Η μεθανόλη ως καύσιμο: Ένα πρώτο βήμα προς την πράσινη ναυτιλία

Η απάντηση φαίνεται να είναι αρκετά απλή σύμφωνα με το Recharge News: η αμμωνία θεωρείται επικίνδυνη, η διαχείρισή της είναι δύσκολη και δεν διαθέτει αρκετά μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα. Όσον αφορά στην ασφάλεια, η αμμωνία γίνεται επιβλαβής για τον άνθρωπο σε πολύ χαμηλή συγκέντρωση της τάξης των 30ppm κατά τη μακροχρόνια έκθεση ή 300 ppm εάν η έκθεση διαρκεί μία ώρα.

Συνεπώς, μικρές διαρροές, σε οποιοδήποτε μέρος των συστημάτων ενός πλοίου, θα μπορούσαν να αποτελέσουν μόνιμο κίνδυνο για το πλήρωμα και οποιαδήποτε μεγαλύτερη απελευθέρωση καυσίμου, σε περιπτώσεις για παράδειγμα που το πλοίο προσαράξει ή προσκρούσει σε άλλο πλοίο και το κύτος διατρηθεί ή υπάρχει σημαντική διαρροή κατά τον ανεφοδιασμό ή πέσει ένα εμπορευματοκιβώτιο στο λιμάνι και καταστρέψει μέρος του συστήματος καυσίμου, θα μπορούσε εύκολα να οδηγήσει σε σοβαρές συνέπειες έως και θανάτους.

Με όρους ασφάλειας, η έκθεση Future Fuels απαριθμεί τουλάχιστον έξι σενάρια αξιολόγησης κινδύνου στα οποία τα καύσιμα αμμωνίας θα μπορούσαν να αποτελέσουν «μη αποδεκτό κίνδυνο». Η διαχείριση της αμμωνίας είναι απαιτητική, αναφέρεται στην ίδια έκθεση, καθώς η αμμωνία παραμένει υγρή μόνο υπό χαμηλή έως μέτρια πίεση ή όταν διατηρείται σε θερμοκρασίες κάτω από -34°C και η ναυτιλιακή βιομηχανία δεν έχει επί του παρόντος κανονισμούς, κανόνες ή οδηγίες εν ισχύ για τη χρήση της αμμωνίας ως καύσιμο. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η αμμωνία μεταφέρεται δια θαλάσσης ως χύδην φορτίο, προφανώς με μεθοδολογία και κανονισμούς ασφαλείας που έχουν δοκιμαστεί με την πάροδο των ετών.

Εκτός αυτού, σημαντικό θέμα αποτελεί και η ογκομετρική ενεργειακή πυκνότητα της αμμωνίας, η οποία είναι το κλειδί για τη βιωσιμότητα στη ναυτιλιακή αγορά. Με 3,5 kWh/l, η αμμωνία είναι πολύ πιο ελκυστική από το αέριο ή υγρό υδρογόνο από αυτή την άποψη, αλλά η μεθανόλη με σχεδόν 24% περισσότερη ενέργεια ανά λίτρο αποτελεί μία σαφώς καλύτερη επιλογή.

Η μεθανόλη – χημικός τύπος CH₃OH – παραμένει υγρή σε θερμοκρασίες και πιέσεις περιβάλλοντος. Είναι ήδη καθιερωμένο καύσιμο, με καθιερωμένους κανονισμούς για τη χρήση του. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο στους περισσότερους σύγχρονους βενζινοκινητήρες, με κάποιες μόνο μερικές αλλαγές του λογισμικού που διαχειρίζεται τον ψεκασμό καυσίμου και ίσως κάποιες εναλλακτικές μεθόδους για τη αποφυγή διαρροών. Σε κινητήρες ντίζελ απαιτούνται πιο εκτεταμένες προσαρμογές για την καύση της μεθανόλης.

Ο υψηλός βαθμός οκτανίων της μεθανόλης, την έχει καταστήσει δημοφιλές καύσιμο υψηλής ισχύος για αγωνιστικά αυτοκίνητα, μεγάλα φορτηγά και dragster. Ο Roland Gumpert έχει ακόμη λανσάρει το Natalie, ένα υπεραυτοκίνητο με κυψέλες καυσίμου μεθανόλης. Ενώ οι βαρυμετρικές και ογκομετρικές ενεργειακές πυκνότητες της μεθανόλης είναι της τάξης των 5,5 kWh/kg και 4,3 kWh/l, είναι μικρότερες από το μισό από αυτό που μπορεί να προσφέρει το ντίζελ (12,7 kWh/kg, 10,7 kWh/l), ωστόσο, η μεθανόλη βρίσκεται πολύ μπροστά από άλλες εναλλακτικές λύσεις καθαρού καυσίμου και στα δύο μεγέθη.

Η μεθανόλη είναι πολύ εύφλεκτη, λιγότερο ωστόσο από τη βενζίνη και είναι γενικά πιο δύσκολο να αναφλεγεί, ενώ καίγεται και πιο αργά, παράγοντας μόλις το ένα όγδοο της θερμότητας. Από την άλλη πλευρά, καίγεται χωρίς ορατή φλόγα ή καπνό, γεγονός που μπορεί να καταστήσει πολύ πιο δύσκολο τον εντοπισμό πυρκαγιών και του που ακριβώς αυτές εξαπλώνονται. Το νερό μπορεί να είναι αναποτελεσματικό στην κατάσβεση πυρκαγιών μεθανόλης, αλλά οι πυροσβεστήρες ξηρού χημικού, αφρού, άμμου ή διοξειδίου του άνθρακα μπορούν να είναι αποτελεσματικοί στην κατάσβεση μίας πυρκαγιάς μεθανόλης.

Η μεθανόλη είναι τοξική για τον άνθρωπο σε περίπτωση κατάποσης, εισπνοής ή επαφής με το δέρμα, αλλά τουλάχιστον είναι υγρή και όχι αερομεταφερόμενο αέριο, επομένως βαθμολογείται με «ευρέως αποδεκτό» ή «ανεκτό κίνδυνο» σε όλες τις κατηγορίες στην Future Fuels Report του οργανισμού Together in Safety. 

Απαιτεί επιπλέον προφυλάξεις κατά την αποθήκευση και τη διαχείρισή της και πρέπει να φυλάσσεται σε καλά σφραγισμένες δεξαμενές, καθώς είναι υγροσκοπική και απορροφά τους υδρατμούς από τον αέρα, μειώνοντας το ενεργειακό της δυναμικό. Τούτου λεχθέντος, η μεθανόλη θα μπορούσε να ενσωματωθεί πολύ εύκολα στην υπάρχουσα υποδομή τροφοδοσίας σε σύγκριση με άλλες εναλλακτικές λύσεις καθαρών καυσίμων.

Ωστόσο, δεν είναι απολύτως ακριβές να το αποκαλούμε τη μεθανόλη «καθαρό καύσιμο», με όποιον τρόπο κι αν το εξετάσουμε. Το άτομο άνθρακα στο κέντρο του μορίου της μεθανόλης φαίνεται να βρίσκει πάντα ένα ζεύγος οξυγόνων και ο σχηματισμός διοξειδίου του άνθρακα είναι αναπόφευκτος.

Σε υψηλές θερμοκρασίες, δύο μόρια μεθανόλης (2CH₃OH) συνδυάζονται με τρία μόρια οξυγόνου (3O₂) για να παράγουν τέσσερα μόρια νερού (4H₂O) και δύο μόρια διοξειδίου του άνθρακα (2CO₂). Αλλά ακόμη και σε συνθήκες καύσης, η μεθανόλη καίγεται πολύ πιο καθαρά από τα ορυκτά καύσιμα. Σύμφωνα με το Methanol Institute, «σε σύγκριση με τα συμβατικά καύσιμα, η μεθανόλη που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, μειώνει τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα έως και 95%, μειώνει τις εκπομπές υποξειδίου του αζώτου έως και 80% και εξαλείφει πλήρως τις εκπομπές οξειδίου του θείου και σωματιδίων». Οπότε είναι σίγουρα ένα θετικό βήμα, ακόμα κι αν δεν είναι το εντελώς ιδανικό.

Ανάλογα με τη διαθεσιμότητα της μεθανόλης, είναι δυνατός ο σχεδιασμός κινητήρων για πλοία ικανών να λειτουργούν με μεθανόλη ή συμβατικά καύσιμα, ή ακόμη και με μείγματα των δύο. Επομένως, κάθε πιθανό εμπόδιο χρήσης της μεθανόλης σε πραγματικές συνθήκες είναι αρκετά χαμηλό, και μάλιστα, σύμφωνα με το Recharge News, υπάρχουν ήδη περίπου 54 πλοία μεθανόλης ή διπλού καυσίμου σε χρήση ή υπό κατασκευή. Τα περισσότερα είναι διπλού καυσίμου, επειδή αυτή τη στιγμή είναι πολύ δύσκολο να αποθηκευτεί εντός του πλοίου η μεθανόλη στις απαιτούμενες ποσότητες που χρειάζεται για την κίνηση του, ενώ και η υποδομή τροφοδοσίας καυσίμων δεν υπάρχει ακόμη.

Όπως ήδη συμβαίνει με το υδρογόνο και την αμμωνία, είναι δυνατό να τροφοδοτηθούν ηλεκτρικά συστήματα μετάδοσης κίνησης και πρόωσης χρησιμοποιώντας διατάξεις κυψελών καυσίμου (fuel cells) μεθανόλης.

Σε μια κυψέλη καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας μεθανόλης, ή DMFC (Direct Methanol Fuel Cells), η χημική εξίσωση λειτουργεί όπως στην κανονική καύση, δύο μόρια μεθανόλης και τρία οξυγόνου καταλήγουν να παράγουν τέσσερα μόρια νερού και δύο διοξειδίου του άνθρακα. Σε αυτό το στάδιο, οι κυψέλες καυσίμου άμεσης τροφοδοσίας μεθανόλης μετατρέπουν το ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια με απόδοση περίπου 30-40%. Θεωρητικά, είναι δυνατόν να φτάσει το 97% και υπάρχει διαρκής έρευνα σε εξέλιξη σε αυτόν τον τομέα.

Υπάρχουν επίσης κυψέλες καυσίμου αναμορφωμένης μεθανόλης ή RMFC (Reformed Methanol Fuel Cells), στις οποίες η μεθανόλη μετατρέπεται σε υδρογόνο και στη συνέχεια το υδρογόνο διοχετεύεται απευθείας σε μια συστοιχία κυψελών καυσίμου. Αυτές οι κυψέλες είναι προς το παρόν μικρότερες και ικανές να φτάσουν την απόδοση του 45%. Είναι επίσης αποτελεσματικές και για μεθανόλη χαμηλότερης καθαρότητας. Στην πραγματικότητα, ορισμένες κυψέλες έχουν σχεδιαστεί για μείγματα με έως και 40% νερό, αν και αυτό επηρεάζει σαφώς την ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας.

Η μεθανόλη μπορεί να παρασκευαστεί με πολλούς τρόπους, από την παραδοσιακή απόσταξη (πυρόλυση) ξύλου έως σύγχρονες βιώσιμες μεθόδους που περιλαμβάνουν την ανακύκλωση διοξειδίου του άνθρακα. Το μεγαλύτερο μέρος της, ωστόσο, αυτή τη στιγμή παράγεται από φυσικό αέριο (μεθάνιο) ή άνθρακα. Στην πιο κοινή διαδικασία, το φυσικό αέριο μετασχηματίζεται με ατμό σε αέριο σύνθεσης (syngas), το υδρογόνο διαχωρίζεται για ξεχωριστή χρήση και το υπόλοιπο μείγμα μεθανόλης/νερού υφίσταται απόσταξη για να ληφθεί καθαρή μεθανόλη.

Αυτή είναι φυσικά μια όχι και τόσο περιβαλλοντικά φιλική διαδικασία. Η διαδικασία αναμόρφωσης με ατμό έχει ως αποτέλεσμα τόσο διοξείδιο του άνθρακα όσο και παραπροϊόντα μονοξειδίου του άνθρακα. Υπάρχουν μερικές άλλες πολλά υποσχόμενες μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης της μεταλλο-οργανικής κατάλυσης, η οποία μετατρέπει το μεθάνιο απευθείας σε μεθανόλη σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, κάθε διαδικασία που περιλαμβάνει αέριο μεθάνιο πρέπει να θεωρείται υπεύθυνη για τις αναπόφευκτες εκπομπές αυτού του εξαιρετικά ισχυρού αερίου του θερμοκηπίου.

Μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα προσέγγιση είναι η παραγωγή «βιομεθανόλης» μέσω αεριοποίησης αστικών στερεών αποβλήτων ή άλλων απορριμμάτων, συμπεριλαμβανομένων απορριμμάτων ξύλου, πλαστικών και φελιζόλ, μέσω της διοχέτευσής τους σε έναν αντιδραστήρα και της απόσταξής τους. Πράγματι, η εταιρεία Enerkem έχει αυτό το είδος διεργασίας σε λειτουργία εμπορικής κλίμακας εδώ και αρκετά χρόνια στο Edmonton του Καναδά, εκτρέποντας έως και το 30% των αστικών αποβλήτων από τους χώρους υγειονομικής ταφής.

Είναι επίσης δυνατό να παραχθεί μεθανόλη χρησιμοποιώντας πράσινη ενέργεια με τη χρήση του ηλεκτρισμού με σκοπό την ηλεκτρόλυση του νερού και το διαχωρισμό του υδρογόνου. Στη συνέχεια, αυτό το υδρογόνο συνδυάζεται σε έναν αντιδραστήρα με διοξείδιο του άνθρακα, που πιθανώς έχει δεσμευθεί με μια άλλη διαδικασία, και στη συνέχεια γίνεται απόσταξη της προϊόντος για να παραχθεί μεθανόλη που χαρακτηριστικά αναφέρεται ως e-methanol. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται από απώλεια ενέργειας σε κάθε βήμα. Η Carbon Recycling International είναι ένα παράδειγμα μιας εταιρείας που ακολουθεί αυτή τη διεργασία σε εμπορική κλίμακα από το 2012.

Επί του παρόντος, υπάρχουν σε εξέλιξη αρκετά έργα ανανεώσιμων πηγών για την παραγωγή e-μεθανόλης και βιομεθανόλης σε διάφορα μέρη του κόσμου, με την Ευρώπη να πρωτοστατεί.

Η μεθανόλη φαίνεται να αντιπροσωπεύει έναν σχετικά προσιτό τρόπο για τις ναυτιλιακές εταιρείες να μειώσουν σημαντικά τις εκπομπές βραχυπρόθεσμα και μεσοπρόθεσμα. Δεν είναι ένα εντελώς πράσινο καύσιμο, αλλά είναι πιθανώς δίκαιο να το δούμε ως μία αρκετά καλή συμβιβαστική λύση εντός του φάσματος των διαθέσιμων επιλογών, υπό την προϋπόθεση ότι παράγεται μέσω βιώσιμων μεθόδων.

Η χρήση μεθανόλης απαιτεί λίγες αλλαγές / προσαρμογές στα υπάρχοντα σχέδια κινητήρων εσωτερικής καύσης και προσφέρει καλύτερο προφίλ ασφάλειας από την αμμωνία, αλλά αυτή τη στιγμή δεν είναι διαθέσιμη στις περισσότερες αποθήκες καυσίμων. Για ένα δεδομένο μέγεθος δεξαμενής καυσίμου, μεταφέρει λιγότερη από τη μισή ενέργεια του ντίζελ και αυτό θα μπορούσε να περιορίσει την καταλληλότητά της για αποστάσεις μεσαίας εμβέλειας ή να απαιτήσει πρόσθετες στάσεις για ανεφοδιασμό.

Είναι ανταγωνιστική ως προς την τιμή της βενζίνης, ιδιαίτερα σε μειωμένα επίπεδα καθαρότητας, και ακόμη και σε επίπεδα καθαρότητας έως και 90% που θεωρούνται χαμηλά, θα μπορέσει να κινήσει έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης. Ωστόσο, η μεθανόλη είναι ανταγωνιστική ως προς την τιμή όταν παράγεται με φυσικό αέριο ή άνθρακα, ενώ η «πράσινη» μεθανόλη είναι πιο ακριβή και πολύ λιγότερο συνηθισμένη. 

Σε εφαρμογές ηλεκτρικών κυψελών καυσίμου, δεν υπάρχει σημαντικό πλεονέκτημα από την άποψη των συνολικών εκπομπών άνθρακα, αλλά εάν η απόδοση των κυψελών καυσίμου μπορεί να βελτιωθεί, τα πλοία που θα κινούνται με αυτό το σχήμα, μπορεί τελικά, για δεδομένη ποσότητα καυσίμου, να είναι σε θέση να ταξιδέψουν μακρύτερα από τα αντίστοιχα που χρησιμοποιούν απευθείας τη μεθανόλη σε κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Συνολικά, αυτό φαίνεται σαν ένα αξιόλογο μεταβατικό βήμα προς την καθαρή ναυτιλία, με αρκετά χαμηλό εμπόδιο εισόδου και μια ευκαιρία να συμβάλουμε έγκαιρα σημαντικά στην απαλλαγή από τις εκπομπές άνθρακα. Αλλά αν θέλουμε να φτάσουμε σε μηδενικές εκπομπές άνθρακα έως το 2050, η μεθανόλη δεν πρόκειται να μας οδηγήσει μέχρι το τέλος. Επομένως, παρά τα προβλήματά της, η αμμωνία μπορεί να εξακολουθεί να είναι η καλύτερη λύση μακροπρόθεσμα ή μπορεί να εμφανιστεί άλλος υποψήφιος.

Με πληροφορίες από NewAtlas.com