ShipFC: η αμμωνία ως καύσιμο για τη Διεθνή και την Ελληνική Ναυτιλία

Στις 16-20 Νοεμβρίου 2020 πραγματοποιήθηκε διαδικτυακά η 75η σύνοδος της Επιτροπής Προστασίας Θαλάσσιου Περιβάλλοντος (MEPC 75) του ΙΜΟ. Σε αυτήν εγκρίθηκε η 4η Μελέτη του ΙΜΟ για τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τη ναυτιλία. Στα συμπεράσματά της υπογραμμίζεται η αύξηση κατά 9,6% το 2018 των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου σε σχέση με το 2012. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα να ξεπεράσουν το 1 δισεκατομμύριο τόνους οι εκπομπές CO2e και να αντιστοιχούν σε ποσοστό 2,89% των συνολικών ανθρωπογενών εκπομπών, σε σχέση με το 2,76% το 2012.

Από την άλλη πλευρά, η τελευταία αυτή μελέτη καταγράφει την παγιοποίηση της αποσύζευξης από το 2008 και μετά, μεταξύ του μεταφορικού έργου και των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητα των μέτρων που ελήφθησαν από τον ΙΜΟ και την προσπάθεια που όλοι οι συντελεστές (πλοιοκτήτες, πληρώματα, ναυπηγεία, κατασκευαστές μηχανών, νηογνώμονες, σημαίες κ.ά.) κατέβαλαν προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η αύξηση της απόδοσης της ναυτιλίας ως μεταφορικού μέσου. Παρ’ όλα αυτά, η πρόβλεψη είναι ότι εάν δεν ληφθούν επιπλέον μέτρα, οι εκπομπές το 2050 θα κυμανθούν μεταξύ 90%-130% αυτών του 2008 και επομένως πολύ μακριά από τους στόχους του IMO για περιορισμό στο επίπεδο του 50%.

Αυτό μεταφράζεται στην ανάγκη για εισαγωγή καυσίμων με μηδενικούς ρύπους άνθρακα σε ποσοστό 30%-40% της ολικής ενέργειας που καταναλώνεται από τη ναυτιλία. Ετσι, η προσπάθεια επικεντρώνεται στην ολιστική αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων (από την παραγωγή μέχρι την κατανάλωση, well-to-propeller emissions), τη διαθεσιμότητα, τη συμβατότητα και το κόστος των εναλλακτικών καυσίμων.

Ενα από τα καύσιμα που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη ναυτιλία είναι η «πράσινη» αμμωνία. Σε αυτήν επικεντρώνεται το Ερευνητικό Εργο «Scaling up and demonstration of a multi-MW Fuel Cell system for shipping (ShipFC)». Ξεκίνησε τον Ιανουάριο του 2020 και θα διαρκέσει 6 χρόνια. Η χρηματοδότηση της ΕΕ ανέρχεται σε €10Μ αλλά το συνολικό κόστος του προγράμματος θα φτάσει τα €21,5 Μ. Η κοινοπραξία του έργου περιλαμβάνει τη Maritime Cleantech (συντονιστής), τη Wartsila Norway, τη Fraunhofer, την Prototech, το ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», την Persee, τη North Sea Shipping, την Capital-Executive Ship Management Corp, τη Starbulk Shipmanagement Co., τη Yara International ASA, τη Sustainable Energy, την Equinor Energy και το Ερευνητικό Κέντρο Ασφάλειας της Ναυτιλίας (MSRC) του Πανεπιστημίου του Strathclyde, στη Γλασκώβη.

Η αμμωνία αποτελεί ένα καύσιμο μηδενικών ρύπων όταν προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (green ammonia). 180 εκατομμύρια τόνοι αμμωνίας παράγονται ετησίως, κυρίως για λιπάσματα. Στα πλεονεκτήματά της συμπεριλαμβάνονται το ήδη εκτεταμένο δίκτυο διανομής και οι διαθέσιμες υποδομές. Επιπλέον, η υψηλή ενεργειακή της πυκνότητα την καθιστά ιδανική για ποντοπόρα πλοία. Η μεταφορά και η αποθήκευσή της είναι ευκολότερες σε σύγκριση με το υδρογόνο. Είναι υγροποιημένη σε ατμοσφαιρική πίεση στους -34^oC. Παρουσιάζει ευελιξία ως καύσιμο καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε σε μηχανές εσωτερικής καύσης είτε σε κυψέλες καυσίμου.

Παρά ταύτα, η αμμωνία έχει και αυτή τις ιδιαιτερότητές της και χρειάζεται προσοχή για την ασφαλή χρήση της. Η αμμωνία είναι τοξική. Ομως η ισχυρή οσμή της βοηθά στον εύκολο εντοπισμό πιθανών διαρροών. Η αμμωνία σε συνδυασμό με το νερό έχει ισχυρές διαβρωτικές ιδιότητες, που πρέπει να ληφθούν υπόψη στον σχεδιασμό του συστήματος καυσίμου. Μπορεί να διαλυθεί στο νερό και εξαιτίας της χαμηλής πυκνότητάς της, στην αέρια μορφή της μπορεί να διασκορπιστεί στον αέρα, περιορίζοντας έτσι τον κίνδυνο ανάφλεξης και έκρηξης. Γενικά πάντως, θεωρείται πιο ασφαλές καύσιμο από το υδρογόνο.

Οι κυψέλες καυσίμου είναι η πιο αποτελεσματική τεχνολογία για την εξαγωγή ενέργειας από την αμμωνία. Πρόκειται για ηλεκτροχημικές συσκευές μετατροπής ενέργειας που παράγουν ηλεκτρισμό, θερμότητα και προϊόντα της αντίδρασης (π.χ. νερό). Στη ναυτιλία χρησιμοποιούνται για την κάλυψη βοηθητικών φορτίων και σε κάποιες περιπτώσεις για την πρόωση. Κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούν για την αναερόβια πρόωσή τους τα υποβρύχια 214 του ΠΝ.

Η αμμωνία είναι ένα πολλά υποσχόμενο καύσιμο για κυψέλες καυσίμου στερεού οξειδίου (Solid Oxide FC) επειδή μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας σε αυτά. Οι κυψέλες αυτές έχουν στερεό ηλεκτρολύτη και υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας. Εχουν επίσης υψηλή ενεργειακή απόδοση που μπορεί να ξεπεράσει και το 60%. Από την άλλη πλευρά, στα μειονεκτήματά τους καταγράφονται η περιορισμένη αντοχή και οι αργοί χρόνοι εκκίνησης.

Στόχοι του προγράμματος είναι:

^l H ανάπτυξη μιας εφικτής προσέγγισης για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα μεγάλης κλίμακας στη διεθνή ναυτιλία.

^l Η ανάπτυξη του πρώτου συστήματος πρόωσης καθολικά με FC που λειτουργούν με αμμωνία παραγόμενη από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

^l Η εξασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργείας του συστήματος.

Τα κομβικά σημεία του έργου περιλαμβάνουν:

^l Τη μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά την παραγωγή της αμμωνίας και τη λειτουργεία του συστήματος.

^l Την ασφάλεια του συστήματος και τη διερεύνηση των ζητημάτων που προκαλεί η τοξικότητα της αμμωνίας και η διαβρωτική της επίδραση.

^l Διερεύνηση του αντίκτυπου της αμμωνίας ως καυσίμου στη σχεδίαση και λειτουργία του πλοίου.

Η δομή του έργου περιλαμβάνει 3 φάσεις. Στη πρώτη έχουμε τη σχεδίαση και ανάπτυξη του συστήματος. Σε αυτή τη φάση γίνεται η ανάπτυξη κυψελών καυσίμου αμμωνίας με ισχύ 670kW και ο συνδυασμός τους σε ένα σύστημα συνολικής ισχύος 2 ΜW. Στη δεύτερη έχουμε την εγκατάσταση του πρωτοτύπου στο OSV Viking Energy (το πρώτο LNG-fuelled ΟSV στον κόσμο), την ολοκλήρωσή του με τα υφιστάμενα συστήματα και την παρακολούθηση της λειτουργίας του. Στην τρίτη φάση έχουμε τη μεταλαμπάδευση της τεχνολογίας αυτής σε μεγαλύτερα πλοία και τη διερεύνηση των τεχνο-οικονομικών επιδράσεων στη ναυτιλία.

Η ομάδα του MSRC και του «Δημόκριτου» έχουν εστιάσει την ερευνητική τους εργασία στο κομμάτι της διερεύνησης της ασφάλειας του συστήματος και του πλοίου. Μελετούμε την επίδραση και τους πιθανούς κινδύνους των διαφόρων συστημάτων και υπο-συστημάτων της νέας εγκατάστασης στον περιβάλλον και στον άνθρωπο.

Ενα σημαντικό κομμάτι για τη διεθνή και την Ελληνική Ναυτιλία είναι η μελέτη για την εφαρμογή της αναπτυσσόμενης τεχνολογίας σε ποντοπόρα σκάφη. Στη φάση αυτή συνεργαζόμαστε με 2 από τις μεγαλύτερες ελληνικές πλοιοκτήτριες εταιρείες, την Capital Group και τη Starbulk. Με τη βοήθειά τους θα διερευνήσουμε την επίδραση των πρωτοποριακών τεχνολογιών που θα αναπτυχθούν στην ανασχεδίαση πλοίων bulkcarrier και container ships.

Τα αποτελέσματα θα διευκολύνουν την εισαγωγή της αμμωνίας ως καυσίμου στη διεθνή ναυτιλία και θα συμβάλουν στην επίτευξη των στόχων της Διεθνούς Ναυτιλιακής Κοινότητας για περιορισμό των εκπομπών άνθρακα κατά 50% μέχρι το 2050 και τη μετάβαση της Ελληνικής Ναυτιλίας σε μια νέα εποχή.

Ο δρ Μπουλουγούρης είναι RCCL Reader στην Ασφάλεια των Θαλάσσιων Επιχειρήσεων στο MSRC (https://bit.ly/36Z7N9P) και διευθυντής Ερευνών της Μονάδας Θαλάσσιων Μεταφορών του Τμήματος Ναυπηγικής, Ωκεάνιας και Ναυτικής Μηχανολογίας στο Πανεπιστήμιο του Strathclyde.

Ευχαριστίες

Το ShipFC χρηματοδοτείται από το Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) (Grant No. 875156). To FCH JU υποστηρίζεται από το πρόγραμμα «Horizon 2020» της Ευρωπαϊκής Ενωσης και το Hydrogen Europe. Ο δρ Μπουλουγούρης εκφράζει τις ευχαριστίες του στο DNV-GL και στην RCCL, σπόνσορες του MSRC. Οι απόψεις που εκφράζονται εδώ είναι αυτές τoυ συγγραφέα και δεν αντικατοπτρίζουν τις απόψεις των DNV-GL και RCCL ή της ΕΕ.