Et opgør med diesel: AFLOAT demonstrerer, hvordan ammoniak og brint skal gøre skibsfarten grøn

Skibsfarten står over for en særlig vanskelig grøn omstilling. Hvor el-batterier kan dække kortere transporter på land, kræver oceangående skibe energitætte brændstoffer, der kan lagres ombord i store mængder. Her er ammoniak blevet en af de mest lovende kandidater – og implementeringen bliver testet i AFLOAT-projektet, som er støttet af Innovationsfonden
 

Udgangspunktet for AFLOAT-projektet er at gøre ammoniak anvendeligt som brændstof i skibsmotorer og kedler. Målet er ikke blot at pege på ammoniak som et grønt alternativ til diesel, men at løse et af de største tekniske problemer ved brændstoffet: at det er vanskeligt at antænde og brænder langsommere end konventionelle fossile brændstoffer, hvilket kan være en udfordring for motorer med højere omdrejninger.

- I AFLOAT undersøger vi derfor, om man ved at tilsætte brint kan forbedre ammoniakkens forbrænding så meget, at behovet for diesel kan reduceres markant – eller på sigt helt fjernes, siger Christoffer Mølleskov Pedersen, projektleder i AFLOAT og sektionsleder på Teknologisk Institut.

Ammoniak er interessant, fordi det i princippet kan fremstilles af vand, luft og vedvarende energi. Det gør ammoniak til en stærk kandidat - især i den del af transportsektoren, hvor behovet for store mængder brændstof er svært at løse på andre måder.

Fra ammoniak til brint – direkte ombord

Kernen i AFLOAT er idéen om ikke at transportere brint som selvstændigt brændstof ombord. Brint er vanskelig at håndtere i praksis, fordi det enten skal komprimeres under højt tryk eller opbevares som kryogen væske ved meget lave temperaturer. Begge dele giver store logistiske og sikkerhedsmæssige udfordringer på et skib.

I stedet arbejder projektet med ammoniak som hydrogenbærer. Skibet medbringer ammoniak, og en del af ammoniakken omdannes ombord til brint i en såkaldt ”cracker”. Den producerede brint blandes derefter med ammoniakken, så man får et brændstof, der er lettere at antænde og brænder mere stabilt i motoren eller kedlen.

Den kemiske idé er velkendt: ammoniak, NH₃, spaltes til kvælstof og brint. Reaktionen kræver varme og en katalysator. Det er her, AFLOAT forsøger at skabe en energieffektiv og praktisk løsning, der kan fungere i maritime omgivelser.

Bindeled mellem forskning og industri

I projektet spiller Teknologisk Institut en central rolle i at omsætte laboratorieforskning til en industriel komponent, der kan testes i realistisk skala.

DTU udvikler nye katalysatorer i AFLOAT, som skal gøre ammoniakspaltningen mere effektiv. Ambitionen er at sænke driftstemperaturen og samtidig undgå brug af ædelmetaller eller andre materialer, som kan blive for dyre eller svære at skalere. Alfa Laval bidrager med en cracker-reaktor baseret på deres varmeveksler-teknologi.

- Vores opgave er at bygge bro mellem de to.  Teknologisk Institut arbejder med at overføre DTU’s katalysator fra pulverform til en funktionel katalytisk coating, som kan påføres varmevekslerens overflader. Når katalysatoren er lagt på, bliver varmeveksleren ikke længere kun en passiv komponent til varmeoverførsel, men en aktiv reaktor, hvor ammoniak spaltes til brint og kvælstof, forklarer Helene Hagemann, specialist i energimaterialer på Teknologisk Institut.

Det er et afgørende skridt, fordi varmevekslerdesignet gør det muligt at udnytte varme fra motorens udstødning. Tanken er, at den energi, der ellers ville gå tabt som spildvarme, kan drive cracker-processen. Dermed forbedres den samlede energieffektivitet, og systemet bliver mere attraktivt til brug ombord.

Løsningen i AFLOAT bygger på en pladevarmeveksler med skiftevis varme- og processtrømme. På den ene side strømmer varm gas – i praksis tænkt som udstødningsvarme fra motoren. På den anden side strømmer ammoniak gennem kanaler med katalytisk coating. Varmen overføres gennem pladerne, og samtidig fremmer katalysatoren den kemiske spaltning.

Resultatet er en gasstrøm med brint, kvælstof og typisk også rest-ammoniak, fordi omdannelsen ikke nødvendigvis er fuldstændig. Netop derfor er det vigtigt at kunne måle konverteringsgraden præcist: hvor stor en del af ammoniakken er blevet omdannet, hvor meget brint blev der produceret, og hvilke reststoffer sendes videre til motor eller efterbehandling.

Fra laboratorieidé til industriel demonstrator

For at kunne afprøve teknologien i en skala, der er tættere på reel drift, opbygges en containerbaseret demonstrator på Teknologisk Institut. Det er et vigtigt skridt mellem laboratoriet og fuld skala.

- Containeren skal kunne håndtere væsentligt større ammoniak- og brintmængder, end man normalt vil arbejde med indendørs i et laboratorium. Her etablerer vi et setup, hvor varm luft på cirka 500-600 grader simulerer motorudstødning og opvarmer crackeren. Samtidig tilføres ammoniak, som passerer gennem den katalytiske varmeveksler og delvist omdannes til brint, fortæller Christoffer Mølleskov Pedersen.

Containeren bliver udstyret med sensorer, automatiske ventiler, PLC-styring, ventilation og gassikkerhedssystemer. Sikkerheden er helt central, fordi både ammoniak og brint stiller høje krav: ammoniak er giftigt, og brint kan danne eksplosive blandinger. Derfor designes containeren med kraftig ventilation og tydelig adskillelse mellem procesområde og operatørdel.

Når processen er testet og valideret i containeren, er tanken, at konverteringssystemet skal demonstreres ved sammenkobling med en dieselmotor til skibe, som står på Teknologisk Institut.

En fleksibel testfacilitet efter projektet

Containeren udvikles i første omgang til AFLOAT, men perspektivet er bredere. Demonstratoren skal efter projektets afslutning fungere som en fleksibel test- og valideringsfacilitet for virksomheder, der udvikler hydrogenrelaterede Power-to-X-teknologier. Netop derfor har den også fået støtte af Uddannelses- og Forskningsministeriet gennem Teknologisk Instituts resultatkontakt ’Teknologiudvikling, implementering og test af Power-to-X og CCUS’.

- Det kunne for eksempel være test af ammoniakcrackere, elektrolysestakke, brændselsceller eller andre elektrokemiske systemer, hvor større mængder brint, høj temperatur og avanceret processtyring spiller sammen. Pointen er at skabe en platform mellem laboratoriet og det fulde anlæg – et sted, hvor man kan identificere fejlmekanismer, optimere drift og dokumentere ydeevne, før teknologien skaleres yderligere, forklarer Christoffer Mølleskov Pedersen.

For industrien er det en væsentlig styrke. Mange virksomheder har ikke selv mulighed for at opbygge en sikker og fleksibel testfacilitet til denne type udvikling. Med denne testfacilitet får de adgang til et miljø, hvor nye løsninger kan afprøves under realistiske forhold, uden at man behøver tage springet direkte til fuldskala.

Selvom AFLOAT handler om ammoniak til skibe, er projektet således med til at etablere den infrastruktur, der skal gøre næste generation af Power-to-X-teknologier mere modne, mere testede og hurtigere klar til markedet.

OM AFLOAT

'AFLOAT – Ammonia Fuelled Combustion for Marine Applications’ er et treårigt projekt, der er støttet af Innovationsfonden og har et samlet budget på DKK 25 millioner. Partnerne i projektet er Teknologisk Institut, DTU – Danmarks Tekniske Universitet, og Alfa Laval, som er repræsenteret ved både Alfa Laval Technologies og Alfa Laval Aalborg.