Ammoniak lockar sjöfarten, men forskare varnar för bränslets risker

Sjöfartsbranschen kan skapa helt nya problem om den satsar på ammoniak som fartygsbränsle för att minska sina koldioxidutsläpp, visar en studie från Chalmers. Forskarna har gjort livscykelanalyser för fartygsdrift med batterier och med tre elektrobränslen, inklusive ammoniak. Övergödning och försurning är några av de miljöproblem som kan kopplas till användning av ammoniak – liksom utsläpp av den kraftfulla växthusgasen lustgas.

Under senare år har ammoniak seglat upp som ett starkt alternativ inom sjöfartsbranschen, i jakten på gångbara marina bränslen som kan ersätta de fossila. Ammoniak (NH3) innehåller inget kol, och har en högre energitäthet än till exempel vätgas. Det är också ganska enkelt att omvandla ammoniak från gas till flytande form. En viktig nackdel är dock att tillverkningen av elektro-ammoniak, som produceras med el, är mycket energikrävande.

Nu visar den nya studien dessutom att sjöfartsbranschen i stället kan skapa helt nya problem, om den har allt för bråttom med att gå över till ammoniak för att bli av med koldioxidutsläppen.

– Trots att ammoniak är fritt från kol så är dess förbränning i motorer inte nödvändigtvis fri från utsläpp av växthusgaser, säger Selma Brynolf, forskare vid Chalmers och medförfattare till artikeln. Förbränningstester har visat på varierande mängder utsläpp av lustgas, en mycket potent växthusgas med en uppvärmningseffekt som är mer än 200 gånger högre än effekten av koldioxid.

– Det saknas helt enkelt djupare riskanalyser av vad ett byte till ammoniak skulle kunna innebära, säger Fayas Malik Kanchiralla, som är studiens förste författare och doktorand vid institutionen för mekanik och maritima vetenskaper på Chalmers.

Alternativet med lägst kostnad är problematiskt ur miljösynpunkt

Med hjälp av livscykelanalyser och livscykelkostnader har forskarna utvärderat teknisk lönsamhet, miljöpåverkan och ekonomisk genomförbarhet för fyra olika typer av förnybara energibärare, till tre olika sorters fartyg. Energibärarna är el via batterier, samt tre olika elektrobränslen: vätgas, metanol och ammoniak. De fyra energibärarna undersöktes i kombination med både förbränningsmotorer och bränsleceller.

Studien visar att ammoniak och metanol har lägst kostnad av de alternativ som studerades.

– Marknaden styrs vanligtvis av kostnader, och eftersom elektro-ammoniak har den lägsta kostnaden så siktar marknaden in sig på det. Idag finns det en hype kring det här bränslet inom sjöfarten. Men om, och när, vi går över till ammoniak så är det för att lösa problemet med att använda fossila bränslen, och i nuläget verkar det som att vi i stället kan skapa fler problem, säger Fayas Malik Kanchiralla.

Detta beror på att ammoniak har en rad miljömässiga nackdelar. Dess användning som bränsle kan påverka luft- och vattenkvaliteten på grund av ammoniak-läckage och utsläpp av kväveoxider (NOx), exempelvis lustgas (N2O). Fayas Malik Kanchiralla och hans kollegor betonar vikten av att övervaka utsläppen för fartyg i områden med utsläppskontroll, till exempel i känsliga marina områden som Östersjön.

Elektrobränslen är syntetiska bränslen som produceras med el, i processer där energirika molekyler tillverkas av andra molekyler. Dessa bränslen definieras som ”gröna” när de produceras med förnybar el. Men studien visar att alla de tre gröna elektrobränslena har en högre miljöpåverkan än traditionella bränslen när det gäller giftighet för människor, användning av resurser som mineraler och metaller, samt vattenanvändning.

Övergödning och försurning är några av riskerna

Användningen av ammoniak är förknippad med betydande utmaningar och risker när det gäller toxicitet. De går att hantera, men de skulle öka komplexiteten hos de säkerhetssystem som krävs. Detta skulle kunna begränsa användningen av ammoniak som bränsle till endast oceangående fartyg.

– Bland de miljöproblem som kan kopplas till användning av ammoniak finns övergödning och försurning, säger Fayas Malik Kanchiralla. Sammanfattningsvis kan man säga att även om grön ammoniak är ett fossilfritt och relativt rent bränsle så är det förmodligen inte tillräckligt grönt för miljön som helhet. Det behövs mer riskbedömningar kring utsläpp av ammoniak, och de relaterade kväveföreningarna, innan bränslet kan börja användas inom sjöfarten.

Studien visar också att det är mycket svårt att hitta en generell fossilfri bränslelösning, som både fungerar för alla typer av fartyg och som kan uppfylla målet att minska växthusgasutsläppen från sjöfarten. Att bedöma de miljömässiga och ekonomiska aspekterna av bränslealternativ för sjöfartssektorn är komplicerat, och många faktorer måste beaktas när klimatstrategier utvecklas för olika typer av fartyg och driftsätt.

– Ur ett livscykelperspektiv måste vi ta fram anpassade klimatlösningar för olika sorters fartyg, säger Fayas Malik Kanchiralla. Det finns ingen mirakelkur eller universallösning. Mer forskning och fler livscykelanalyser behövs.

Mer om forskningen:

Studien How do variations in ship operation impact the techno-economic feasibility and environmental performance of fossil-free fuels? A life cycle study har publicerats i tidskriften Applied Energy och är utförd av forskare vid Chalmers tekniska högskola och Sveriges forskningsinstitut, Rise. Forskningen finansierades av Trafikverket, kompetenscentrumet TechforH2 och projektet Hope.

Bildtext: Användning av ammoniak som fartygsbränsle kan bidra till övergödning och försurning, på grund av ammoniak-läckage och utsläpp av kväveoxider. Utsläppen kan bland annat innehålla lustgas, som dessutom är en växthusgas med mycket högre uppvärmningseffekt än koldioxid. Illustration: Chalmers/Petra Persson

För mer information, vänligen kontakta:

• Fayas Malik Kanchiralla, doktorand, institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, fayas.kanchiralla@chalmers.se, 031-772 14 39
• Selma Brynolf, forskare, institutionen för mekanik och maritima vetenskaper, Chalmers tekniska högskola, selma.brynolf@chalmers.se, 031-772 22 37

Båda forskarna talar engelska. Selma Brynolf talar även svenska, och Fayas Malik Kanchiralla talar hindi, malayalam och tamil. De är tillgängliga för live- och förinspelade intervjuer. På Chalmers har vi podd-studior och filmutrustning på plats och kan bistå vid förfrågningar om tv-, radio- eller podd-intervjuer.