"Grüne" Ammoniakzukunft als Schiffstreibstoff

Longyearbyen ist die größte Stadt in Spitzbergen und wird möglicherweise einer der ersten Großverbraucher von grünem Wasserstoff oder Ammoniak aus Windparks in der Finnmark. Fotokredit Besuchen Sie Spitzbergen.

LPG-Schiff Clipper Saturn. Bildnachweis Solvang ASA.

Kabelgraben im Windpark Hamnefjell in der nördlichen Grafschaft Finnmark in Norwegen. Fotokredit Multiconsult.

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Ammoniak, die gleiche scharfe Lösung, die in Düngemitteln und Reinigungsmitteln verwendet wird, könnte eines Tages der Schlüssel zum weltweiten Transport erneuerbarer Energien sein. Derzeit gibt es eine Reihe von Regierungs- und Unternehmensprojekten, in denen geprüft wird, ob überschüssige erneuerbare Energie aus Quellen wie Wind, Sonne, Gezeiten und Atomkraft in Ammoniak und anschließend wieder in nutzbare Energie umgewandelt werden kann.

In seiner puristischen Form besteht Ammoniak oder NH3 aus einem Stickstoff- und drei Wasserstoffatomen und ist daher ein idealer Kandidat, um überschüssige erneuerbare Energie chemisch zu binden. Wie viele andere chemische Verbindungen kann Ammoniak mit einem Chemikalientanker in flüssiger Form zum Endverbraucher transportiert werden. Aufgrund seines Verflüssigungspunktes in der Nähe der Umgebung ist es möglicherweise ansprechender, Ammoniak über größere Entfernungen als Wasserstoff zu transportieren. Einmal entladen, kann Ammoniak mit Brennstoffzellen, Gasturbinen oder Verbrennungsmotoren wieder in nutzbare Energie und Wärme umgewandelt werden.

Um eine klimaneutrale Gesellschaft zu werden, erwägen Länder wie Norwegen Projekte, die dieses Konzept in großem Umfang demonstrieren würden. Um die technische und wirtschaftliche Durchführbarkeit zu ermitteln, wurde eine Studie durchgeführt, um festzustellen, ob überschüssige Windenergie, die in Finnmark, der nördlichsten Grafschaft auf dem norwegischen Festland, erzeugt wurde, in Wasserstoff oder Ammoniak umgewandelt und auf die isolierte Insel Svalbard geliefert werden konnte. Diese Projekte sind Beispiele für eine potenzielle neue Norm beim weltweiten Transport erneuerbarer Energien per Schiff. Um das Thema etwas näher zu beleuchten, wird in diesem Artikel das Svalbard-Projekt in Norwegen untersucht und untersucht, wie die maritime Industrie in diesem wachsenden Energiemarkt eine wichtige Rolle spielen könnte.

LPG-Schiff Clipper Odin. Bildnachweis Solvang ASA. Die Svalbard-Fallstudie
Die norwegische Regierung prüft zwar immer noch verschiedene Stromerzeugungstechnologien, beschließt jedoch, die Versorgung von Spitzbergen mit Ammoniak voranzutreiben, und wird damit das erste Großprojekt zur Versorgung der Bevölkerung mit Wärme und Strom über Ammoniak starten. Das Gespräch über Ammoniak als Energieträger zwischen Finnmark und Svalbard begann mit der Entscheidung, das alte Steinkohlekraftwerk von Svalbard im Jahr 2016 zu schließen. Nach aktuellen Schätzungen von Statkraft, einem der wichtigsten Unternehmenspartner der norwegischen Regierung, wird derzeit Kohle gefördert Die Reserven reichen nur bis 2025. Danach muss die Kohle entweder per Massengutfrachter auf die Insel transportiert oder ein neues Blockheizkraftwerk errichtet werden.

Ungefähr 800 Kilometer entfernt auf dem kargen norwegischen Festland hat Statkraft kürzlich Lizenzen für die weitere Entwicklung von zwei großen Windparks, den Feldern Raggivudda und Hamnefjell in der Finnmark, erhalten. Statkraft, das als „eine der effizientesten Windkraftanlagen in Norwegen“ gilt, ist bestrebt, zusätzliche Kapazitäten in der Region zu entwickeln, um die idealen Bedingungen für die Windenergieerzeugung zu nutzen. Eine Herausforderung, die Statkraft bewältigen muss, ist jedoch, dass die Windparks in Norwegen vom nationalen Stromnetz isoliert sind. Dies hindert die Eigentümer des Windparks, Varanger Kraft, daran, überschüssige Energie an den Rest Norwegens und ins Ausland zu verkaufen. Ausgehend von diesen beiden interessanten Problemstellungen begannen Experten für erneuerbare Energien, Ammoniak als Transportmittel für Energie vom Produktionsstandort zum Kunden in Betracht zu ziehen.

Um diese logistischen Probleme zu lösen und potenziell zusätzliche Geschäftsmöglichkeiten in mehreren Industriebereichen zu schaffen, prüften Statkraft und eine Reihe bekannter Forschungs- und Chemieunternehmen Alternativen. Zusammengefasst in einem übersetzten Bericht mit dem Titel „Erneuerbare Energieversorgung für Spitzbergen - Longyearbyen“ untersucht Statkraft verschiedene klimaneutrale Technologien, mit denen die in der Finnmark erzeugte erneuerbare Energie auf die Insel Spitzbergen transportiert werden kann.

In der Durchführbarkeitsstudie werden als Ausgangspunkt die folgenden Anforderungen und Annahmen für den Dienst an der Gemeinde in Svalbard berücksichtigt. Die erste Annahme ist, dass Statkraft die Windproduktion in der Region Finnmark auf eine installierte elektrische Leistung zwischen 40 und 50 MW ausbauen kann. Mit dieser installierten Kapazität werden bis 2025 jährlich rund 3800 Tonnen Wasserstoff für den Transport nach Svalbard erzeugt. Als Endverbraucher benötigt Longyearbyen, die Hauptstadt von Svalbard, 40 Giga-Wattstunden (GW-Stunden) Strom und 70 Giga-Wattstunden (GW-Stunden) GW-Stunden Wärme pro Jahr. Aufgrund dieser Anforderung würde Svalbard eine installierte Produktionskapazität von 12 MW elektrischer Leistung und 15 MW Wärmeleistung benötigen. Angesichts der kritischen Abhängigkeit der Einwohner von Spitzbergen vom Kraftstofftransport müssen die vorgeschlagenen Lösungen außerdem in der Lage sein, einen 30-tägigen Wärme- und Strompuffer bereitzustellen.

Elektrolyseur von Nel Hydrogen Solutions zur Umwandlung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff während des Elektrolyseprozesses. Bildnachweis Nel ASA.

Methoden des erneuerbaren Wasserstofftransports
Um „gestrandete“ erneuerbare Energien von Finnmark zu Endverbrauchern in Svalbard zu verlagern, analysierte Statkraft vier alternative Medien für den Transport der Energie. Diese Medien oder "Energievektoren" schlossen komprimierten Wasserstoff, flüssigen Wasserstoff, in Methanol gebundenen Wasserstoff und in Ammoniak gebundenen Wasserstoff ein. Um diese Möglichkeiten einzugrenzen, berücksichtigte Statkraft die Gesamtbetriebskosten über 25 Jahre. Nach gründlicher Analyse gelangte Statkraft zu dem Schluss, dass komprimierter Wasserstoff und in Ammoniak gebundener Wasserstoff die niedrigsten Gesamtbetriebskosten aufwiesen und alle Anforderungen erfüllten.
Entscheidend für alle vier vorgeschlagenen Lösungen ist das Elektrolyseverfahren. Während der Elektrolyse wird elektrischer Strom durch Wasser geleitet, das in Wasserstoff und Sauerstoff aufgeteilt wird. Die Idee ist, dass überschüssige Windenergie aus den Windparks in der Finnmark durch einen Elektrolyseur geleitet wird, um Wasserstoff zu erzeugen, und dann Wasserstoff als Ausgangsmaterial für die vier in Betracht gezogenen Alternativen verwendet wird.

Eine Alternative ist, dass Wasserstoff mit einem Gaskompressor komprimiert und in speziellen Druckbehältern gelagert und direkt nach Svalbard verschifft werden kann. Statkraft schlug vor, reinen Wasserstoff auf 350 bar zu komprimieren und das Gas in ISO-Tanks (International Standards Organization) zu lagern, die in TEU geladen und auf herkömmlichen Containerschiffen transportiert würden. Hochrangige Berechnungen ergaben, dass 4600 Containerladungen erforderlich wären, um die 3800 Tonnen des erforderlichen Wasserstoffs für die jährliche Bereitstellung von Wärme und Strom für Svalbard zu erreichen.

Eine andere Methode zum Transport von Wasserstoff besteht darin, den Stoff auf -253 Grad Celsius abzukühlen und als kryogene Flüssigkeit zu transportieren, ähnlich wie bei Liquefied Natural Gas (LNG). Wie in einem früheren Artikel aus dem Maritime Report ausgeführt, erwägen eine Reihe maritimer Unternehmen, darunter Moss Maritime, Wilhelmsen und Kawasaki Heavy Industries, derzeit eine innovative Methode zum Transport von flüssigem Wasserstoff in großen Mengen. Der Bericht von Statkraft kommt zu dem Schluss, dass die Option für flüssigen Wasserstoff im Vergleich zu anderen in Betracht gezogenen Optionen die höchsten Gesamtbetriebskosten hätte.

Die dritte in der Machbarkeitsstudie von Statkraft diskutierte Methode zum Transport von Wasserstoff besteht in der Weiterverarbeitung des Stoffes zu Methanol. Einer der Hauptvorteile von Methanol besteht darin, dass es mit Erdölprodukten wie Diesel und Benzin viele der gleichen Qualitäten aufweist, die von der vorhandenen Flotte chemischer Tankschiffe problemlos transportiert werden können. Unglücklicherweise schloss der Bericht diese Transportmethode aus und verwies auf einen Mangel an wichtigen Kohlenstoffquellen in unmittelbarer Nähe, die als Ausgangsmaterial für die Herstellung von Methanol verwendet werden könnten.

Die letzte von Statkraft vorgeschlagene Methode zum Transport der Windenergie von Finnmark nach Spitzbergen besteht darin, Wasserstoff mit dem in der Luft befindlichen Stickstoff zu verbinden, um Ammoniak zu bilden. Mit einer Technik, die als Haber-Bosch-Syntheseverfahren bekannt ist, werden Wasserstoff und Stickstoff aus Luft erhitzt und komprimiert, um Ammoniak zu bilden. Alternativ kann eine reversible Brennstoffzelle direkt zur Erzeugung von Ammoniak verwendet werden.

Im Gegensatz zu Wasserstoff in seiner reinen Form, der bei Atmosphärentemperatur und -druck als Gas vorliegt, kann Ammoniak als Flüssigkeit gespeichert und aufrechterhalten werden, wobei wesentlich weniger Energie zur Verflüssigung des Stoffes benötigt wird als Wasserstoff. Statkraft schätzt, dass 26.500 Tonnen Ammoniak pro Jahr benötigt werden, um den Strom- und Wärmebedarf von Svalbard zu decken, und dass ein Ammoniak-Flüssiggastanker ein- oder zweimal im Jahr Ammoniak transportieren muss.

Nachdem sowohl die technische Durchführbarkeit als auch die mit diesen nicht traditionellen Energietransportformen verbundenen Kosten untersucht worden waren, gelangte die Statkraft-Durchführbarkeitsstudie zu dem Schluss, dass komprimierter Wasserstoff und Ammoniak die beiden führenden Möglichkeiten für die Svalbard-Fallstudie zu sein schienen.

Turbineninstallation in den Raggividda-Windparks in der nördlichen Grafschaft Finnmark in Norwegen. Bildnachweis Bjarne Riesto. Ammoniak transportieren
Ähnlich wie bei anderen Produkten der petrochemischen Industrie wird Ammoniak seit Jahrzehnten in Schiffen transportiert. LPG-Träger (Liquefied Petroleum Gas) scheinen die beliebteste Methode für den Transport von Ammoniak über große Entfernungen zu sein. Diese Schiffe halten ihre Ladung in flüssiger Form, indem sie entweder vollgekühlte, halbgekühlte oder voll unter Druck stehende Tanks verwenden.

Um das Ammoniak in flüssiger Form zu halten, wird der Stoff in der Regel in selbsttragenden prismatischen Tanks mit einer Arbeitstemperatur von mindestens minus 50 Grad Celsius auf LPG-Trägern gelagert. LPG-Transporter transportieren normalerweise zwischen 15.000 und 85.000 Kubikmeter Ammoniak, wobei die gängigsten Größen 30, 52 und 80.000 Kubikmeter pro Volumen sind. LPG-Träger verwenden dieselben Konstruktionsprinzipien wie LNG-Träger (Liquefied Natural Gas) und verfügen über eine primäre und eine sekundäre Barriere, um sicherzustellen, dass das gespeicherte Ammoniak enthalten ist, wenn entweder das Kühlsystem oder die primäre Barriere ausfällt.

Im Zusammenhang mit der Svalbard-Fallstudie und vielen anderen „grünen“ Ammoniakprojekten auf der ganzen Welt ist Ammoniak wegen seiner relativ großen Energiedichte und seines geringeren Energieeinsatzes attraktiv, um den Stoff in flüssiger Form zu halten. Ammoniak kann als gekühlte Flüssigkeit bei - 34 Grad Celsius bei normalem Luftdruck oder bei normalen Umgebungstemperaturen bei Drücken um 10 bar gelagert werden. Im Vergleich zu flüssigem Wasserstoff hat Ammoniak eine nahezu doppelte Energiedichte und benötigt weniger Energie und Isolierung, um den Stoff in flüssiger Form zu halten, während er mit dem Schiff von der Quelle zum Endverbraucher transportiert wird.

Einer der Hauptnachteile von Ammoniak ist jedoch sein hoher Toxizitätsgrad. Laut der Arbeitsschutzbehörde (OSHA) des US-amerikanischen Arbeitsministeriums gilt Ammoniak als ein hohes Gesundheitsrisiko, da es Haut, Augen und Lunge angreift. Wenn Ammoniak mit Luft gemischt wird, kann es bei einer Konzentration von 15 bis 28 Vol .-% entzündlich werden. Herkömmlicherweise wird Ammoniak-Ausgangsmaterial für Düngemittelbetriebe als "wasserfreies Ammoniak" transportiert, was bedeutet, dass es schnell in Wasser absorbiert und starke alkalische Lösungen wie Ammoniumhydroxid bildet, das in hohen Konzentrationen ebenfalls hochgiftig ist. Um die Sicherheit der Öffentlichkeit und der Besatzung zu gewährleisten, müssen Schiffe, die Ammoniak befördern, den von der IMO festgelegten internationalen Code für den Bau und die Ausrüstung von Schiffen, die Flüssiggase in loser Schüttung befördern (IGC-Code), einhalten.
Interessanterweise gibt es auch eine Reihe von maritimen Ingenieurprojekten, in denen die Machbarkeit der Verwendung von Ammoniak als Schiffskraftstoff bewertet wird. Beispiele für Großprojekte sind die Machbarkeitsstudie von C-Job, einem Marinearchitekturbüro in den Niederlanden, und die Ankündigung von MAN ES, einem globalen Anbieter von Schiffsmotoren und Energiesystemen, eine millionenschwere Studie in Auftrag zu geben Entwicklungsprogramm zur Entwicklung eines Ammoniak-Zweitaktmotors. In einer perfekten Welt könnten die Forschungsanstrengungen im See- und Versorgungssektor zu einer völlig neuen Logistikkette führen, in der „grünes“ Ammoniak während des Bunkerns zu einem Flüssiggasbehälter transportiert wird und ein Teil des Stoffes während des Transports als Schiffstreibstoff verwendet wird das Produkt an die Kunden.

Unabhängig vom Ergebnis jedes einzelnen Projekts ist anhand der Anzahl und des Zeitpunkts der verschiedenen Ammoniakprojekte auf der ganzen Welt klar, dass Ammoniak in Häfen und Gewässern wahrscheinlich häufiger vorkommt. Auf der Grundlage dieser Entwicklungen sollten sowohl die Interessengruppen der Versorgungsindustrie als auch der Schifffahrtsindustrie die Entwicklung genau verfolgen, um zu bestimmen, unter welchen Bedingungen diese Vereinbarung rentabel sein könnte.

Longyearbyen ist die größte Stadt in Spitzbergen und wird möglicherweise einer der ersten Großverbraucher von grünem Wasserstoff oder Ammoniak aus Windparks in der Finnmark. Fotokredit Besuchen Sie Spitzbergen.

Wie in der Ausgabe von Maritime Reporter & Engineering News vom September 2019 veröffentlicht.