SINTEF-forsker Andrea Gruber knuser tall – riktignok med god hjelp av tungregnemaskinen Betzy. En uendelighet av beregninger som kobles sammen, gir nå forskerne svar på hva som må til for at det velkjente kjemikaliet ammoniakk kan bli en klimaredning for store deler av skipsfarten.
Ammoniakk er nemlig et svært godt drivstoffalternativ:
Kjemikaliet har evnen til å holde seg flytende i romtemperatur ved moderate trykknivåer, som for eksempel i vanlige gassflasker. Det klimavennlige alternativet hydrogen krever til sammenlikning en temperatur som er lavere enn minus 253 grader Celsius for å holde seg flytende.
Dessuten har vi både produksjonsmuligheter og et distribusjonsnett klart for ammoniakk allerede. Det gjør løsningen enkel å ta i bruk for store deler av verden.
I tillegg kan ammoniakk produseres med helt fornybare energikilder, eller med karbonfangst og -lagring fra naturgass.
Lagrer 50 prosent mer energi enn hydrogen per kubikk
Ammoniakk kan skilte med flere gode egenskaper som gjør den til en klar kandidat som grønt drivstoffalternativ for skipsfarten: En kubikkmeter med flytende ammoniakk inneholder faktisk femti prosent mer energi enn en kubikkmeter flytende hydrogen.
– Med en vanlig bærbar datamaskin ville det tatt 1 168 år å utføre simuleringene i dette prosjektet. På Betzy tar jobben 10 dager hvis man bruker hele maskinen.
Den største ulempen er at en lekkasje av ammoniakk kan oppleves som ubehagelig for mennesker, selv i små mengder, fordi den har stram lukt og kan være irriterende for slimhinnene våre.
Akkurat som mange andre kjemikalier kan også ammoniakk være dødelig ved eksponering for store mengder. Derfor mener forskerne at ammoniakk passer best for lasteskip og andre skip uten passasjerer, altså fartøyer som driftes av et profesjonelt mannskap.
Men forskerne ser også for seg at enkelte landbruksmaskiner kan bruke ammoniakk som drivstoff om relativt kort tid, fordi disse brukes i åpne landskap uten for mye folk.
I dag bruker 90 prosent av alle containerskip tungolje som brensel. På en lang reise slipper et skip ut ca. 5700 tonn CO2. Forbrenningen av tungolje gir også store utslipp av forurensende stoffer som oksider av nitrogen (NOx) og svovel (SOx) samt partikler av sot og andre kjemikalier som er skadelige for både mennesker, dyr og miljø.
– Til sammenligning vil en en slik reise gi nærmest null i utslipp av både klimagasser og forurensende stoffer, dersom det ble brukt ammoniakk som drivstoff, og motoren er redesignet på riktig måte, sier Gruber.
- Les mer om forskningsarbeidet på hydrogen- og ammoniakkforbrenning ved SINTEF og NTNU på prosjektesidene for NCCS og LowEmission.
Spillvarme fra motoren har en hovedrolle
Fordi ren ammoniakk brenner dårlig og er vanskelig å antenne, er ideen til forskerne å bruke spillvarmen fra forbrenningsprosessen til å delvis spalte ammoniakken.
Ammoniakk består av ett nitrogenatom og tre hydrogenatomer. Etter spaltingen sitter vi igjen med drivstoff som består av ammoniakk, nitrogen og hydrogen.
Hydrogenandelen i dette brenselet bidrar til å sparke forbrenningsprosessen godt i gang, med god hjelp fra store mengder oppvarmet luft fra omgivelsene. Det gir bevegelse og framdrift i motorens velkjente termiske prosess.
– At «arbeidsmediet» i denne forbrenningen er luft, gjør det ganske enkelt og billig å skalere opp prosessen, sånn at den kan tilpasses de største lasteskipene. For batteridrevne skip eller fartøy som bruker kraft fra brenselceller er det en god del vanskeligere, sier Gruber.
Muligheten for oppskalering gjør at løsningen er perfekt for store skip – som i dag ofte drives av forurensende tungolje, ifølge SINTEF-forskeren. Han jobber også ved NTNU som professor II med samme problemstilling og i tett samarbeid med flere studenter.
– Til forskjell fra den elektrokjemiske prosessen i en brenselcelle, som også er et interessant alternativ i mindre skip, utnytter forbrenningsmotoren «hele» luften og ikke bare oksygenandelen (~22%), legger Gruber til.
Animasjon av flammen (rød) som brenner gjennom den turbulente blandingen av ammoniakk, hydrogen og luft (grønn). Beregningen er gjennomført i en liten (1 cm3) men representativ andel av hele forbrenningskammeret ved å løse differensialligninger på nesten 1 milliard punkter. Animasjon: Andrea Gruber/SINTEF
Milliarder av regnestykker og nyttig spillvarme
Tungregnemaskinen Betzy er forskernes viktigste verktøy i jakten på den optimale forbrenning av ammoniakk. Den kraftige regnemaskinen, innviet på slutten av 2020, kan gjennomføre millioner av milliarder regneoperasjoner per sekund.
– At «arbeidsmediet» i denne forbrenningen er luft, gjør det ganske enkelt og billig å skalere opp prosessen, sånn at den kan tilpasses de største lasteskipene. For batteridrevne skip eller fartøy som bruker kraft fra brenselceller er det en god del vanskeligere.
Betzy har i praksis femdoblet regnekapasiteten til norske forskere og har en samlet regnekraft som tilsvarer 43.000 «ordinære» bærbare datamaskiner.
– Sagt på en annen måte: Med en vanlig bærbar datamaskin ville det tatt 1 168 år å utføre simuleringene i dette prosjektet. På Betzy tar jobben 10 dager hvis man bruker hele maskinen, sier spesialrådgiver Jenny Andrea Amundsen i Sigma2, som har ansvaret for å drifte Betzy.
Fakta om Betzy:
Betzy er Norges kraftigste superdatamaskin, eiet og driftet av Uninett Sigma2 AS som en del av den nasjonale e-infrastrukturen for forskning og undervisning. Superdatamaskinen er oppkalt etter Mary Ann Elizabeth (Betzy) Stephansen, første norske kvinne med en doktorgrad i matematikk.
Den kraftige regnemaskinen, innviet på slutten av 2020, kan gjennomføre millioner av milliarder regneoperasjoner per sekund (6.2x1015 FLOPS)
Betzy ble innviet på slutten av 2020 og består av 1344 AMD EpycTM-baserte regnenoder med totalt 172032 prosessorkjerner. Regnenodene utveksler data med hverandre ved hjelp av et omfattende nettverk av svært raske forbindelser.
. Betzy står fysisk plassert på Gløshaugen i Trondheim, og driftes av Sigma2 i samarbeid med de fire eldste universitetene i Norge – NTNU, UiO, UiB og UiT.
Forskerne har brukt 80 millioner regnetimer fordelt på omtrent tre måneder fra desember 2020 til februar 2021. I rent strømforbruk tilsvarer det 460 megawattimer som blir til varme i prosessorkjernen.
Den gode nyheten er at spillvarmen som dannes i regneprosessen går til oppvarming av NTNU campus på Gløshaugen.
Sammenlikner med naturgass og hydrogen
Den matematiske løsningen viser i detalj hvordan ammoniakk forbrennes i en skipsmotor sammenlignet med naturgass eller rent hydrogen.
Det finnes allerede gassmotorer på markedet, og når simuleringsjobben er gjort sitter forskerne med de nøyaktige dataene som må til for å re-designe eksisterende gassmotorer til å gå på klimavennlig ammoniakk. Dermed hjelper disse beregninger oss på veien til å fase ut klimaverstingen tungolje fra skipsfarten.
– Vi har jobbet mye med matematiske simuleringer av forbrenningsmotorer før, men da har vi vært nødt til å samarbeide med forskningsmiljøer i USA for å kunne benytte regnekraft der. Nå har vi endelig fått muligheten her i Norge, sier Gruber.
For at ammoniakk skal bli et reelt alternativ må forskerne vite flere detaljer om hvordan ammoniakken oppfører seg under ulike forbrenningsforhold. Svarene får de ved hjelp av tungregning og etter hvert fullskalaforsøk i lab. Resultatene er så langt svært lovende. Her er Gruber foran sin gode venn Betzy. Foto: Helge Stranden, UNINETT/Sigma2
DNS (Direkte Numerisk Simulering) kjøres vanligvis som parallelle beregninger som bruker tusenvis av regnenoder og titusenvis av prosessorkjerner. For å gjennomføre simuleringene har forskerne brukt beregningsressurser i en størrelsesorden uten sidestykke i norsk sammenheng.
I praksis beregner forskerne hvordan 19 kjemiske stoffer reagerer med hverandre i 63 forskjellige elementære reaksjoner – med ulike blandingsforhold i en turbulent forbrenningsprosess.
– Det vil være mulig å tilpasse motorer som allerede finnes i dagens flåte til å forbrenne drivstoffblandingen.
– Det vi vet fra før er hvordan en viss blanding av brensel og luft forbrennes uten turbulens. Men turbulens oppstår som et uunngåelig faktum i enhver praktisk anvendelse av forbrenningsprosessen. Å få mer og nøyaktig informasjon om dette er helt essensielt for optimalisering av motorer med hensyn på best utnyttelse av brensel og redusering av utslipp, men det krever også enormt med regnekraft, sier Gruber.
Neste steg er laboratorieforsøk
Beregningene har gitt forskerne viktige detaljer om hvordan ammoniakken oppfører seg under ulike forbrenningsforhold og gjør det mulig å simulere virtuelle flammer i en liten, men representativ del av et forbrenningskammer.
Forskningen viser at under vanlige driftsforhold har rent hydrogen altfor høy reaktivitet som motordrivstoff og en tendens til å antenne for tidlig. Mens ren ammoniakk antenner og brenner dårlig.
– Ingen av de to drivstoffene er derfor gunstige for forbrenningsmotorene. Men ved å utnytte spillvarme fra skipsmotoren kan ammoniakk delvis spaltes om bord. Da får vi en drivstoffblanding av ammoniakk, hydrogen og nitrogen, forklarer SINTEF-forskeren.
En slik prosess vil være praktisk av to årsaker: For det første resirkuleres motorens spillvarme for å øke energiinnholdet i drivstoffet, det gjør at den totale virkningsgraden i maskinen forbedres. For det andre blir forbrenningsegenskapene til den nye drivstoffblandingen av ammoniakk/hydrogen/nitrogen svært lik det som kan karakteriseres som standard naturgass.
– Dette er viktig, fordi det betyr at det vil være mulig å tilpasse motorer som allerede finnes i dagens flåte til å forbrenne drivstoffblandingen, sier energiforsker Andrea Gruber.
Norge har gode forutsetninger for å ta i bruk ammoniakk
Nå håper han løsningen kan gi muligheter for norsk industri og et raskere grønt skifte på de blå hav:
Norge er i en spesielt gunstig posisjon for å etablere en ammoniakkbasert verdikjede. Geografisk og historisk er vi en maritim nasjon, og vi har både kommersiell skipsfartsindustri og industri for produksjon av ammoniakk som går mer enn 100 år tilbake i tid. Vi har viktige naturressurser i form av rikelig med vindkraft og naturgass som ved hjelp av CCS (karbonfangst og -lagring) kan bidra til en produksjon av ren ammoniakk. Vi produserer også egne topp moderne forbrenningsmotorer for skipsfart, ifølge SINTEF-forskeren.
