به گزارش تجارت نیوز، صنعت کشتیرانی یکی از مهمترین ستونهای تجارت جهانی به شمار میرود؛ صنعتی که سالانه بیش از ۸۰ درصد تجارت بینالمللی را جابهجا میکند. با وجود نقش حیاتی این بخش در اقتصاد جهان، کشتیهای تجاری همچنان وابستگی شدیدی به سوختهای فسیلی، بهویژه نفت کوره سنگین دارند؛ سوختی که اگرچه به دلیل چگالی انرژی بالا و قابلیت اطمینان مورد توجه است، اما سهم بزرگی در تولید گازهای گلخانهای دارد.
برآوردها نشان میدهد صنعت کشتیرانی هر سال حدود یک میلیارد تن دیاکسیدکربن و دیگر آلایندههای زیستمحیطی تولید میکند. به همین دلیل سازمان بینالمللی دریانوردی (IMO) هدفگذاری کرده تا این صنعت تا سال ۲۰۵۰ به انتشار خالص صفر برسد. اکنون دانشمندان در تلاش هستند سوختهایی را جایگزین نفت کنند که هم پاک باشند و هم از نظر فنی و اقتصادی برای سفرهای طولانی دریایی قابل استفاده باشند.
در این میان، گروهی از پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور موفق شدهاند فناوری جدیدی طراحی کنند که میتواند آینده موتور کشتیها را متحول کند؛ موتوری که در حین حرکت، هیدروژن مورد نیاز خود را از آمونیاک تولید میکند و نیازی به ذخیرهسازی جداگانه هیدروژن ندارد.
چرا آمونیاک به سوخت آینده کشتیها تبدیل شده است؟
در سالهای اخیر آمونیاک به عنوان یکی از جدیترین گزینهها برای جایگزینی سوختهای فسیلی در صنعت دریایی مطرح شده است. این ماده فاقد کربن است، بهراحتی به حالت مایع درمیآید و حملونقل آن نسبت به هیدروژن سادهتر و ارزانتر است. همچنین زیرساختهای صنعتی تولید و انتقال آمونیاک از قبل در بسیاری از کشورهای جهان وجود دارد.
ویژگی مهم دیگر آمونیاک، توانایی ذخیره حجم بالایی از هیدروژن در فضای محدود است؛ موضوعی که آن را به یک «حامل هیدروژن» ایدهآل تبدیل میکند. اما با وجود این مزایا، استفاده مستقیم از آمونیاک در موتورهای احتراقی مشکلات فنی زیادی دارد.
آمونیاک به سختی مشتعل میشود، سرعت سوختن آن پایین است و در فرآیند احتراق میتواند گازهای آلایندهای مانند اکسیدهای نیتروژن و بخشی از سوخت نسوخته را تولید کند. این مسئله هم راندمان موتور را کاهش میدهد و هم برای محیط زیست خطرناک است.
هیدروژن؛ سوخت پاک اما دشوار برای ذخیرهسازی
در مقابل، هیدروژن یکی از پاکترین سوختهای جهان محسوب میشود. این گاز به سرعت و با آلایندگی بسیار کم میسوزد و ترکیب آن با آمونیاک میتواند عملکرد موتور را به شکل محسوسی بهبود دهد.
اما مشکل بزرگ هیدروژن، ذخیرهسازی آن است. برای نگهداری این سوخت باید آن را تا دمای منفی ۲۵۳ درجه سانتیگراد سرد یا در فشارهای بسیار بالا فشرده کرد. این فرآیند نیازمند مخازن بسیار بزرگ، سنگین و گرانقیمت است؛ موضوعی که برای کشتیهای تجاری و سفرهای طولانی دریایی چندان عملی به نظر نمیرسد.
همین چالش باعث شده بسیاری از پروژههای مبتنی بر هیدروژن در صنعت دریایی با موانع جدی روبهرو شوند.
تولید هیدروژن در داخل موتور کشتی
اکنون تیم تحقیقاتی دانشگاه ملی سنگاپور به رهبری «یانگ ونمینگ» و «ژو زینیی» راهحل متفاوتی ارائه کردهاند. آنها در پژوهشی که در مجله علمی Joule منتشر شده، نوعی موتور آمونیاک-هیدروژن طراحی کردهاند که میتواند در زمان کار، هیدروژن مورد نیاز خود را درون سیلندر موتور تولید کند.
در فناوریهای فعلی، برای تبدیل آمونیاک به هیدروژن معمولاً از راکتورهای جداگانهای به نام «اصلاحکننده» استفاده میشود. این تجهیزات باید آمونیاک را تا حدود ۵۵۰ درجه سانتیگراد گرم کنند تا هیدروژن و نیتروژن آزاد شود. چنین سامانههایی علاوه بر مصرف انرژی زیاد، فضای زیادی اشغال میکنند و هزینه بالایی دارند.
اما در طرح جدید، فرآیند تولید هیدروژن مستقیماً درون سیلندر موتور انجام میشود. در این سیستم، یکی از سیلندرهای موتور با مخلوطی غنی از آمونیاک کار میکند و دمای بسیار بالای احتراق باعث میشود بخشی از آمونیاک به هیدروژن تبدیل شود.
گاز خروجی غنی از هیدروژن سپس به دیگر سیلندرها هدایت میشود تا احتراق آنها را تقویت کند. به این ترتیب موتور تنها با یک سوخت یعنی آمونیاک کار میکند، اما در عمل از مزایای هیدروژن نیز بهره میبرد.
فناوری جدید چگونه راندمان را افزایش میدهد؟
پژوهشگران برای پایدار نگه داشتن احتراق از فناوری «پیشمحفظه فعال» استفاده کردهاند. در این سیستم، مقدار کمی سوخت در محفظهای کوچک مشتعل میشود و جتهای بسیار داغ و متلاطم به محفظه اصلی فرستاده میشود تا احتراق آمونیاک را آسانتر کند.
این روش باعث میشود موتور بدون نیاز به سوختهای فسیلی کمکی مانند دیزل روشن شود و در نتیجه تولید دیاکسیدکربن نیز کاهش پیدا کند.
نتایج آزمایشها و شبیهسازیهای اولیه نشان میدهد این فناوری میتواند راندمان حرارتی موتور را افزایش دهد، میزان آمونیاک نسوخته را کاهش دهد و انتشار اکسیدهای نیتروژن را به شکل قابل توجهی کم کند.
این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا اکسیدهای نیتروژن از نظر اثر گرمایش جهانی، حدود ۲۷۳ برابر قویتر از دیاکسیدکربن هستند.
حذف تجهیزات پیچیده و کاهش هزینهها
یکی از مهمترین مزایای این فناوری، حذف تجهیزات سنگین و پرهزینهای است که تاکنون برای تولید هیدروژن مورد نیاز بودند. در این طراحی دیگر نیازی به اصلاحکنندههای حجیم، کاتالیزورهای گرانقیمت یا سیستمهای پیچیده ذخیرهسازی هیدروژن وجود ندارد.
دانشمندان میگویند این موضوع نهتنها فضای بیشتری در کشتی آزاد میکند، بلکه هزینههای عملیاتی و اتلاف انرژی را نیز کاهش خواهد داد.
آینده کشتیهای بدون کربن
پژوهشگران اعلام کردهاند که اگر میزان هیدروژن تولیدی بیش از حد افزایش پیدا کند، دمای احتراق بالا میرود و ممکن است انتشار اکسید نیتروژن دوباره افزایش یابد. به همین دلیل آنها به یک ترکیب بهینه رسیدهاند که در آن یک سیلندر تولیدکننده هیدروژن از سه سیلندر احتراقی پشتیبانی میکند.
تیم تحقیقاتی همچنین قصد دارد در آینده از فناوریهایی مانند احتراق غنیشده با اکسیژن و تزریق مستقیم آمونیاک مایع برای بهبود عملکرد استفاده کند.
در مرحله بعد، دانشگاه ملی سنگاپور با حمایت موسسه دریانوردی سنگاپور (SMI) قصد دارد نخستین نمونه اولیه این موتور را بسازد و آن را در شرایط واقعی روی کشتی آزمایش کند.
فناوری جدید موتورهای آمونیاک-هیدروژن میتواند یکی از مهمترین گامها در مسیر کربنزدایی صنعت کشتیرانی باشد. این فناوری با تولید هیدروژن در داخل موتور، یکی از بزرگترین موانع استفاده از سوخت هیدروژنی یعنی ذخیرهسازی دشوار آن را برطرف میکند.
اگر این پروژه در آزمایشهای عملی موفق عمل کند، صنعت حملونقل دریایی میتواند در دهههای آینده شاهد نسلی از کشتیهای پاک، کمهزینه و بدون وابستگی به سوختهای فسیلی باشد؛ موضوعی که نهتنها برای اقتصاد جهانی بلکه برای محیط زیست نیز اهمیت حیاتی خواهد داشت.
