چگونه تزریق پیش‌ران به موتورهای دریایی دوگانه‌سوز اجازه می‌دهد متانول سبز بسوزانند

کربن‌زدایی از کشتیرانی جهانی نه در اتاق‌های هیئت‌مدیره یا کارخانه‌های کشتی‌سازی، بلکه در میلی‌ثانیه‌های پایانی حرکت رو به بالای یک پیستون رقم می‌خورد. در داخل سیلندر یک موتور دریایی مدرن، متانول سبز - سوختی تجدیدپذیر که قادر است انتشار گازهای گلخانه‌ای در چرخه حیات را تا ۹۶ درصد کاهش دهد - با یک مشکل اساسی فیزیکی مواجه است: این سوخت تحت فشار مشتعل نمی‌شود. متانول با دمای خوداحتراقی حدود ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد، در برابر چرخه احتراق تراکمی که یک قرن است نیروی محرکه کشتی‌های باری را تامین می‌کند، مقاومت نشان می‌دهد. بنابراین، نتیجه گذار انرژی در حوزه دریایی کاملاً به مکانیزمی به نام تزریق پیش‌ران بستگی دارد.

مهندسان با پاشش غبار میکروسکوپی از دیزل دریایی معمولی به داخل محفظه، درست قبل از ورود متانول، یک شمع مایع ایجاد می‌کنند. این سوخت پیش‌ران تحت فشار شدید ناشی از بالا آمدن پیستون مشتعل شده و یک جبهه شعله کنترل‌شده را آغاز می‌کند که محموله اصلی متانول را می‌سوزاند و کشتی را به جلو می‌راند. بدون این توالی دقیق، متانول به سادگی مشتعل نمی‌شود و این سوخت بدون کربن را برای حمل‌ونقل سنگین دریایی بی‌مصرف می‌سازد.

این معماری دوگانه‌سوز به سرعت به مسیر پیش‌فرض برای کربن‌زدایی از ناوگان جهانی تبدیل شده است؛ ناوگانی که در حال حاضر حدود ۳ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهان را به خود اختصاص می‌دهد. سازندگان موتور سیستم‌هایی را طراحی کرده‌اند که در آن‌ها دیزل پیش‌ران تنها ۳ تا ۵ درصد از کل انرژی مصرفی در طول یک سفر دریایی را تشکیل می‌دهد. ۹۵ تا ۹۷ درصد باقی‌مانده توسط متانول تامین می‌شود که ردپای کربن کشتی را به شدت تغییر می‌دهد، در حالی که نیروی مکانیکی لازم برای جابجایی ۲۴۰۰۰ کانتینر در سراسر اقیانوس آرام را حفظ می‌کند.[1]

جذابیت متانول در شیمی پایه آن نهفته است. این ماده به عنوان یک الکل با فرمول شیمیایی CH3OH، کمترین میزان کربن و بیشترین میزان هیدروژن را در میان تمام سوخت‌های مایع دارد. برخلاف گاز طبیعی مایع (LNG) برودتی که باید در دمای منفی ۱۶۲ درجه سانتی‌گراد نگهداری شود، متانول در دمای محیط به صورت یک مایع پایدار باقی می‌ماند. این ویژگی فیزیکی به کشتی‌سازان اجازه می‌دهد تا سوخت را به جای مخازن کروی پیچیده و تحت فشار که مشخصه کشتی‌های حامل LNG هستند، در مخازن سنتی بدنه کشتی ذخیره کنند.

با این حال، کار با متانول در دریا نیازمند پروتکل‌های ایمنی جدید و سخت‌گیرانه‌ای است. این سوخت دارای نقطه اشتعال پایینی معادل تنها ۱۱ درجه سانتی‌گراد است، به این معنی که می‌تواند در دمای اتاق بخارات قابل انفجار تولید کند. علاوه بر این، با شعله‌ای تقریباً نامرئی می‌سوزد و در صورت جذب از طریق پوست به شدت سمی است. برای کاهش این خطرات، موتورهای دوگانه‌سوز مدرن به سیستم‌های توزیع سوخت دوجداره مجهز شده‌اند که به طور مداوم با نیتروژن پاکسازی می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که هرگونه نشتی میکروسکوپی قبل از رسیدن به موتورخانه مهار و خنثی می‌شود.

مبادله مهندسی اولیه برای مالکان کشتی، چگالی انرژی است. متانول در هر کیلوگرم کمتر از نیمی از انرژی نفت کوره سنگین معمولی را در خود جای داده است. برای طی کردن یک مسافت مشابه، یک کشتی کانتینری با سوخت متانول به مخازن سوختی نیاز دارد که تقریباً ۲٫۳ تا ۲٫۵ برابر بزرگتر از معادل دیزلی آن باشد. این جریمه حجمی، معماران دریایی را مجبور می‌کند تا عرشه‌های پایینی کشتی‌های جدید را به طور اساسی بازطراحی کنند.

برای خطوط کشتیرانی تجاری، این گذار به همان اندازه که یک مسئله زیست‌محیطی است، یک مشکل هندسی نیز محسوب می‌شود. هر متر مکعبی که به مخازن سوخت‌گیری توسعه‌یافته اختصاص می‌یابد، متر مکعبی است که نمی‌توان از آن برای حمل محموله‌های درآمدزا استفاده کرد. اپراتورها این کاهش ظرفیت را با این فرض می‌پذیرند که حق بیمه دریافتی برای کشتیرانی بدون کربن، همراه با مالیات‌های بین‌المللی قریب‌الوقوع بر کربن، کاهش حجم کانتینرها را جبران خواهد کرد.

با وجود چالش‌های ذخیره‌سازی، محاسبات مربوط به انتشار آلاینده‌ها به شدت به نفع این گذار است. متانول سبز زمانی که با استفاده از برق تجدیدپذیر و دی‌اکسید کربن جذب‌شده سنتز می‌شود، نمایه‌ای تقریباً بدون کربن را بر مبنای چرخه «از چاه تا پروانه» ارائه می‌دهد. این اندازه‌گیری چرخه حیات، تمام گازهای گلخانه‌ای منتشر شده در طول تولید، حمل‌ونقل و احتراق نهایی سوخت را در بر می‌گیرد و تضمین می‌کند که کربن آزاد شده در دریا در اصل از جو گرفته شده است.[2]

مزایای کیفیت هوای محلی نیز به همان اندازه چشمگیر است. از آنجا که مولکول متانول فاقد گوگرد است، این موتورها انتشار اکسید گوگرد (SOx) را به طور کامل از بین می‌برند. آن‌ها همچنین خروجی اکسید نیتروژن (NOx) را تا ۶۰ درصد در مقایسه با سوخت‌های قدیمی کاهش می‌دهند و به کشتی‌ها اجازه می‌دهند در مناطق ساحلی با کنترل دقیق آلایندگی، بدون اتکا به سیستم‌های پیچیده تصفیه اگزوز فعالیت کنند. نکته مهم این است که احتراق متانول هیچ‌گونه نشت متان - فرار گاز گلخانه‌ای نسوخته که بخش LNG را با مشکل مواجه کرده است - تولید نمی‌کند.[2]

طراحی دوگانه‌سوز همچنین به عنوان یک بیمه‌نامه حیاتی برای صنعت دریایی عمل می‌کند. از آنجا که موتورها سیستم‌های تزریق دیزل معمولی خود را حفظ می‌کنند، در صورتی که متانول سبز در یک بندر خاص در دسترس نباشد، کشتی می‌تواند به طور یکپارچه به سوزاندن گازوئیل دریایی استاندارد بازگردد. این تغییر به صورت آنی و بدون هیچ‌گونه افت قدرت یا سرعت اتفاق می‌افتد و به کشتی اجازه می‌دهد با سوخت سبز از اقیانوس عبور کند و با سوخت دیزل در یک بندر قدیمی پهلو بگیرد.[1]

این انعطاف‌پذیری عملیاتی موجی از سفارشات را از سوی شرکت‌های حمل‌ونقل بزرگ به همراه داشته است. شرکت «مان انرژی سولوشنز» که پلتفرم ME-LGIM آن به گزینه پیش‌فرض برای کشتی‌های کانتینری بزرگ جدید تبدیل شده است، بیان می‌کند: «با سابقه اثبات‌شده بیش از ۶۰۰ هزار ساعت کارکرد تنها با متانول، مفهوم این موتور ثابت شده است و درجه بالایی از قابلیت اطمینان را ارائه می‌دهد.» شرکت «وارتسیلا» نیز به طور مشابه موتورهای ۴ زمانه متانول ۳۲ خود را برای تامین نیروی کشتی‌های مسافربری و کشتی‌های باری رورو توسعه داده است.[1]

مکانیزم داخل سیلندر کاملاً به اثبات رسیده است، اما زنجیره تامین در خارج از کشتی همچنان عامل محدودکننده محسوب می‌شود. در حالی که ناوگان جهانی به سرعت در حال تجهیز خود برای سوزاندن متانول سبز است، زیرساخت‌های ساحلی مورد نیاز برای سنتز، حمل‌ونقل و سوخت‌گیری میلیون‌ها تن از این سوخت تجدیدپذیر هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد. سخت‌افزار آماده است؛ اکنون چالش اصلی، توسعه مقیاس تولید سوخت برای تغذیه آن است.[3]