مستقبل "الأمونيا" الأخضر كوقود بحري

بقلم جوزيف ديرينزو • 4 صفر 1441

Longyearbyen هي أكبر مدينة في سفالبارد ، وقد تصبح واحدة من أوائل المستهلكين على نطاق واسع للهيدروجين الأخضر أو الأمونيا المنتجة من مزارع الرياح في فينمارك. الصورة الائتمان زيارة سفالبارد.

سفينة غاز البترول المسال Clipper Saturn. الصورة الائتمان Solvang ASA.

خندق الكابل في مزرعة هامينجيل للرياح في مقاطعة فينمارك الشمالية في النرويج. الصورة الائتمان Multiconsult.

الأمونيا ، وهي نفس المحاليل اللاذعة المستخدمة في الأسمدة ومواد التنظيف ، قد تكون ذات يوم المفتاح لنقل الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم. يوجد حاليًا عدد من المشاريع الحكومية والشركات التي تقيّم جدوى تحويل الطاقة المتجددة الزائدة من مصادر مثل الرياح والطاقة الشمسية والمد والجزر والنووي إلى أمونيا ثم العودة إلى طاقة قابلة للاستخدام.

تتكون الأمونيا أو NH3 بشكلها النقي ، من ذرة نيتروجين واحدة وثلاث ذرات هيدروجين ، مما يجعلها مرشحًا مثاليًا لربط الطاقة المتجددة الزائدة كيميائيًا. مثل العديد من المركبات الكيميائية الأخرى ، يمكن نقل الأمونيا بواسطة ناقلة كيماوية في شكل سائل إلى المستخدمين النهائيين. استنادًا إلى نقطة التسييل المحيطة القريبة ، قد يكون من الأفضل نقل الأمونيا عبر مسافات أطول من الهيدروجين. بمجرد تفريغها ، يمكن تحويل الأمونيا إلى طاقة قابلة للحرارة قابلة للاستخدام مع خلايا الوقود أو توربينات الغاز أو محركات الاحتراق.

في محاولة لتصبح مجتمعًا محايدًا للكربون ، تدرس دول مثل النرويج مشاريع من شأنها إظهار هذا المفهوم على نطاق واسع. لتحديد جدواها الفنية والاقتصادية ، أجريت دراسة لتحديد ما إذا كان يمكن تحويل طاقة الرياح الزائدة المنتجة في فينمارك ، المقاطعة الشمالية في البر الرئيسي للنرويج ، إما لضغط الهيدروجين أو الأمونيا وتسليمها إلى جزيرة سفالبارد المعزولة. هذه المشاريع هي أمثلة لقاعدة جديدة محتملة في نقل الطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم عبر السفينة. لإلقاء بعض الضوء الإضافي على الموضوع ، تستكشف هذه المقالة مشروع سفالبارد في النرويج وتتناول كيف يمكن أن تلعب الصناعة البحرية دورًا مهمًا في سوق الطاقة المتنامي هذا.

سفينة غاز البترول المسال Clipper Odin. الصورة الائتمان Solvang ASA. دراسة حالة سفالبارد
على الرغم من استمرار تقييم تقنيات إنتاج الطاقة المختلفة ، إذا قررت الحكومة النرويجية المضي قدمًا في تزويد الأمونيا بسفالبارد ، فستكون أول مشروع واسع النطاق يوفر التدفئة المجتمعية والكهرباء عن طريق الأمونيا. بدأ الحديث عن اعتبار الأمونيا كحاملة للطاقة بين Finnmark و Svalbard أولاً بقرار إغلاق محطة الطاقة القديمة التي تعمل بالفحم في Svalbard في عام 2016. وفقًا للتقديرات الحالية لـ Statkraft ، أحد الشركاء الرئيسيين للشركات التي تساعد الحكومة النرويجية ، الفحم الحالي سوف تستمر الاحتياطيات فقط حتى عام 2025. وبعد هذه النقطة ، سوف يحتاج الفحم إما أن يتم شحنه إلى الجزيرة عن طريق شركة نقل البضائع السائبة أو سيتم إنشاء محطة جديدة مشتركة لتوليد الحرارة والكهرباء.

على بعد 800 كيلومتر تقريبًا من البر الرئيسي النرويجي الشمالي النرويجي ، حصلت Statkraft مؤخرًا على تراخيص لتطوير مزيد من مزارع الرياح الكبيرة المسماة حقلي Raggivudda و Hamnefjell في Finnmark. نظرًا لكونها "واحدة من أكثر محطات طاقة الرياح كفاءة في النرويج" ، تتطلع Statkraft إلى تطوير سعة إضافية في المنطقة للاستفادة من الظروف المثالية لتوليد طاقة الرياح. أحد التحديات التي يجب على Statkraft التغلب عليها ، هو أن مزارع الرياح معزولة عن الشبكة الكهربائية الوطنية في النرويج. هذا يمنع أصحاب مزرعة الرياح ، Varanger Kraft ، من بيع الطاقة الزائدة إلى بقية النرويج والخارج. من هاتين المجموعتين من المشاكل المثيرة للاهتمام ، بدأ خبراء الطاقة المتجددة في اعتبار الأمونيا وسيلة لنقل الطاقة من موقع الإنتاج إلى العملاء.

لحل هذه القضايا اللوجستية وإيجاد فرص تجارية إضافية عبر قطاعات صناعية متعددة ، بدأت شركة Statkraft وعدد من شركات الأبحاث والمواد الكيميائية المعروفة في تقييم البدائل. تم تلخيصه في تقرير مترجم بعنوان "توفير الطاقة المتجددة لسفالبارد - لونجييربين" ، يستكشف Statkraft مختلف التقنيات المحايدة للكربون التي يمكن أن تنقل الطاقة المتجددة التي تم إنشاؤها في فينمارك إلى جزيرة سفالبارد.

كنقطة انطلاق ، تأخذ دراسة الجدوى في الاعتبار المتطلبات والافتراضات التالية لخدمة المجتمع في سفالبارد. الافتراض الأول هو أن شركة Statkraft ستكون قادرة على زيادة إنتاج الرياح في منطقة Finnmark لتحقيق قدرة كهربائية مركبة تتراوح بين 40 و 50 MW. سيتم استخدام هذه القدرة المركبة لتوليد ما يقرب من 3800 طن من الهيدروجين سنويًا للنقل إلى سفالبارد بحلول عام 2025. كمستخدم نهائي ، تتطلب Longyearbyen وهي المدينة الرئيسية في سفالبارد 40 ساعة جيجا وات (GW-hrs) من الكهرباء و 70 غيغاواط من الحرارة سنويا. بناءً على هذا المتطلب ، تتطلب Svalbard قدرة إنتاجية مثبتة تبلغ 12 ميجاوات من الطاقة الكهربائية و 15 ميجاوات من الطاقة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا للاعتماد الشديد لسكان سفالبارد على نقل الوقود ، يجب أن تكون الحلول المقترحة قادرة على توفير مخزن مؤقت للكهرباء والحرارة لمدة 30 يومًا.

المحلل الكهربائي المنتج بواسطة Nel Hydrogen Solutions يستخدم لتحويل الماء إلى هيدروجين وأكسجين من خلال عملية التحليل الكهربائي. الصورة الائتمان نيل آسا.

طرق نقل الهيدروجين المتجدد
لنقل الطاقة المتجددة "المحصورة" من Finnmark إلى المستخدمين النهائيين في سفالبارد ، حللت Statkraft أربعة وسائل بديلة لنقل الطاقة. وشملت هذه الوسائط ، أو "ناقلات الطاقة" ، الهيدروجين المضغوط ، الهيدروجين السائل ، الهيدروجين المرتبط بالميثانول والهيدروجين المرتبط بالأمونيا. من أجل تضييق هذه الاحتمالات ، نظرت Statkraft في التكلفة الإجمالية للملكية على مدار 25 عامًا. بعد تحليل دقيق ، خلص Statkraft إلى أن الهيدروجين والهيدروجين المضغوط الموجود في الأمونيا لديه أقل تكلفة إجمالية للملكية ويلبي جميع المتطلبات.
تعتبر عملية التحليل الكهربائي أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة للحلول الأربعة المقترحة. خلال التحليل الكهربائي ، يمر التيار الكهربائي عبر الماء الذي ينقسم إلى الهيدروجين والأكسجين. تتمثل الفكرة في أنه سيتم إرسال طاقة الرياح الزائدة من مزارع الرياح في فينمارك من خلال محلل كهربائي لإنتاج الهيدروجين ، ومن ثم سيتم استخدام الهيدروجين كمادة وسيطة للبدائل الأربعة المدروسة.

أحد التعديلات هو أنه يمكن ضغط الهيدروجين باستخدام ضاغط الغاز وتخزينه في حاويات مضغوطة ذات أغراض خاصة وشحنها إلى سفالبارد مباشرةً. اقترح Statkraft ضغط الهيدروجين النقي إلى 350 بار وتخزين الغاز في خزانات منظمة المعايير الدولية (ISO) والتي سيتم تحميلها في حاوية مكافئة ونقلها على سفن الحاويات التقليدية. تكشف الحسابات عالية المستوى عن الحاجة إلى تحميل 4600 حاوية حاوية لتحقيق 3800 طن من الهيدروجين المطلوب لتوفير الحرارة والكهرباء السنوية اللازمة لسفالبارد.

هناك طريقة أخرى لنقل الهيدروجين وهي تبريد المادة إلى -253 درجة مئوية ونقلها كسائل كريوجيني كبير بطريقة مماثلة للغاز الطبيعي المسال (LNG). كما هو مفصل في مقال سابق من Maritime Report ، فإن عددًا من الشركات البحرية بما في ذلك Moss Maritime و Wilhelmsen و Kawasaki Heavy Industries تدرس حاليًا طريقة مبتكرة لنقل الهيدروجين السائل. يخلص تقرير Statkraft إلى أن خيار الهيدروجين السائل سيكون له أعلى تكلفة إجمالية للملكية مقارنة بالخيارات الأخرى التي تم بحثها.

الطريقة الثالثة لنقل الهيدروجين التي تمت مناقشتها في دراسة الجدوى التي أجرتها شركة Statkraft تتمثل في زيادة معالجة المادة لتكوين الميثانول. أحد الفوائد الرئيسية للميثانول هو أنه يشترك في العديد من الصفات نفسها مع المنتجات البترولية مثل الديزل والبنزين التي يمكن نقلها بسهولة بواسطة أسطول الناقلات الكيماوية الموجود. لسوء الحظ ، استبعد التقرير طريقة النقل هذه مشيرة إلى نقص مصادر الكربون الرئيسية الموجودة على مقربة من استخدامها كمواد وسيطة لإنتاج الميثانول.

الطريقة الأخيرة التي اقترحتها شركة Statkraft لنقل طاقة الرياح من Finnmark إلى سفالبارد هي الجمع بين الهيدروجين والنيتروجين الموجود في الهواء لتكوين الأمونيا. باستخدام تقنية تعرف باسم عملية تخليق Haber-Bosch ، يتم تسخين وضغط الهيدروجين والنيتروجين من الهواء لتكوين الأمونيا. بدلاً من ذلك ، يمكن استخدام خلية وقود قابلة للعكس مباشرة لإنتاج الأمونيا.

على عكس الهيدروجين في شكله النقي ، والذي يوجد كغاز في درجة حرارة وضغط الغلاف الجوي ، يمكن تخزين الأمونيا وصيانتها كسائل باستخدام طاقة أقل بكثير لتسييل المادة من الهيدروجين. مع الإشارة إلى أن 26،500 طن من الأمونيا ستكون مطلوبة سنويًا لتلبية متطلبات الطاقة والكهرباء في سفالبارد ، تقدر شركة Statkraft أن شركة غاز البترول المسال الأمونيا ستكون مطلوبة لنقل الأمونيا مرة أو مرتين في السنة.

بعد النظر في كل من الجدوى التقنية والتكاليف المرتبطة بهذه الأشكال غير التقليدية لنقل الطاقة ، خلصت دراسة جدوى Statkraft إلى أن الهيدروجين والأمونيا المضغوط يبدو أنهما الإمكانيات الرئيسية لدراسة حالة سفالبارد.

تركيب التوربينات في مزارع Raggividda للرياح في مقاطعة Finnmark الشمالية في النرويج. الصورة الائتمان Bjarne ريستو. نقل الأمونيا
على غرار المنتجات الأخرى المستخدمة في صناعة البتروكيماويات ، فقد تم نقل الأمونيا بواسطة السفن منذ عقود. يبدو أن ناقلات غاز البترول المسال هي الطريقة الأكثر شعبية في نقل الأمونيا السائبة عبر مسافات طويلة. تحتفظ هذه السفن بحمولتها في صورة سائلة باستخدام خزانات مبردة بالكامل أو شبه مبردة أو مضغوطة بالكامل.

من أجل الحفاظ على الأمونيا في شكل سائل ، يتم تخزين المادة عمومًا على حاملات غاز البترول المسال على متنها في صهاريج موشمية ذاتية الدعم والتي تبلغ درجة حرارة عملها أقل من 50 درجة مئوية سالبة. تنقل ناقلات غاز البترول المسال عادة ما بين 15000 و 85000 متر مكعب من الأمونيا ، بأحجامها الأكثر شيوعًا 30 و 52 و 80 ألف متر مكعب من حيث الحجم. باستخدام بعض مبادئ التصميم مثل ناقلات الغاز الطبيعي المسال (LNG) ، تحتوي ناقلات غاز البترول المسال على حاجز أساسي وثانوي لضمان احتواء الأمونيا المخزنة إذا حدث فشل في نظام التبريد أو الحاجز الأساسي.

في سياق دراسة حالة سفالبارد والعديد من مشاريع الأمونيا "الخضراء" الأخرى في جميع أنحاء العالم ، تعد الأمونيا جذابة لكثافة الطاقة الكبيرة نسبيًا وانخفاض مدخلات الطاقة اللازمة للحفاظ على المادة في صورة سائلة. يمكن تخزين الأمونيا كسائل بارد عند درجة حرارة 34 مئوية تحت الضغط الجوي المعتاد أو عند درجات حرارة محيطة طبيعية تحت ضغط حوالي 10 بار. عند مقارنتها بالهيدروجين السائل ، فإن الأمونيا لديها ما يقرب من ضعف كثافة الطاقة من حيث الحجم وتتطلب طاقة وعزل أقل للحفاظ على المادة في شكل سائل أثناء نقلها بواسطة سفينة من المصدر إلى المستخدم النهائي.

أحد عيوب الأمونيا الرئيسية هي درجة سميته العالية. وفقًا لإدارة السلامة والصحة المهنية التابعة لوزارة العمل الأمريكية (OSHA) ، "تعتبر الأمونيا خطراً كبيراً على الصحة لأنها تآكل الجلد والعينين والرئتين". بالإضافة إلى ذلك ، عندما تمتزج الأمونيا بالهواء يمكن أن تصبح قابلة للاشتعال بتركيز 15 إلى 28 في المائة حسب الحجم. تقليديًا ، يتم نقل مخزون تغذية الأمونيا لعمليات الأسمدة كـ "الأمونيا اللامائية" مما يعني أنه يمكن أن يمتص بسرعة في الماء ويشكل محاليل قلوية قوية مثل هيدروكسيد الأمونيوم وهو أيضًا شديد السمية بتركيزات عالية. لضمان السلامة العامة وأفراد الطاقم ، يتعين على السفن التي تحمل الأمونيا الامتثال للقانون الدولي لبناء وتجهيز السفن التي تحمل الغازات المسالة بكميات كبيرة (IGC Code) التي تنتجها المنظمة البحرية الدولية.
ومن المثير للاهتمام ، أن هناك أيضًا عددًا من مشاريع الهندسة البحرية تقيّم إمكانية استخدام الأمونيا كوقود بحري. من الأمثلة على المشاريع الكبرى ، دراسة الجدوى التي أجرتها شركة C-Job ، وهي شركة للهندسة البحرية في هولندا ، وإعلان MAN ES ، المزود العالمي للمحركات البحرية وأنظمة الطاقة ، لإجراء بحث بملايين الدولارات و برنامج تطوير لتطوير محرك ثنائي الأمونيا. في عالم مثالي ، قد تتوج الجهود البحثية في قطاعي الملاحة والمرافق البحرية بتكوين سلسلة إمداد لوجيستية جديدة تمامًا حيث يتم نقل الأمونيا "الخضراء" إلى سفينة غاز البترول المسال أثناء تموين السفن ثم يتم استخدام جزء من المادة كوقود بحري أثناء النقل المنتج للعملاء.

بغض النظر عن نتائج كل مشروع على حدة ، فمن الواضح بناءً على عدد وتوقيت مشاريع الأمونيا المختلفة في جميع أنحاء العالم أن الأمونيا ستصبح على الأرجح أكثر شيوعًا في الموانئ والمجاري المائية. بناءً على هذه التطورات ، ينبغي لكل من أصحاب المصلحة في صناعة المرافق والصناعة البحرية النظر في متابعة التطورات عن كثب لتحديد الظروف التي يمكن أن يكون هذا الترتيب مربحًا فيها.