韩国运到MAN能源解决方案公司的哥本哈根研究中心

如果你关注世界上的脱碳计划,你可能会认为他们正在测试的无碳燃料是氢,但在这台发动机附近,你可能偶尔能闻到你错了。MAN能源解决方案公司的大型测试发动机正在燃烧一种物质,一些化学家甚至可能会惊讶地听说它可能是一种运输燃料——氨。Kirkeby说,这种气体很容易被人类闻到,而且是有毒的。曼恩能源解决方案公司目前正在研究如何将其安全地引入发动机。柯克比解释说:“这里的部分困难在于设计一个没有任何泄漏的系统。”“如果你这样做了,你可以检测到它们,而且你不会惊慌,你就不会向人们工作和谋生的机舱排放氨气。”要把它从燃料箱运到发动机,并保持在安全水平,这不是一项简单的任务。”

测试发动机现在具有适合氨的安全和供应系统澳门万博公司,但在其他方面看起来像大多数其他大型二冲程船用发动机。曼恩能源解决方案公司将于2022年开始在燃烧氨作为燃料的测试中使用它。氨燃料航行的另一个关键里程碑将在2024年到来,届时该公司希望推出第一台既可以燃烧氨燃料,也可以燃烧传统石油燃料的发动机。氨的燃烧性能不如以石油为基础的燃料,但柯克比强调,集装箱船上这些巨大的发动机非常适合通过蛮力来应对这一挑战。他说:“我们可以承受很大的压力,应对高温。”“它将处理大量的滥用。”

燃烧的问题

氨是有毒的,不适合用于内燃机,为什么航运业如此认真地考虑将其作为燃料呢?根据国际环境规划署的数据,人们对更清洁的船用发动机产生强烈兴趣的一个原因是,2015年航运占全球二氧化碳排放量的2.6%国际清洁运输委员会.因此,国际海事组织设定了一个目标,即到2050年将50%的航运燃料脱碳。

化工公司如何才能生产足够的氨来为全球船队提供燃料?

第二个原因是集装箱船很难摆脱化石燃料,因为它们需要尽可能多的空间来装载货物。例如,用电池为货船提供动力,你需要的空间大约是目前燃料箱所占空间的10-100倍。如果你能将氢燃料的温度保持在- 253°C和至少350倍于大气压的条件下,你可能会使用比石油大4倍的氢燃料罐。

图为工程师在Man ES

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只需稍加调整,氨就可以用于普通的船舶发动机

为了提供同样的推进力,氨所占的空间将是油的三倍,冷却到-33°C或压缩到10倍大气压。这是一个比氢或电池更好的提议。燃烧氨主要会产生氮和水,但只有在氨的生产过程中不排放温室气体的情况下,氨才真正是绿色的。

因此,为了摆脱排放温室气体的燃料,转向氨燃料,航运业必须应对三个关键挑战。首先,船舶如何在内燃机中最好地燃烧氨?其次,考虑到航运对氨的需求可能超过目前世界氨总产量,该行业如何建立安全供应氨所需的基础设施?第三,也是最大的问题:化工公司如何才能在不排放温室气体的情况下生产足够的燃料来供应全球船队?

推动成功

与哥本哈根研究中心一样,法国Orléans大学克里斯汀·鲁塞尔工程实验室的研究人员正在燃烧氨气的线索是微妙的。Rousselle的团队使用的是普通的1.6升汽油直喷(GDI)发动机,这种发动机在运行过程中不会显示燃料。然而,你可能会注意到,团队的技术人员在修理发动机时戴着口罩。他们从2016年开始研究氨燃料,当时Rousselle与比利时鲁汶大学的Francesco Contino共同指导博士生Charles Lhuillier。这很合适,因为比利时的公共汽车是1942年第一个使用氨作为燃烧燃料的车辆,当时正值二战汽油短缺。

Contino和Rousselle想使用一种未经改造的氨动力GDI发动机,它用火花塞点燃燃料,作为辅助发电机。由于只有氨和空气的混合物,鲁里耶不能保证燃料会在发动机中燃烧。因此,研究人员将氨与氢预混合,然后将其注入发动机。

即使使用少量的常规燃料,也不会影响氨气在航运脱碳方面的巨大飞跃

Rousselle的团队还在柴油发动机中测试了这种混合物,柴油发动机通常不使用火花塞来点燃燃料。相反,他们利用增加压力会增加温度但降低燃料的点火温度这一事实,压缩柴油直到自燃。Orléans的研究人员发现,他们必须增加火花塞才能让氨燃料在四冲程汽车柴油发动机中运行。鲁塞尔说,二冲程船用发动机的动力足以使它们通常使用的浓稠重燃油自燃,但即使是它们也不太可能使氨自燃。

首先,MAN能源解决方案将氨与5%的油混合,这将产生一个有助于氨点燃的先导火焰。柯克比说:“当然,从长远来看,人们希望摆脱飞行员燃料。”“但考虑到绿色氨能带来的减排效果,少量的试验燃料不会影响航运脱碳的巨大飞跃。”

Rousselle建议,船舶最终可以用分解氨产生的氢来取代混合物中的石油。从她的角度来看,最大的挑战将是让足够的氨通过发动机。她说,氨燃烧产生的能量很小,这意味着燃料消耗会更高。

引导我们走向脱碳

氨作为燃料的可行性使丹麦航运巨头马士基将其作为实现其2050年碳中和运营目标的途径。马士基脱碳业务发展主管贝瑞特·辛尼曼(Berit Hinnemann)表示,该公司在2018年宣布这一目标后,一直在分析哪些燃料和技术可以做出贡献。

我们需要了解氨泄漏的风险

Hinnemann解释说,尽管世界上有大规模生产和运输氨作为肥料的经验,但将其用作燃料仍然存在巨大的技术和安全挑战。她补充说,马士基需要知道氨已经准备好使用,然后才能考虑何时部署以及可能需要多少。因此,该公司正在研究如何安全地储存氨,以及如何在船上安全处理氨的精确细节。她强调说:“氨对人和水中的生物都是有毒的。”因此,我们还需要了解氨泄漏的风险。

一艘集装箱船的鸟瞰图

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无论用什么来替代碳基燃料,都需要像船舶本身一样大规模生产

因此,氨并不是马士基的铅脱碳途径。相反,它倾向于继续使用至少部分碳原子。马士基已经在使用生物柴油,并宣布将在2024年推出8艘以碳中性甲醇为动力的船舶。Hinnemann说,甲醇比氨更先进,因为已经有了从生物质废料中制造生物甲醇的既定工艺。她补充说,未来马士基将使用e-甲醇,使用可再生能源电解水产生的“绿色”氢,以及生物碳或捕获的二氧化碳等碳源。

绿色氨也将使用绿色氢和空气中的氮。这可能更有吸引力,但还没有广泛应用。“对于绿色氨,你不需要碳源,因此,原则上,升级只取决于你拥有的可再生能源的数量,”Hinnemann说。未来的燃料组合会是什么样子,我们必须拭目以待。

但在澳大利亚墨尔本的莫纳什大学,一个化学家团队对绿色氨的可用时间和数量有了一个设想,可以为航运业提供。

从棕色到绿色

氨没有任何碳原子,乍一看似乎完全脱碳了。然而今天,“棕色”氨是使用碳密集型的Haber-Bosch工艺生产的,温室气体排放量约占1%。因此,在2020年,道格·麦克法兰的莫纳什大学团队发表了一篇氨经济路线图,展示了如何在三代技术中消除温室气体排放。

第一代采用现有的Haber-Bosch技术,采用碳捕获和抵消,产生“蓝色”氨。到2030年,随着第二代技术清理哈伯-博世工艺的氢气供应,这一产量将开始下降。这涉及到通过电解分解水产生的绿色氢,由可再生能源提供动力,取代从甲烷蒸汽重整中产生的碳密集的氢。

我们首先瞄准的是规模较小的市场,比如化肥的分布式农场生产

该公司的高级研究协调员Jacinta Bakker解释说,几年内,由莫纳什分拆出来的Jupiter Ionics公司开发的第三代工艺将开始接管。她解释说:“这是一种电化学过程,它有一个内置的电解槽,可以在模块中构建,从而堆叠和升级,以满足世界对氨的需求,仅使用太阳、空气和海水。”它使用还原过程将存在锂盐的氮转化为氮化锂,化学家将其质子化以产生氨。这一过程自1930年以来就为人所知,通常需要乙醇来提供质子。但在2021年,莫纳什大学的团队发表了使用四烷基磷盐的路线代替乙醇,提供稳定的,持续循环的质子源。

考虑到目前锂的巨大潜力,锂的作用可能会敲响警钟电池对该元素的需求.然而,Bakker强调,这种方法只使用了少量的锂,在其过程中完全回收,而莫纳什大学的研究人员也在研究其他金属。与此同时,尽管Jupiter Ionics公司的目标是扩大规模以满足运输燃料所需的数量,但这是一个巨大的挑战,Bakker补充道。根据莫纳什大学的路线图,如果航运完全由氨驱动,它可能需要三倍于目前用作肥料的量。Bakker说:“在第一阶段,我们的目标是小规模市场,比如化肥和燃料的分布式农场生产。”

在英国,牛津大学的Edman Tsang团队正在开发几个绿色氨生产工艺阶段的技术。例如,2018年,他们与西门子合作,在英国哈维尔部署了一个风力驱动的绿色氨合成演示器。最近,Tsang的团队改进了电解分解水的过程将铂催化剂换成银纳米颗粒或者使用光采用二氧化钛和氧化镁相结合的催化剂.他们还开发了电化学制氨的方法使用熔融电解质而且钌催化剂

Tsang说,牛津大学的研究人员现在参与了航运,因为“来自英国和欧洲的大量激励措施,以开发绿色氨作为海上燃料”。2021年9月,英国政府奖励了160万英镑到曾荫权的衍生公司Oxford Green Innotech和来自英国南安普顿的航运公司Ocean Infinity的合作。他们正在开发一种氨燃料电池船舶推进系统,该系统可能比内燃机更高效,并将船舶的温室气体排放量减少90%。该系统可以将氨转化为氢,为燃料电池提供动力。然而,与内燃机相比,这种燃料电池距离商业化还有更长的路要走,Tsang强调了空间问题和寻找有效催化剂等化学挑战。

避免新的危险

然而,要在不排放温室气体的情况下为船舶提供动力,除了如何制造氨之外,还有其他问题。Bakker强调,考虑如何储存和燃烧也很重要。不正确或过度使用氨肥已经释放出有问题的氮氧化物(NOx)排放到大气中,或者将硝酸盐排放到促进藻类繁殖的水道中,她指出。使用氨作为燃料会增加这些风险。

对于远洋运输来说,没有万能的解决方案

与此同时,尽管氨可以清洁燃烧产生氮和水,但它也有可能形成NOx排放。即使是少量偶然的NO释放x副产品或氨本身都会对环境造成灾难性的影响,”巴克说。“减排技术、监测和管理政策与净零氨技术同步发展是至关重要的。我们不想用氮的问题取代碳的问题。”

这一挑战的某些方面已经有了解决方案。柴油道路车辆发动机已经限制NOxRousselle指出,使用AdBlue等选择性催化还原系统来减少排放。这会产生氨,与之反应并将NO降至最低x但也会释放出少量过量的氨作为副产品。集装箱船也已经在使用这种系统来去除NOx从他们的废气中。

马士基的Hinnemann强调,需要对整个氨的制造过程进行检查,以避免任何其他可能导致进一步气候变化的问题。她说:“我们不想只把温室气体排放推到其他地方。”她补充说联合国政府间气候变化专门委员会第六次评估报告,于2021年出版,“确实强调了我们需要在这十年开始做些什么”。对于这种紧急行动来说,氨似乎是一个遥远的前景,但Hinnemann强调,它和其他物质一样可能是一种解决方案。她说,对于远洋运输来说,没有万能的解决方案。所有这些燃料都有利有弊。”

安迪·Extance是一位生活在英国埃克塞特的科学作家