استفاده از هیدروژن برای به جریان انداختن موتورهای آمونیاکی

توسط ویلیام لی رایت، دانشگاه علم و صنعت نروژ

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

دیوید امبرسون، دانشیار دپارتمان فناوری دریایی NTNU توضیح می دهد: "آمونیاک برای اولین بار در طول جنگ جهانی دوم به عنوان سوخت استفاده شد، زمانی که بنزین به سختی قابل دستیابی بود."

این در واقع یک ایده کاملا دیوانه کننده بود، زیرا آمونیاک یک گاز بسیار سمی و سمی است.

اما ضرورت، مادر اختراع است.

جایی که کمبود سوخت باعث توسعه موتورهای آمونیاکی در دهه 1940 شد، نیاز به نیروی محرکه بدون کربن الهام بخش عصر جدیدی است.

آمونیاک فراوان و رایج است و می توان آن را با استفاده از انرژی های تجدید پذیر تولید کرد. این یک سوخت کربن صفر است که در طول استفاده از آن دی اکسید کربن تولید نمی کند. اما آمونیاک ویژگی اشتعال ضعیفی دارد و به خودی خود به خوبی نمی سوزد.

برای تامین انرژی موتور، معمولا از آمونیاک در کنار سوخت دیگری برای کمک به احتراق استفاده می شود. اینها به عنوان موتورهای دوگانه سوز شناخته می شوند.

گاز زغال‌سنگ، سوخت‌های زیستی و گازوئیل نمونه‌هایی از سوخت‌های احتراق هستند که برای "جرقه زدن" آمونیاک به کار می‌روند.

کمبود گازوئیل در طول جنگ جهانی دوم باعث اولین استفاده در دنیای واقعی از آمونیاک به عنوان سوخت شد. ناوگان اتوبوس های بلژیکی برای کار با آمونیاک به روز شده بودند، اما موتورها برای دستیابی به احتراق پایدار به مخلوط سوختی حاوی تا 40 درصد گاز زغال سنگ نیاز داشتند.

سوخت‌های احتراق مجددا انتشار کربن را به معادله وارد می‌کنند، که باعث تضعیف موتورهای آمونیاکی در بازار امروز می‌شود. مهندسان در حال تحقیق در مورد جایگزین های بدون کربن و بررسی نحوه استفاده از آنها تا حد امکان موثر هستند.

امبرسون قبلا بررسی کرده بود که چگونه می توان میزان سوخت احتراق مورد نیاز در یک سیستم دوگانه سوز را به حداقل رساند. او و تیمش اکنون با استفاده از تکنیک‌های مشابه، استفاده از هیدروژن را به عنوان سوخت احتراق در موتور آمونیاکی مورد بررسی قرار داده‌اند.

هیدروژن نیز یک سوخت کربن صفر است و می تواند از خود آمونیاک ایجاد شود. استفاده از آن مستلزم ذخیره سازی هیدروژن اضافی یا تجهیزات داخلی برای جداسازی هیدروژن از آمونیاک در صورت نیاز است. بنابراین به حداکثر رساندن کارایی یک اولویت کلیدی است.

تحقیقات امبرسون و همکارانش نشان می‌دهد که اگر به روش صحیح مصرف شود، به 7 تا 8 درصد هیدروژن برای کمک به احتراق آمونیاک نیاز است.

این مقاله در مجله Energy & Fuels منتشر شده است.

نتایج می‌تواند تأثیر عمیقی بر قابلیت حیات این فناوری در بخش دریایی داشته باشد.

امبرسون می گوید: «واقعیت این است که بخش دریایی جایی است که ما به احتمال زیاد به استفاده از موتورها و سوزاندن سوخت برای طولانی ترین مدت زمان ادامه خواهیم داد. تمرکز ما بر این است که چگونه می‌توانیم این بخش را به سمت سوخت‌های کم یا صفر کربن سوق دهیم.»

حمل و نقل بین 11 تا 12 درصد از کل انتشار آلاینده های حمل و نقل در سراسر جهان را تشکیل می دهد. برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به میزان 50 درصد (از سطح سال 2008) تا سال 2050، همانطور که توسط سازمان بین المللی دریانوردی توافق شده است، باید جایگزین های گسترده ای برای موتورهای دیزلی اتخاذ شود.

آمونیاک در صنعت کشتیرانی به عنوان یک جایگزین سازگار با آب و هوا برای نفت مورد توجه قرار گرفته است. اما به طور معمول، موتورهای آمونیاکی از سوخت احتراق استفاده می کنند که بدون کربن نیست.

امبرسون توضیح می دهد: "هیدروژن به عنوان سوخت فشرده سازی، ذخیره و حمل و نقل بسیار دشوار است. داشتن یک محفظه 700 بار برای یک خودروی هیدروژنی مانند تویوتا میرای یک چیز است، اما استفاده از آن برای یک کشتی با هر اندازه ای کاملا غیر ممکن است."

با این حال، هیدروژن می تواند به عنوان سوخت احتراق بدون کربن برای موتورهای آمونیاکی استفاده شود.

محققان تکنیک هایی را برای احتراق آمونیاک با کمترین هیدروژن ممکن بررسی کردند. احتراق هیدروژن کربن تولید نمی کند اما می تواند اکسیدهای نیتروژن تولید کند که برای محیط زیست بسیار مضر است. هیدروژن همچنین باید در فشار بسیار بالا ذخیره شود و بسیار انفجاری است. چالش های ذخیره سازی قابل توجهی پیرامون استفاده از آن در دریا وجود دارد.

آمونیاک، اگرچه سمی است، اما می تواند در فشار بسیار معتدل تری ذخیره شود، انفجاری نیست، در هر لیتر انرژی بیشتری تولید می کند و برای حمل و نقل در مسافت های طولانی مناسب تر است.

استفاده از مقدار کمی هیدروژن برای احتراق آمونیاک نشان دهنده ترکیب معتبری از ویژگی های کلیدی دو سوخت است.

آمونیاک (NH3) یک مولکول ساده متشکل از یک اتم نیتروژن است که اطراف سه اتم هیدروژن را حمل می کند. بنابراین می توان آن را یک مکانیسم ذخیره شیمیایی برای هیدروژن در نظر گرفت.

هیدروژن را می توان با "شکستن" آمونیاک - جداسازی آن به هیدروژن و نیتروژن بازیابی کرد. این فرآیند می‌تواند روی کشتی رخ دهد و نیاز به حمل و نقل مقادیر زیادی از سوخت فرار را از بین ببرد.

امبرسون معتقد است که این فناوری حتی می‌تواند در برخی از موتورها نیز به روز شود: «ترک کردن آمونیاک یک گزینه است، اما به انرژی نیز نیاز دارد، بنابراین کاهش تقاضای ترک بخش مهمی از توسعه است.

تحقیقات Emberson به بررسی تزریق مستقیم می پردازد. سوخت به جای مخلوط شدن با آمونیاک در ورودی به داخل محفظه احتراق پاشیده می شود. این امر پژوهش را از کار در آزمایشگاه های دیگر و از موتورهای دوگانه سوز در حال حاضر متمایز می کند.

Duc Duy Nguyen یک دکترا است. در دپارتمان فناوری دریایی و نویسنده مقاله. او توضیح می‌دهد که هسته اصلی این تحقیق، درست کردن مکانیک تزریق سوخت در حین توسعه روش‌هایی برای ثبت فرآیند است.

نگوین می‌گوید: «اگر آتش واقعا بزرگی دارید و باید آن را روشن کنید، باید جرقه‌های کوچکی ایجاد کنید، با انرژی واقعا شدید و بالا». در فضای کوچک یک پیش محفظه هم همینطور است. در اینجا ما هیدروژن را تامین می کنیم.

مقادیر کمی هیدروژن به یک "پیش محفظه" کوچک در موتور تزریق می شود، جایی که هیدروژن توسط یک شمع مشتعل می شود. سپس شعله‌ها از این پیش محفظه بیرون می‌آیند و مانند شعله‌افکن‌های مینیاتوری، آمونیاک را در بقیه قسمت‌های موتور مشتعل می‌کنند.

کار این تیم حول تنظیم تراز دقیق نازل و ابعاد سوراخ ها می چرخد. آنها شعله افکن های مینیاتوری را برای حداکثر کارایی تنظیم می کنند و روش های پیچیده ای را برای مستندسازی فرآیند توسعه داده اند.

محققان با استفاده از ثبت تصاویر با سرعت بالا، میزان سوخت مورد نیاز را اصلاح کردند.

نگوین می‌گوید: «معمولا وقتی یک موتور در حال کار است، نمی‌توانیم ببینیم که در داخل موتور چه اتفاقی می‌افتد. اما با استفاده از تکنیک‌های نوری در اینجا، می‌توانیم درون آن را ببینیم و اصول احتراق آمونیاک را درک کنیم.»

نگوین از دو دوربین مختلف استفاده می کند. اولی یک دوربین درخشندگی با سرعت بالا است که قادر به ثبت 36000 فریم در ثانیه است. نور مرئی حاصل از واکنش شیمیایی را مشاهده می‌کند و رفتار احتراق را با جزئیات دقیق ثبت می‌کند.

دومی یک دوربین نورتابی شیمیایی است که رفتارهای نامرئی را با چشم غیر مسلح ثبت می کند.

نگوین می گوید: «متغیرهای زیادی وجود دارد که باید کنترل شوند. "مسئله فقط میزان تزریق آمونیاک و مقدار هیدروژن برای تزریق نیست. بلکه زمان تزریق است. ما زمان تزریق و همچنین زمان جرقه را بر اساس زمانی که پیستون در بالا یا پایین است تغییر می دهیم."

آندرس والاند مدیر تحقیقات SINTEF Ocean است و تحقیقات را دنبال می کند.

والاند می‌گوید: «امبرسون و خدمه در آزمایشگاه سیستم‌های انرژی دریایی ما روی این موضوع کار می‌کنند و ما در بسیاری از خطوط جالب با او همکاری می‌کنیم.

"هنوز راه زیادی برای رفتن وجود دارد، زیرا نتایج به شکست آمونیاک درون خطی متکی است، که یک فناوری در دست توسعه است و احتمالا تحت تأثیر قوانین و مقررات استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت قرار خواهد گرفت.

والاند توضیح می‌دهد: «آن R&R هنوز در جای خود قرار نگرفته‌اند.

NTNU و SINTEF هر دو شرکای HYDROGENI، یک مرکز تحقیقاتی نروژی هستند که از پذیرش منابع انرژی هیدروژن حمایت می کند. موتورهای آمونیاکی به عنوان یک فناوری توانمندساز مهم برای کربن زدایی فناوری دریایی دیده می شوند.

امبرسون توضیح می‌دهد: «موتورهای آمونیاکی ممکن است راه‌حل کاملی نباشند، اما احتمالا شاهد استفاده از آن‌ها در مناطق خاصی خواهیم بود». "ساخت سوخت، توزیع سوخت و سوخت‌گیری کشتی‌ها مواردی هستند که حل نشده‌اند. ایمنی کشتی و انتشار نیتروژن بالقوه نیز نگران‌کننده هستند، همانطور که تاثیر آن بر نگهداری و عمر موتور نیز وجود دارد."

اتوبوس‌های اصلی بلژیکی که در طول جنگ جهانی دوم با آمونیاک کار می‌کردند، پس از پایان جنگ، زمانی که قیمت گازوئیل کاهش یافت و در دسترس بودن نفت افزایش یافت، از رده خارج شدند.

امبرسون می گوید: «زیرساخت های قدیمی در نهایت پیروز شدند. "چالش امروز این است که مطمئن شویم جایگزین هایی می سازیم که جذاب تر هستند و می توانند به همان اندازه یا بهتر عمل کنند."

Ducduy Nguyen و همکاران، احتراق آمونیاک ناب در یک محفظه احتراق قابل دسترسی نوری با استفاده از جرقه زنی جت هیدروژن، انرژی و سوخت (2026). DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6c02691

ارائه شده توسط دانشگاه علم و صنعت نروژ

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →