O futuro "verde" da amônia como combustível marítimo

Longyearbyen é a maior cidade de Svalbard e pode se tornar um dos primeiros consumidores em larga escala de hidrogênio verde ou amônia produzido em parques eólicos em Finnmark. Crédito da foto Visite Svalbard.

Navio de GLP Clipper Saturn. Crédito da foto Solvang ASA.

Trincheira de cabo no parque eólico de Hamnefjell, no condado do norte de Finnmark, na Noruega. Crédito da foto Multiconsult.

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A amônia, a mesma solução pungente usada em fertilizantes e agentes de limpeza, pode um dia ser a chave para o transporte de energia renovável ao redor do mundo. Atualmente, existem vários projetos governamentais e corporativos que avaliam a viabilidade de converter o excesso de energia renovável de fontes como vento, solar, maré e nuclear em amônia e depois voltar a energia utilizável.

Na sua forma purista, a amônia ou NH3 é composta por um átomo de nitrogênio e três átomos de hidrogênio, tornando-o um candidato ideal para ligar quimicamente o excesso de energia renovável. Como vários outros compostos químicos, a amônia pode ser transportada pelo navio químico em forma líquida para os usuários finais. Com base em seu ponto de liquificação próximo ao ambiente, pode ser mais atraente transportar amônia por distâncias maiores que o hidrogênio. Uma vez descarregada, a amônia pode ser convertida novamente em energia e calor utilizáveis com células de combustível, turbinas a gás ou motores de combustão.

Na tentativa de se tornar uma sociedade neutra em carbono, países como a Noruega estão considerando projetos que demonstrariam esse conceito em larga escala. Para determinar sua viabilidade técnica e econômica, foi realizado um estudo para determinar se o excesso de energia eólica produzida em Finnmark, o condado mais ao norte da Noruega continental, poderia ser convertido para comprimir hidrogênio ou amônia e entregue na ilha isolada de Svalbard. Esses projetos são exemplos de uma potencial nova norma no transporte de fontes renováveis em todo o mundo via embarcação. Para lançar alguma luz adicional sobre o assunto, este artigo explora o projeto Svalbard na Noruega e considera como a indústria marítima poderia desempenhar um papel importante nesse crescente mercado de energia.

Navio de GLP Clipper Odin. Crédito da foto Solvang ASA. O estudo de caso de Svalbard
Embora ainda esteja avaliando diferentes tecnologias de produção de energia, se o governo norueguês decidir avançar com o fornecimento de amônia a Svalbard, marcará o primeiro projeto em larga escala a fornecer calor e eletricidade à comunidade via amônia. A conversa para considerar a amônia como uma transportadora de energia entre Finnmark e Svalbard começou com a decisão de fechar a usina a carvão herdada da Svalbard em 2016. De acordo com estimativas atuais da Statkraft, um dos principais parceiros corporativos que ajudam o governo norueguês, o carvão atual as reservas só durarão até 2025. Após esse ponto, o carvão precisará ser enviado para a ilha via graneleiro ou uma nova usina combinada de calor e energia será estabelecida.

A aproximadamente 800 quilômetros de distância no austero continente norte da Noruega, a Statkraft recentemente garantiu licenças para desenvolver ainda mais dois grandes parques eólicos chamados os campos Raggivudda e Hamnefjell em Finnmark. Com o manto de ser "uma das usinas eólicas mais eficientes da Noruega", a Statkraft está ansiosa por desenvolver capacidade adicional na área para aproveitar as condições ideais para a geração de energia eólica. Um desafio que a Statkraft deve superar, no entanto, é que os parques eólicos estão isolados da rede elétrica nacional da Noruega. Isso impede que os proprietários do parque eólico, Varanger Kraft, vendam excesso de energia para o resto da Noruega e no exterior. É a partir desses dois conjuntos de problemas interessantes que os especialistas em energia renovável começaram a considerar a amônia como um método de transporte de energia do local de produção para os clientes.

Para resolver esses problemas logísticos e potencialmente gerar oportunidades de negócios adicionais em vários setores industriais, a Statkraft e várias empresas de pesquisa e química conhecidas passaram a avaliar alternativas. Resumida em um relatório traduzido intitulado “Fornecimento de energia renovável para Svalbard - Longyearbyen”, a Statkraft explora diferentes tecnologias neutras em carbono que podem transportar a energia renovável criada em Finnmark para a ilha de Svalbard.

Como ponto de partida, o estudo de viabilidade considera os seguintes requisitos e premissas para atender a comunidade em Svalbard. A primeira suposição é que a Statkraft poderá ampliar a produção eólica na região de Finnmark para atingir uma capacidade elétrica instalada entre 40 e 50 MW. Essa capacidade instalada será usada para gerar aproximadamente 3800 toneladas de hidrogênio anualmente para transporte para Svalbard até 2025. Como usuário final, Longyearbyen, que é a principal cidade de Svalbard, requer 40 Giga-watt-hora (GW-hora) de eletricidade e 70 GW-hora de calor anualmente. Com base nesse requisito, a Svalbard exigiria uma capacidade instalada de produção de 12 MW de energia elétrica e 15 MW de energia térmica. Além disso, dada a dependência crítica dos habitantes de Svalbard no transporte de combustível, as soluções propostas devem ser capazes de fornecer um buffer de calor e eletricidade de 30 dias.

O eletrolisador produzido pela Nel Hydrogen Solutions costumava converter água em hidrogênio e oxigênio através do processo de eletrólise. Crédito da foto Nel ASA.

Métodos de transporte de hidrogênio renovável
Para mover a energia renovável "encalhada" da Finnmark para os usuários finais em Svalbard, a Statkraft analisou quatro meios alternativos para transportar a energia. Esses meios, ou "vetores de energia", incluíam hidrogênio comprimido, hidrogênio líquido, hidrogênio ligado ao metanol e hidrogênio ligado à amônia. Para diminuir essas possibilidades, a Statkraft considerou o custo total de propriedade em 25 anos. Após uma análise minuciosa, a Statkraft concluiu que o hidrogênio comprimido e o hidrogênio ligado à amônia tinham o menor custo total de propriedade e atendem a todos os requisitos.
Crítico para todas as quatro soluções propostas é o processo de eletrólise. Durante a eletrólise, a corrente elétrica é passada através da água, que é dividida em hidrogênio e oxigênio. A idéia é que o excesso de energia eólica dos parques eólicos em Finnmark seja enviado através de um eletrolisador para criar hidrogênio e, em seguida, o hidrogênio seja usado como matéria-prima para as quatro alternativas consideradas.

Uma alternativa é que o hidrogênio pode ser comprimido usando um compressor de gás e armazenado em recipientes pressurizados para fins especiais e enviado diretamente para Svalbard. A Statkraft propôs comprimir hidrogênio puro a 350 bar e armazenar o gás em tanques da Organização Internacional de Padrões (ISO), que seriam carregados em TEUs e transportados em navios contêineres tradicionais. Cálculos de alto nível revelam que 4600 cargas de contêineres seriam necessárias para atingir as 3800 toneladas de hidrogênio necessárias para fornecer o calor e a eletricidade necessários anualmente a Svalbard.

Outro método para transportar hidrogênio é resfriar a substância até -253 graus Celsius e transportá-la como um líquido criogênico a granel de maneira semelhante ao gás natural liquefeito (GNL). Conforme detalhado em um artigo anterior do Maritime Report, várias empresas marítimas, incluindo Moss Maritime, Wilhelmsen e Kawasaki Heavy Industries, estão atualmente considerando um método inovador de transportar hidrogênio líquido a granel. O relatório da Statkraft conclui que a opção de hidrogênio líquido teria o maior custo total de propriedade em comparação com outras opções consideradas.

O terceiro método de transporte de hidrogênio discutido no estudo de viabilidade da Statkraft é processando a substância para formar metanol. Um dos principais benefícios do metanol é que ele compartilha muitas das mesmas qualidades com produtos petrolíferos, como diesel e gasolina, que podem ser facilmente transportados pela frota existente de navios-tanque químicos. Infelizmente, o relatório descartou esse método de transporte, citando a falta das principais fontes de carbono localizadas nas proximidades, para serem usadas como matéria-prima na produção de metanol.

O método final sugerido pela Statkraft para transportar energia eólica de Finnmark para Svalbard é combinar hidrogênio com nitrogênio encontrado no ar para formar amônia. Usando uma técnica conhecida como processo de síntese Haber-Bosch, o hidrogênio e o nitrogênio do ar são aquecidos e comprimidos para formar amônia. Alternativamente, uma célula de combustível reversível pode ser usada diretamente para produzir amônia.

Ao contrário do hidrogênio em sua forma pura, que existe como um gás à temperatura e pressão atmosféricas, a amônia pode ser armazenada e mantida como um líquido, usando substancialmente menos energia para liquefazer a substância que o hidrogênio. Observando que 26.500 toneladas de amônia seriam necessárias anualmente para atender às demandas de calor e energia da Svalbard, a Statkraft estima que um transportador de GLP de amônia seria necessário para transportar amônia uma ou duas vezes por ano.

Após considerar a viabilidade técnica e os custos associados a essas formas não tradicionais de transporte de energia, o estudo de viabilidade da Statkraft concluiu que hidrogênio e amônia compactados pareciam ser as duas principais possibilidades para o estudo de caso de Svalbard.

Instalação de turbinas nos parques eólicos de Raggividda, no condado do norte de Finnmark, na Noruega. Crédito da foto Bjarne Riesto. Transportando Amônia
Semelhante a outros produtos utilizados na indústria petroquímica, a amônia é transportada por navios há décadas. Os transportadores de gás liquefeito de petróleo (GLP) parecem ser o método mais popular de transporte de amônia a granel por longas distâncias. Esses navios mantêm sua carga na forma líquida usando tanques totalmente refrigerados, semi-refrigerados ou totalmente pressurizados.

A fim de manter a amônia na forma líquida, a substância é geralmente armazenada a bordo de transportadores de GLP em tanques prismáticos autoportantes, com temperatura de trabalho de pelo menos 50 graus Celsius negativos. Os transportadores de GLP geralmente transportam entre 15.000 e 85.000 metros cúbicos de amônia, sendo os tamanhos mais comuns 30, 52 e 80 mil metros cúbicos em volume. Utilizando alguns dos mesmos princípios de design que os transportadores de gás natural liquefeito (GNL), os transportadores de GLP possuem uma barreira primária e secundária para garantir que a amônia armazenada seja contida se houver uma falha no sistema de refrigeração ou na barreira primária.

No contexto do estudo de caso de Svalbard e de muitos outros projetos de amônia verde em todo o mundo, a amônia é atraente por sua densidade de energia relativamente grande e menor consumo de energia necessário para manter a substância na forma líquida. A amônia pode ser armazenada como um líquido refrigerado a - 34 graus Celsius à pressão atmosférica padrão ou a temperaturas ambientes normais a pressões em torno de 10 bar. Quando comparada com o hidrogênio líquido, a amônia tem quase o dobro da densidade de energia em volume e requer menos energia e isolamento para manter a substância na forma líquida enquanto está sendo transportada por embarcação da fonte ao usuário final.

Uma das principais desvantagens da amônia, no entanto, é o seu alto grau de toxicidade. De acordo com a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional do Departamento de Trabalho dos EUA (OSHA), "a amônia é considerada um alto risco à saúde porque é corrosiva para a pele, olhos e pulmões". Além disso, quando misturado ao ar, a amônia pode se tornar inflamável a uma concentração de 15 a 28% em volume. Tradicionalmente, o estoque de ração de amônia para operações de fertilizantes é transportado como "amônia anidra", o que significa que ele pode absorver rapidamente na água e formar soluções alcalinas fortes como o hidróxido de amônio, que também é altamente tóxico em altas concentrações. Para garantir a segurança do público e da tripulação, os navios que transportam amônia precisam cumprir o Código Internacional para Construção e Equipamento de Navios que Transportam Gases Liquefeitos a Granel (Código IGC) produzido pela IMO.
Curiosamente, também existem vários projetos de engenharia marítima que avaliam a viabilidade do uso de amônia como combustível marítimo. Exemplos de grandes projetos incluem, o estudo de viabilidade sendo conduzido pela C-Job, uma empresa de arquitetura naval na Holanda, e o anúncio da MAN ES, uma fornecedora global de motores marítimos e sistemas de energia, para iniciar uma pesquisa multimilionária e programa de desenvolvimento para desenvolver um motor a dois tempos de amônia. Em um mundo perfeito, os esforços de pesquisa nos setores marítimo e de serviços públicos podem culminar para formar uma cadeia de suprimentos logística totalmente nova, onde a amônia “verde” é transportada para um navio de GLP durante o abastecimento e, em seguida, uma parte da substância é usada como combustível marítimo durante o transporte. o produto para os clientes.

Independentemente do resultado de cada projeto individual, é claro, com base no número e no tempo de vários projetos de amônia em todo o mundo, que a amônia provavelmente se tornará mais comum em portos e hidrovias. Com base nesses desenvolvimentos, as partes interessadas no setor de serviços públicos e no setor marítimo devem considerar acompanhar de perto os desenvolvimentos para determinar sob quais condições esse arranjo pode ser lucrativo.

Longyearbyen é a maior cidade de Svalbard e pode se tornar um dos primeiros consumidores em larga escala de hidrogênio verde ou amônia produzido em parques eólicos em Finnmark. Crédito da foto Visite Svalbard.

Conforme publicado na edição de setembro de 2019 do Maritime Reporter & Engineering News.