Метанол като гориво: Достъпна ранна стъпка към чист транспорт

Глобалната корабна индустрия драстично трябва да прочисти играта си, но влаченето на тези масивни машини през океана изисква извънредно много енергия. Евтиният, изобилен, мръсен корабен дизел ще бъде изключително труден за замяна. Миналата година проучихме обещаващ кандидат за чисто гориво с висока плътност в зелен амоняк, но сега научаваме, че индустрията започва потенциално да се насочва към метанола като решение вместо това. Така че нека да разгледаме защо и да разгледаме потенциала на метанола като чисто гориво.

Защо не зелен амоняк?

Отговорът изглежда доста прост, според доклад от Новини за презареждане. Амонякът се смята за опасен, труден е за работа и просто не носи достатъчно енергия.

По отношение на безопасността, амонякът става вреден за хората при много ниска концентрация от 30 части на милион (ppm) при продължителна експозиция или 300 ppm, ако експозицията продължи един час. Така че малки течове в която и да е част от системата на кораба могат да представляват постоянен риск за екипажа и всяко по-голямо изпускане на гориво – да речем, ако корабът заседне или удари друг кораб и корпусът се счупи, или има значителен теч по време на презареждане , или някой изпусне транспортен контейнер на пристанището и повреди част от горивната система – лесно може да доведе до множество смъртни случаи.

Заедно в безопасността Доклад за бъдещите горива изброява не по-малко от шест сценария за оценка на риска, при които амонячните горива могат да представляват „непоносим риск“.

Боравенето е трудно, се казва в същия доклад, тъй като амонякът остава течен само при ниско до средно налягане или когато се поддържа под -34 °C (-29 °F), а корабната индустрия в момента няма разпоредби, правила или насоки на място за използването му като гориво – имайте предвид, че със сигурност вече се превозва в насипно състояние като товар.

И тогава има неговата обемна енергийна плътност, която е ключова за жизнеспособността в корабоплаването. При 3,5 kWh/l амонякът е значително по-привлекателен от газообразния или криогенния течен водород в това отношение, но вие получавате почти 24 процента повече енергия на литър с метанол и е едновременно по-лесно и по-безопасно за работа.

Метанолът като гориво днес

Метанол – химична формула CH₃OH – остава течност при температура и налягане на околната среда. Това вече е утвърдено гориво с установени правила за употребата му. Може да се използва като горивно гориво в повечето съвременни бензинови двигатели с нищо друго освен няколко софтуерни настройки на впръскването на гориво и може би някои резервни уплътнения и горивопроводи. Необходими са по-широки адаптации за изгарянето му в дизелови двигатели.

Високото му октаново число го прави популярно като високомощно гориво за състезателни коли, чудовищни ​​камиони и драгстери. Roland Gumpert дори пусна Natalie, суперавтомобил, задвижван от горивни клетки с метанол. Въпреки че неговите гравиметрични и обемни енергийни плътности от 5,5 kWh/kg и 4,3 kWh/l са по-малко от половината от това, което дизелът може да предложи (12,7 kWh/kg, 10,7 kWh/l), метанолът стои значително пред други алтернативи на чисто гориво и по двата показателя .

Метанолът е силно запалим – но по-малко от бензина; по-трудно се запалва и по-бавно гори, произвеждайки само една осма от топлината. От друга страна, той гори без видим пламък или дим, което може да направи много по-трудно откриването на пожари и откриването къде се разпространяват. Водата може да бъде неефективна при гасене на пожари с метанол, но пожарогасителите със сух химикал, пяна, пясък или въглероден диоксид ще свършат работа.

Той е токсичен за хората при поглъщане, вдишване или контакт с кожата, но поне е течност, а не газ във въздуха, така че оценява „широко приемлив“ или „допустим риск“ във всички категории в „Заедно в безопасност“ Доклад за бъдещите горива.

Изисква допълнителни предпазни мерки по време на съхранение и работа и трябва да се съхранява в добре затворени резервоари, тъй като е хигроскопичен и ще абсорбира водни пари от въздуха, разреждайки енергийното си съдържание. Като каза това, той ще се впише много лесно в съществуващата инфраструктура за гориво в сравнение с други алтернативи на чисто гориво.

Не е съвсем точно да го наричаме чисто гориво обаче, както и да го разделите. Въглеродният атом в центъра на молекулата на метанола изглежда винаги намира двойка кислородни атоми.

Метанол в двигатели с вътрешно горене: емисии

При високи температури две молекули метанол (2CH₃OH) ще се комбинира с три молекули кислород (3O₂), за да се получат четири молекули вода (4H₂O) и два въглероден диоксид (2CO₂).

Да, въглероден диоксид. Но дори и в горивна среда, метанолът гори много по-чисто от изкопаемите горива. Според Институт по метанол, “в сравнение с конвенционалните горива, възобновяемият метанол намалява емисиите на въглероден диоксид с до 95 процента, намалява емисиите на азотен оксид с до 80 процента и напълно елиминира емисиите на серен оксид и прахови частици.” Така че определено е положителна стъпка, дори и да не е перфектна.

В зависимост от наличието на метанол е възможно да се проектират двигатели, способни да работят с метанол или конвенционални горива, или наистина смеси от двете. Така че бариерата за влизане тук е доста ниска и наистина според Новини за презареждане, вече има около 54 метанолни или двугоривни съда в експлоатация или в процес на изграждане. Повечето са с двойно гориво, тъй като в момента е много трудно да се снабдите с метанол в количества за товарен кораб, а инфраструктурата за зареждане все още не е налице.

Преминаване направо към електричество: горивни клетки с метанол

Както при водорода и амоняка, е възможно да се захранват електрически задвижвания и системи за задвижване, като се използва метанол в схема с горивни клетки. Но отново, въглеродният атом във всяка молекула метанол намира двойка кислородни атоми.

В горивна клетка с директен метанол, или DMFC, химичното уравнение работи по същия начин, както ако го изгорите, две молекули метанол и три кислород, които в крайна сметка произвеждат четири водни молекули и две въглероден диоксид. На този етап горивните клетки с директен метанол преобразуват енергийното съдържание на горивото в електричество с ефективност от около 30-40 процента – но на теория е възможно това да достигне до 97 процента и в тази област се провеждат много изследвания.

След това има горивни клетки с реформиран метанол или RMFC, които използват парен реформер за превръщане на метанола във водород и след това пропускат водорода директно през купчина горивни клетки. В момента те са по-малки и могат да достигнат ефективност от 45 процента. Те са ефективни и с метанол с по-ниска чистота – наистина, някои инсталации са предназначени за смеси с до 40 процента вода, въпреки че това очевидно влияе върху обемната енергийна плътност.

В пример за RMFC, парният реформатор може да разгради метанола на две водородни молекули и една въглероден оксид, а след това този въглероден оксид да се комбинира с водна молекула, за да произведе друга водородна молекула и въглероден диоксид, оставяйки ви общо три водородни молекули, които да преминават през стандартна купчина горивни клетки PEM, и приблизително същото количество въглероден диоксид, което бихте получили от другите два подхода.

Преглед на производството на метанол

Можете да произвеждате метанол по много начини, от старата школа дестилация на дървесен алкохол до възобновяеми методи, които включват рециклиране на въглероден диоксид. Повечето от тях обаче в момента се произвеждат с помощта на природен газ (метан) или въглища. В най-често срещания процес природният газ се преобразува с пара в синтетичен газ, водородът се отделя за отделна употреба, а останалата смес от метанол/вода се дестилира, за да получите чист метанол.

Това разбира се е мръсен процес; процесът на парно реформиране води до странични продукти както въглероден диоксид, така и въглероден оксид. Има някои други обещаващи методи, включително използването на катализа на метало-органична рамка за преобразуване на метан и слънчева светлина директно в метанол при стайна температура – ​​но всеки процес, който включва газ метан, трябва да се счита за отговорен за неизбежните дифузни емисии на този изключително мощен парников газ които излизат от кладенеца, преносните тръби и фитингите.

По-екологично производство на метанол

Възможно е да се създаде “биометанол”, като се газифицират “твърди битови отпадъци” или обикновени стари отпадъци, включително отпадъчна дървесина, пластмаса и стиропор, след което се пуска през реактор и се дестилира. Наистина, Enerkem провежда този вид операции в търговски мащаб от няколко години в Едмънтън, Канада, отклонявайки до 30 процента от градските отпадъци от депата.

Също така е възможно да се направи метанол с помощта на зелена енергия. Бихте използвали електричеството, за да електролизирате вода и да отделите водорода, след това да комбинирате водорода в реактор с въглероден диоксид, вероятно уловен от друг процес, и след това бихте дестилирали резултата, за да произведете е-метанол. Вие обаче губите енергия на всяка стъпка от тази операция. Carbon Recycling International е пример за компания, която прави това в търговски мащаб от 2012 г.

Проекти за възобновяем е-метанол и биометанол се появяват тук и там, като Европа е начело.

Институт по метанол

Какъв е общият преглед от гледна точка на чистата доставка?

Метанолът изглежда представлява относително достъпен начин за корабните компании за значително намаляване на емисиите в краткосрочен и средносрочен план. Това не е напълно екологично гориво, но вероятно е справедливо да го разглеждаме като зеленикаво-синьо в спектъра от налични опции, при условие че е произведено в чист процес.

Той изисква минимални промени в съществуващите конструкции на двигатели с вътрешно горене и предлага по-добър профил на безопасност от амоняка, но в момента не се предлага в повечето депа за зареждане с гориво. За даден размер на резервоара за гориво той носи по-малко от половината енергия от дизела и това може да ограничи неговата пригодност за операции със среден обсег или да наложи допълнителни спирания за гориво.

Ценово е конкурентен на бензина, особено при намалени нива на чистота и дори при нива на чистота до 90 процента, той ще свърши работата в двигател с вътрешно горене. Имайте предвид, че е конкурентен на цена, когато се произвежда от природен газ или въглища – зеленият метанол е по-скъп и много по-рядко срещан.

При внедряването на електричество с горивни клетки не печелите много по отношение на общите въглеродни емисии, но ако ефективността на горивните клетки може да бъде подобрена, метанол-електрическите кораби може в крайна сметка да могат да пътуват по-далеч от техните аналогове с изгаряне на метанол дадено количество гориво.

Като цяло, това ни изглежда като полезна преходна стъпка към чисто корабоплаване, с доста ниска бариера за навлизане и възможност да се направи значителен ранен принос към декарбонизацията. Но ако искаме да достигнем нулеви въглеродни емисии до 2050 г., метанолът няма да ни отведе докрай – така че въпреки проблемите си, амонякът все още може да бъде по-доброто решение в дългосрочен план или може да се появи друг кандидат.

източници: МАЕ/Заедно в безопасност/Институт по метанол чрез Новини за презареждане