Turvallista, käyttövalmista ja kehittyvää – tulevaisuuden tekniikkaa ammoniakin avulla

Kirjoittajat – David Jung, liiketoiminnan kehitysjohtaja, BU Heat & Gas Systems, Alfa Laval ja Nicoletta Spazzadeschi, prosessisuunnittelupäällikkö sekä innovaatio- ja kestävyysasiantuntija, BU Water, Wind & Fuel Solutions, Alfa Laval

"Turvallisuus ei koske vain laitteita – se on ennakoivaa ajattelua, sen ymmärtämistä, mikä voi mennä pieleen, sekä luotettavuuden ja varautumisen rakentamista alusta alkaen." – David Jung

"Siirtyminen ammoniakkiin vaatii kokonaisvaltaista järjestelmäintegraatiota. Suunnittelemme ratkaisuja, jotka kehittyvät todellisten vaatimusten mukaisesti ja varmistavat, että kaikki komponentit toimivat yhdessä täyttäen korkeimmat turvallisuus- ja ympäristöstandardit." – Nicoletta Spazzadeschi

Ammoniakki on erittäin lupaava hiilivapaa laivapolttoaine – mutta siihen liittyy hyvin todellisia riskejä. Se on myrkyllistä, se on tuntematon laivapolttoaine ja jakeluinfrastruktuuri on vielä kehitteillä. Laivanomistajille tämä aiheuttaa dilemman: miten valmistautua polttoaineeseen, jota ei ole vielä täysin määritelty?

Me Alfa Lavalilla uskomme, että vastaus löytyy järjestelmistä, jotka ovat paitsi monipuolisia ja kompakteja, myös kattavia ja tehokkaita. Tässä ammoniakkiblogimme toisessa osassa tarkastelemme, kuinka muutamme epävarmuuden kyvykkyydeksi – ratkaisuilla, jotka on rakennettu integroitumaan ja toimimaan todellisten vaatimusten kehittyessä.

WinGD:n moottoritutkimus- ja innovaatiokeskus Winterthurissa Sveitsissä on varustettu erityisesti ammoniakin käsittelyä varten – laitteilla turvalliseen varastointiin, jakeluun ja hallittuun polttamiseen. Täällä testaamme FCM-ammoniakkia ja validoimme sen suorituskykyä WinGD-moottoreilla.

Valmistaudumme myös aloittamaan ammoniakin polttokokeet kaksoispolttoainekattilajärjestelmässämme, jossa simuloidaan sekä lämpöenergian tuotantoa että ammoniakin vapautumisen hillitsemisjärjestelmän (ARMS) toimintaa todellisessa mittakaavassa. Tämä antaa meille mahdollisuuden testata paitsi teoreettisella simuloinnilla myös sitä, miten järjestelmät käyttäytyvät tarkalleen kyseisessä kokoonpanossa.

Turvallisuus on etusijalla

Ammoniakin myrkyllisyys vaatii monitasoista turvallisuusstrategiaa. Alfa Lavalilla olemme sisällyttäneet tämän ammoniakkijärjestelmien jokaiseen tasoon – polttoaineen syötöstä pakokaasujen käsittelyyn.

Joulukuussa 2023 IMO julkaisi Väliaikaiset ohjeet ammoniakkia polttoaineena käyttävien alusten turvallisuudesta (MSC.1/Circ.1687). Nämä ohjeet heijastavat paitsi ammoniakin potentiaalia meriliikenteen hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, myös sen käyttöön liittyviä vakavia terveys- ja ympäristöriskejä. Kuten IMO selvästi toteaa:

”Ammoniakin päästölähteitä tulisi minimoida, jotta voidaan vähentää ammoniakille altistumisen todennäköisyyttä ihmisille ja ympäristölle” ja ”Käytön aikana syntyvät kaasupäästöt tulisi kerätä ja käsitellä sopivalla ARMS-järjestelmällä, jonka tulisi pystyä vähentämään ammoniakkipitoisuus alle 110 ppm:ään.”

Lähestymistapamme heijastaa näitä vaatimuksia – ja menee niitä pidemmälle. FCM Ammonia -järjestelmässä olemme valinneet komponentit perusteellisen materiaalien yhteensopivuustutkimuksen kautta, jotta voimme vähentää vuotoriskiä jo alusta alkaen. Vuototestit ja sisäänrakennetut turvallisuusprotokollat antavat varhaisen varoituksen poikkeavien olosuhteiden sattuessa, kun taas selkeät ohjeet miehistölle tukevat asianmukaista hätätilannetoimintaa.

Olemme myös suunnitelleet turvallisen puhdistuksen koordinoiduksi prosessiksi moottorin ja FCM-ohjausjärjestelmien välillä. Jäännösammoniakki otetaan talteen FCM:n sisäiseen puskuriin moottorin puhdistussarjojen mukaisesti. Tuloksena syntyvä ammoniakkia sisältävä höyry ohjataan ARMS-ratkaisuun, mikä varmistaa, ettei käsittelemättömiä päästöjä synny edes sammutuksen tai huollon aikana.

ARMS-järjestelmät

FCM-poistokaasujen käsittelyjärjestelmä

Kuten osassa 1 mainittiin, olemme integroineet FCM:ään suoraan poistokaasujen käsittelyjärjestelmän, joka suorittaa saman ydintoiminnon kuin ARMS. Sen tarkoituksena on poistaa ammoniakki poistokaasuista, joita ei voida päästää ilmakehään, käyttämällä prosessia, joka perustuu monivaiheiseen absorptioon veteen ja muihin neutraloiviin väliaineisiin.

Alun perin WinGD:n ammoniakkitestauslaitokselle kehitetty järjestelmä tarjoaa joustavan, aina käytettävissä olevan turvallisuusratkaisun – mikä on erityisen tärkeää puhdistuksen, käynnistyksen ja sammutuksen aikana, jolloin ammoniakin päästöt ovat todennäköisimpiä.

Vaikka järjestelmä voi toimia itsenäisenä yksikkönä, sen yhdistäminen muihin ARMS-strategioihin – kuten kattilapohjaiseen järjestelmään – avaa mahdollisuuksia redundanssille, tilankäytön optimoinnille ja ammoniakkia sisältävien nestemäisten liuosten tehokkaammalle käsittelylle.

ARMS-kattilajärjestelmä

Kattila-ARMS-suunnittelumme mahdollistaa ammoniakkijätekaasun turvallisen polttamisen aluksella olevilla lämpölaitteilla. Tämä vähentää erillisten laitteiden tarvetta ja tarjoaa samalla kriittistä redundanssia. LNG-höyrykaasun käsittelystä saadun kokemuksen pohjalta tämä lähestymistapa polttaa ammoniakin sen sijaan, että se imeytyisi, mikä eliminoi ammoniakkipitoisten nesteiden meriin päästämiseen liittyvät riskit.

Tätä ratkaisua pilotoidaan parhaillaan todellisilla aluksilla – mukaan lukien maailman ensimmäinen tilaus merenkulun kattilajärjestelmästä, joka on suunniteltu nimenomaan ammoniakkijätekaasun polttamista varten.

Molempien järjestelmien integrointi kattavaksi ARMS-ratkaisuksi

Yksi keskeisistä kysymyksistä, joita meille usein esitetään, on: miksi tarjoamme sekä vesi- että kattilapohjaisia ARMS-järjestelmiä?

Vastaus löytyy valmiudesta ja tehokkuudesta – molemmat ovat ratkaisevia tekijöitä turvallisuuden ja toimintakyvyn kannalta. Kummallakin järjestelmällä on omat etunsa ja haittansa, ja yhdistämällä ne voimme tarjota vankempia ratkaisuja sekä optimoida tilankäytön ja suorituskyvyn.

Kattilajärjestelmän etuna on, että se on jo monissa aluksissa, erityisesti höyryn tuottamista varten. ARMS-toiminnon lisääminen vaatii vain vähän lisälaitteita – pienen kaasuhanyksikön, joka vie vähän tilaa, ja putkiliitännät. Tämä lämpöhapetusprosessi välttää nestemäisen jätteen syntymisen ja mahdollistaa päästöt hyväksyttävien ammoniakkipitoisuusrajojen puitteissa.

Kattilajärjestelmä ei kuitenkaan ole aina heti käytettävissä. Kattilajärjestelmän ensisijainen tehtävä on tuottaa höyryä, kun aluksella on sille tarvetta. Normaalin matkan aikana tämä höyrytarve katetaan usein hukkalämmön talteenottokattilalla ilman polttoaineen polttamista, joten kattila on valmiustilassa. Jos yllättävä ammoniakkipäästö on käsiteltävä välittömästi, on väistämätöntä, että osa ammoniakkipäästöstä jää kattilan polttamatta.

Sitä vastoin vesipohjainen järjestelmä on aina käytettävissä – ilman lämpenemisaikaa ja neutraloimalla ammoniakin välittömästi sen saapuessa säiliöön. Se on yksinkertainen ja tehokas. Mutta sillä on toiminnallisia kompromisseja:

• Vaatii uuden säiliön, jonka ainoana tarkoituksena on ammoniakkipäästöjen lieventäminen
• Tuottaa nestemäistä jätettä (ja kemiallista jätettä)
• Makean veden täydennys ja säiliöiden sijoitustila on otettava huomioon

Kahden järjestelmän yhdistäminen tarjoaa molempien järjestelmien parhaat puolet. Kattilapohjainen järjestelmä pystyy käsittelemään kaikki suunnitellut päästöt, kun taas vesipohjainen järjestelmä toimii luotettavana varajärjestelmänä – mikä on erityisen hyödyllistä hätätilanteissa. Tämä hybridikokoonpano mahdollistaa myös säiliöiden koon ja makean veden kulutuksen optimoinnin.

Redundanssi on joustavuutta

Turvallisuussuunnittelussa kahden järjestelmän käyttö, jotka voivat suorittaa kriittisen toiminnon itsenäisesti, ei ole ylellisyyttä – se on joustavuutta.

Tämä kaksijakoinen ARMS-lähestymistapa avaa myös ovia jalanjäljen optimointiin ja tehokkaampaan makean veden käyttöön, erityisesti alustyypeissä, joissa tila ja resurssit ovat tiukasti rajoitettuja. Viime kädessä se heijastaa ydinsuunnittelufilosofiaamme: ennakoi vika, suunnittele menestys.

Olemme kulkeneet vastaavia polkuja aiemminkin. Ammoniakkia koskeva matkamme perustuu kokemuksiin aikaisemmista polttoaineenvaihdoksista – mukaan lukien LNG, metanoli ja matalan leimahduspisteen vaihtoehtoiset polttoaineet.

Esimerkiksi kattiloiden käyttö ammoniakin polttamiseen perustuu vuosien LNG-käytäntöihin, joissa haihtumiskaasu poltetaan turvallisesti sen sijaan, että se päästettäisiin ilmaan. Vastaavasti FCM Ammonia -järjestelmässämme on dynaaminen ohjauslogiikka paitsi jatkuvaa polttoaineen syöttöä varten, myös turvallista puhdistusta, käynnistystä ja sammutusta varten – jotka kaikki ovat kriittisiä myrkyllisten aineiden käsittelyssä.

Ja tulevaisuutta ajatellen tutkimme, kuinka ohjausjärjestelmän tiedot ja etävalvonta voisivat tukea ennakoivaa kunnossapitoa, auttaen miehistöjä ja maahenkilöstöä hallitsemaan riskejä entistä ennakoivammin.

Vankan perustan rakentaminen

Jos harkitset ammoniakin käyttöönottoa, Alfa Laval on valmis auttamaan – ei vain tuotteiden, vaan myös uusien polttoaineiden siirtymän mahdollistavien oivallusten ja tuen avulla.

Ymmärrämme hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen kohdistuvat paineet. Ymmärrämme myös riskit, joita liittyy kiirehtimiseen kohti tuntematonta. Siksi rakennamme ratkaisujamme modulaarisuuden, turvallisuuden ja yhteiskehittämisen pohjalta.