ShipFC: Η αμμωνία ως καύσιμο για την Διεθνή και την Ελληνική Ναυτιλία

Γράφει ο Δρ. Ευάγγελος Μπουλουγούρης*

       Στις 16-20 Νοεμβρίου 2020 πραγματοποιήθηκε διαδικτυακά η 75η σύνοδος της Επιτροπή Προστασίας Θαλάσσιου Περιβάλλοντος (MEPC 75) του ΙΜΟ. Σε αυτήν εγκρίθηκε η 4^η 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% στο οποίο αντιστοιχούσαν 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 την παγκόσμια ναυτιλία και την προσπάθεια που όλοι οι συντελεστές (πλοιοκτήτες, πληρώματα, ναυπηγεία, κατασκευαστές μηχανών, νηογνώμονες, σημαίες και άλλοι) κατέβαλαν προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η αύξηση της απόδοσης της ναυτιλίας ως μεταφορικού μέσου. Παρόλα 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 την ναυτιλία. Έτσι, η προσπάθεια επικεντρώνεται στην ολιστική αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων (από την παραγωγή μέχρι την κατανάλωση, well-to-propeller emissions), την διαθεσιμότητα, τη συμβατότητα και το κόστος των εναλλακτικών καυσίμων.

Επί του παρόντος, το πιο ανταγωνιστικό καύσιμο από τα παραδοσιακά που χρησιμοποιούνται στην ναυτιλία, είναι το φυσικό αέριο (LNG στην υγροποιημένη του μορφή). Η περιεκτικότητα του σε άνθρακα το καθιστά ιδανικό για να παίξει το ρόλο του μεταβατικού καυσίμου. Η επόμενη λύση είναι τα αλκοολούχα καύσιμα όπως η μεθανόλη και η αιθανόλη, εφόσον παράγονται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Το μειονέκτημά τους είναι  η χαμηλότερη θερμογόνος δύναμη τους.

Δύο καύσιμα που παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την εφαρμογή τους στη ναυτιλία και τις μεταφορές γενικότερα είναι το «πράσινο» υδρογόνο και η «πράσινη» αμμωνία. Για την ανάπτυξη της απαιτούμενης τεχνολογίας και τεχνογνωσίας επικεντρώνεται το Ερευνητικό Έργο «Scaling up and demonstration of a multi-MW Fuel Cell system for shipping (ShipFC)». Ξεκίνησε το 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. Τα υπόλοιπα χρήματα θα καλυφθούν από την Νορβηγική κυβέρνηση και τους βιομηχανικούς εταίρους. Η κοινοπραξία (consortium) που τρέχει το έργο περιλαμβάνει την Maritime Cleantech (συντονιστής), τη Wartsila Norway AS, τη Fraunhofer, τη Prototech, το ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος», την Persee, την North Sea Shipping AS, την Capital-Executive Ship Management Corp, την Starbulk Shipmanagement Co., τη Yara International ASA, την Sustainable Energy AS, την Equinor Energy AS και βεβαίως 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 ετήσια, κυρίως για λιπάσματα. Στα πλεονεκτήματα της συμπεριλαμβάνεται το ήδη εκτεταμένο δίκτυο διανομής και οι διαθέσιμες υποδομές. Επιπλέον, η υψηλή ενεργειακής της πυκνότητα την καθιστά ιδανική για ποντοπόρα πλοία. Η μεταφορά και αποθήκευση της είναι ευκολότερη σε σύγκριση με το υδρογόνο. Είναι υγροποιημένο σε ατμοσφαιρική πίεση στους -34^oC. Είναι ένα ευέλικτο καύσιμο, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες τεχνολογίες (π.χ. σε μηχανές εσωτερικής καύσης ή σε κυψέλες καυσίμου).

Παρά ταύτα, η αμμωνία έχει και αυτή τις ιδιαιτερότητές της ως καύσιμο και χρειάζεται προσοχή για την ασφαλή χρήση της. Η αμμωνία είναι τοξική. Όμως 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 στο 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 ασφαλής 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 παράγει ηλεκτρισμό, θερμότητα και προϊόντα της αντίδρασης (πχ. Νερό) μεταξύ των εισαγόμενων ουσιών (πχ. Αέρα και καυσίμου). Σε θαλάσσιες κατασκευές τα βρίσκουμε ήδη να χρησιμοποιούνται για την κάλυψη βοηθητικών φορτίων και σε κάποιες περιπτώσεις για την πρόωση. Κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούν για την αναερόβια πρόωσή τους και 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 ως πηγή υδρογόνου. Οι κυψέλες αυτές έχουν στερεό ηλεκτρολύτη και υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας. Έχουν επίσης υψηλή ενεργειακή απόδοση που μπορεί να ξεπεράσει και το 60%. Από την άλλη πλευρά, στα μειονεκτήματά τους καταγράφονται στη βιβλιογραφία η περιορισμένη αντοχή και οι αργοί χρόνοι εκκίνησης.

Στόχοι του προγράμματος είναι:

• H ανάπτυξη μιας εφικτής προσέγγισης για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα μεγάλης κλίμακας στη διεθνή ναυτιλία.
• Η ανάπτυξη του πρώτου συστήματος πρόωσης καθολικά με FC που λειτουργούν με αμμωνία παραγόμενη από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.
• Η εξασφάλιση της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργείας του συστήματος.

Τα κομβικά σημεία του έργου περιλαμβάνουν:

• Τη μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων κατά την παραγωγή της αμμωνίας και τη λειτουργεία του συστήματος
• Την ασφάλεια του συστήματος και την διερεύνηση των ζητημάτων που προκαλεί η τοξικότητα της αμμωνίας και η διαβρωτική της επίδραση. Επιπλέον, λόγω της εισαγωγής μια νέας τεχνολογίας, απαιτείται η συστηματική ανάλυση των ρίσκων του συστήματος.
• Διερεύνηση του αντίκτυπου της αμμωνίας ως καυσίμου στην σχεδίαση και λειτουργία του πλοίου.

Η δομή του έργου περιλαμβάνει 3 φάσεις

• Στη πρώτη έχουμε την 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. Το σύστημα θα περιλαμβάνει όλα τα απαιτούμενα υποσυστήματα για την παροχή του καυσίμου, την αποθήκευση της ενέργειας σε μπαταρίες, την απόπλυση με αέρα του χώρου, την διατήρηση στα επιθυμητά επίπεδα της θερμοκρασίας και του ελέγχου πιθανών διαρροών.
• Στη δεύτερη έχουμε την εγκατάσταση του πρωτοτύπου στο πλοίο-επίδειξης, την ολοκλήρωσή του με τα υφιστάμενα συστήματα και τη παρακολούθησης της λειτουργίας του. Το σκάφος είναι το OSV Viking Energy. Είναι ένα σκάφος υποστήριξης πλωτών εξεδρών άντλησης πετρελαίου και αερίου. Είναι το πρώτο PSV στο κόσμο που κατασκευάστηκε με καύσιμο  το LNG. Έχει μήκος μεταξύ καθέτων 81.6m και πλάτος 20.4m. Το κοίλο του είναι 9.6m και το μέγιστο βύθισμά του 7.9m. Έχει πλήρωμα 24 ατόμων.
• Στην τρίτη φάση έχουμε την μεταλαμπάδευση της τεχνολογίας αυτής σε μεγαλύτερα πλοία και την διερεύνηση των τεχνο-οικονομικών επιδράσεων στην 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 υπό-συστημάτων της νέας εγκατάστασης στον περιβάλλον και στον άνθρωπο, καθώς η αμμωνία είτε υγρή ή σε αέρια μορφή είναι τοξική και μπορεί να αποδειχθεί επιβλαβής.

Ένα σημαντικό κομμάτι για την διεθνή και για την Ελληνική Ναυτιλία είναι η μελέτη για την εφαρμογή της αναπτυσσόμενης τεχνολογίας σε ποντοπόρα σκάφη. Στη φάση αυτή, έχουμε την τιμή και τη χαρά να συνεργαζόμαστε με 2 από τις μεγαλύτερες Ελληνικές πλοιοκτήτριες εταιρείες, την Capital Group και την Starbulk. Με την βοήθειά τους θα διερευνήσουμε την εφικτότητα εφαρμογής των πρωτοποριακών τεχνολογιών που θα αναπτυχθούν για την ανασχεδίαση πλοίων bulkcarrier και containerships. Η επίδραση στην σχεδίαση, τη λειτουργία, το κόστος κατασκευής, την αυτονομία κ.ά. θα εξεταστούν διεξοδικά.

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

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 Ένωσης και το Hydrogen Europe. Ο Δρ. Μπουλουγούρης, εκφράζει τις ευχαριστίες του στο DNV-GL και την 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.

Σύντομο CV

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 NAOME στο Πανεπιστήμιο του Strathclyde. Πιστοποιημένος Μηχανικός στο Ηνωμένο Βασίλειο και την Ελλάδα, Εταίρος στο RINA και Μέλος του SNAME. Διαθέτει μεγάλο ερευνητικό έργο με δεκάδες κοινοτικά και εθνικά ερευνητικά προγράμματα και έργα μεταφοράς τεχνογνωσίας στο ενεργητικό του. Έχει λάβει σημαντικό αριθμό διεθνών βραβείων για το ερευνητικό του έργο. Είναι συγγραφέας περισσότερων από 150 διεθνών δημοσιεύσεων (https://bit.ly/3pTpJeI) και μέλος της διεθνούς επιτροπής ITTC για την ευστάθεια στους κυματισμούς και της αντιπροσωπείας του RINA στον IMO. Είναι κύριος ερευνητής για το Strathclyde στο έργο ShipFC H2020.

• RCCL Reader of Safety of Marine Operations

Maritime Safety Research Centre

Department of Naval Architecture, Ocean & Marine Engineering

University of Strathclyde, UK