متانول، سوخت جایگزین در صنعت کشتیرانی

متانول، سوخت جایگزین در صنعت کشتیرانی

مقدمه

الزامات بین المللی در راستای کاهش انتشار آلاینده ها، به ویژه انتشار گاز های گلخانه ای به طور فزاینده ای در حال افزایش است و صنعت دریانوردی نیز علیرغم سهم 3 درصدی از کل میزان انتشار گازهای گلخانه ای در دنیا، از این قاعده مستثنی نیست. این امر موجب گردیده که شرکت های بزرگ دنیا که هرکدام به نحوی با صنایع دریانوردی در ارتباط بوده اند، از طریق ایجاد قرارداد های مشترک، اقدام به تبدیل یا جایگزینی تدریجی کشتی های خود با کشتی های با سوخت پاک کنند. استفاده از متانول به عنوان سوخت کشتی، با توجه به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن نسبت به سایر سوخت های جایگزین از جذابیت بالایی برخوردار است. کشور ایران نیز به عنوان یکی از صادر کنندگان بزرگ محصولات نفتی، دارای ناوگانی بسیار گسترده در دریا می باشد که متعاقباً این کشور را در معرض قوانین و الزامات بین المللی قرار می دهد. به عنوان مثال پس از قانون استفاده از سوخت های دریایی با درصد گوگرد پایین که از سال 2020 توسط سازمان بین المللی دریایی اجرایی گردید، غفلت نهادهای ذی ربط در واکنش به موقع نسبت به این موضوع و درنتیجه عدم تولید گسترده سوخت دریایی با درصد گوگرد پایین در داخل کشور، موجب شد شرکت های کشتیرانی داخلی نیازمند واردات سوخت از سایر کشور ها شدند. طی سال های آتی قانون اخذ مالیات بر انتشار گاز های گلخانه ای توسط کشتی ها، به صورت پلکانی و افزاینده توسط سازمان بین المللی دریایی اجرایی می شود که در صورت عدم توجه به این مهم، شرکت های کشتیرانی داخلی متحمل هزینه های گزافی خواهند شد. نکته مهم اینکه استفاده از متانول به عنوان سوخت توسط شرکت های کشتیرانی داخلی، نه تنها سبب بی نیازی کشور از واردات سوخت می شود،  بلکه به طرز پیشگیرانه ای سبب انتطباق شرکت های کشتیرانی با قوانین وضع شده در آینده و در نتیجه کاهش مالیات پرداختی و همچنین کاهش هزینه حمل و نقل کالا های صادراتی می گردد. در این مقاله ابتدا به بررسی خواص فیزیک و شیمیایی و متانول جهت استفاده به عنوان سوخت کشتی پرداخته می شود. سپس به صورت گذرا ملاحظات طراحی کشتی های متانول سوز را مورد بررسی قرار خواهیم داد و در نهایت به بررسی شرکت های پیشرو در استفاده از سوخت متانول و همچنین طرح های نوآورنه در حال اجرا خواهیم پرداخت.

1  ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متانول به عنوان سوخت کشتی ها

متانول به عنوان ساده ترین ترکیب از خانواده الکل ها، ماده ای سبک، فرار و قابل اشتعال که در دما و فشار محیط به صورت مایع یافت می شود و همین امر سبب کاهش ملاحظات ایمنی هنگام استفاده از آن به عنوان سوخت دریایی در مقایسه با سایر گزینه های محتمل مانند هیدروژن و ال ان جی گردیده است.  در صورت احتراق کامل متانول، آب و دی اکسید کربن تنها محصولات جانبی واکنش خواهند بود. یکی از ویژگی استفاده از متانول به عنوان سوخت، عدم انتشار ترکیبات گوگردی به هنگام احتراق به دلیل عدم وجود گوگرد در ساختار مولکولی آن می باشد که موجب سازگاری کامل این ماده با الزامات تعیین شده به وسیله سازمان بین المللی دریایی در راستای کاهش میزان انتشار ترکیبات گوگردی IMO2020 می شود. یکی از مهترین دلایل پرداختن شرکت های فعال در حوزه دریانوردی به مساله سوخت های جایگزین مانند متانول، ال پی جی، هیدروژن و ... موضوع کاهش انتشار CO2 می باشد. کاهش میزان CO2 تولیدی نه تنها به عنوان یک مسئولیت مهم اجتماعی بلکه به سبب قوانین و الزامات وضع شده توسط سازمان¬ها و نهادهای بین المللی جهت اخذ مالیات بر انتشار این گاز گلخانه¬ای، مورد توجه بسیاری از شرکت های مرتبط با کشتیرانی و دریانوردی قرار گرفته است. اخذ مالیات بر انتشار CO2 از شرکت ها ذی ربط طی سال های آتی، مطابق بر میزان تولید این آلاینده خواهد بود. میزان مالیات اخذ شده سالانه به صورت پلکانی افزایش خواهد یافت به گونه ای که کلیه شرکت های مرتبط ملزم به اجرای طرح های مختلف در جهت کاهش انتشار CO2 شوند.

در صورت بروز نشتی و راه یافتن متانول به دریا، این ماده به طور قابل ملاحظه ای اثرات زیست محیطی کمتری نسبت به سوخت های متداول مانند دیزل و یا سوخت نفت سنگین دارد. متانول به سرعت درون آب حل میشود و تنها در غلظت های بالا میتواند منجر به خطر افتادن زندگی جانداران شود. متانول راه یافته به آب به طور مداوم به وسیله باکتری های موجود در آب تجزیه و مصرف میشود.

متانول فاقد پیچیدگی کروژنیک بوده و در دمای و فشار محیط به صورت مایع میباشد و نسبت به سایر سوخت های جایگزین بیشترین قرابت را از لحاظ فیزیکی با سوخت های متداول دریایی مانند دیزل و سوخت نفت سنگین دارد. به عنوان مثال دانسیته متانول دردمای20 درجه سانتی گراد برابر kg/m3792 گزارش شده که با دانسیته سوخت نفت سنگین (HFO) با مقدار kg/m3780  و دیز با دانسیته kg/m3830  اختلاف اندکی دارد. علاوه براین متانول به طور گسترده و از دیر باز  توسط کشتی های حامل مواد شیمایی به اقصی نقاط دنیا حمل می شود که باعث می گردد  جایگزین کردن متانول با سوخت های متداول دریایی  نسبت به سایر جایگزین ها مانند هیدروژن و ال ان جی، نیازمند تغییرات کمتری در ادوات و تجهیزات ایمنی باشد.

باید توجه داشت که استفاده از سوخت های با درصد کربن پایین مانند متانول، به دلیل کاهش محتوای انرژی آنها نسبت به سوخت های متداول، نیازمند در نظر گرفتن فضای ذخیره سوخت بزرگتر می باشد تا بدین طریق کمبود محتوای انرژی سوخت جبران شود. به عنوان مثال در کشتیStena Germanica  به عنوان اولین کشتی تبدیل شده از سوخت دیزل به متانول، در سال 2015 تعدادی از مخازن موازنه آب  موجود در کشتی به عنوان محل ذخیره متانول مصرفی تغییر کاربری پیدا کرد.

2 موتور های متانول سوز

دوشرکت MAN  و WARTSILA   شرکت های پیشرو در زمینه طراحی موتور های دریایی متانول سوز هستند و هر دو شرکت توانسته اند موتور های فشار بالای دیزلی را جهت استفاده از متانول مورد طراحی دوباره قرار دهند. امروزه موتور های دوگانه متانول سوز تولید شده توسط این شرکت ها به صورت تجاری به بازار عرضه می گردد.

طراحی انجام شده توسط شرکت MAN مبتنی بر موتور های تجاری ME-GI (دوگانه سوز دیزل و گاز) میباشد، با این تفاوت که به جای تزریق گاز طبیعی با فشار بالا به  عنوان سوخت ثانویه، یک سوخت مایع از طریق معابر تعبیه شده بر روی موتور، با فشار بالا به درون آن تزریق میگردد. موتور های جدید به منظور استفاده از یک سوخت مایع مانند متانول، آمونیاک، ال پی جی و یا دی متیل اتر به عنوان سوخت ثانویه، مازاد بر دیزل به عنوان سوخت اولیه، طراحی شده اند. این موتور ها قادر خواهند بود که با توان بیشینه  و همچنین سرعت عملیاتی  مشابه با موتور های دیزلی متداول، در بازه وسیعی از نسبت ترکیب متانول و دیزل عمل کنند.

طراحی انجام شده به وسیله شرکت Wartsila مبتنی تکنولوژی تزریق گاز طبیعی با فشار بالا میباشد که از گذشته توسط این شرکت در موتور های دریایی و خشکی مورد استفاده قرار می گرفته است. تغییرات انجام گرفته بر روی موتور توسط این شرکت، شامل ایجاد یک سرسیلندر جدید با سیستم تزریق کنند های مخصوص می باشد، به گونه ای که امکان تزریق سوخت ترکیبی دیزل و متانول را فراهم می آورد. با توجه به اینکه نوع موتور استفاده شده از نوع موتور های احتراق تراکمی می باشد، سوخت آغازگر احتراق درون موتور باید دارای عدد اکتان پایین باشد. به همین دلیل تزریق کننده های تعبیه شده در مرحله اول به وسیله یک سیستم هیدرولیکی، سوخت دیزل را که عدد اکتان پایینی دارد به عنوان آغاز کننده احتراق به درون موتور هدایت میکند و متعاقباً متانول که عدد اکتان بالایی دارد تزریق شده و در ادامه روند احتراق دیزل قرار میگیرد. در واقع نحوه عملکرد موتور های دوگانه سوز طراحی شده به وسیله شرکت MAN و Wartsila مطابق آنچه که توضیح داده شد، استفاده از دو سوخت یکی با عدد ستان و دیگری با اکتان بالا میباشد. سوخت با عدد ستان بالا (دیزل) به عنوان آغازگر احتراق و سوخت با عدد اکتان بالا (متانول) به عنوان ادامه دهنده احتراق سوخت اول استفاده می شود .

تکنولوژی استفاده از سوخت دوگانه برای اولین بار در سال 2015 با موفقیت بر روی کشتی Stena Germanica  پیاده سازی گردید و موتور چهار زمانه سرعت متوسط آن جهت استفاده از متانول به عنوان سوخت ثانویه، تغییر کاربری داده شد. جهت ذخیره سازی متانول نیز تعدادی از مخازن موازنه آب کشتی مطابق بر ملاحظات فنی و ایمنی، ارتقاء و مورد استفاده قرار گرفتند. سایر تغییرات صورت گرفته شامل ایجاد ایستگاه پمپاژ سوخت با فشار بالا(600 بار)، به کارگیری خطوط انتقال سوخت دو لایه و تعبیه سیستم های ایمنی متناسب با متانول گردید.

3 پیشگامان استفاده از متانول به عنوان سوخت کشتی

در این بخش سه شرکت پیشگام در امر به کارگیری متانول به عنوان سوخت کشتی مورد بررسی قرارخواهند گرفت.

شرکت کشتیرانی  WATERFRONT SHIPPING

در سال 2016، شرکت کشتی رانی waterfront shipping به عنوان بازوی لجستیکی کمپانی methanex که تماماً هم تحت مالکیت آن قرار دارد، با تحویل و به کارگیری 3 فروند کشتی متانول سوز به عنوان اولین شرکت کاربر این تکنولوژی جدید در مقیاس صنعتی شناخته شد. از سال 2016 تا سال 2020 شرکت waterfront shipping طی 4 سال با افزودن 8 فروند کشتی متانول سوز دیگر به ناوگان خود، تعداد این نوع کشتی های متانول سوز خود را به عدد 11 افزایش داد. پاول هکستر ، مدیر عامل شرکت waterfront shipping با اشاره به این مهم که افزودن این 11 فروند کشتی متانول سوز نه تنها باعث سازگاری با الزامات سازمان بین المللی دریانوردی در سال 2020 در جهت کاهش انتشار ترکیبات گوگردی گردیده، بلکه با کاهش انتشار دی اکسید کربن، سبب سازگاری هرچه بیشتر این شرکت با الزامات سازمان بین المللی دریای در سال 2030 جهت اخذ مالیات بر انتشار دی اکسید کربن خواهد گردید. تجربه موفقیت آمیز استفاده از کشتی های متانول سوز طی 4 سال و همچنین مزیت های اقصادی استفاده از متانول به عنوان سوخت کشتی با توجه به الزامات تعیین شده از سوی مراجع قانون گذار، مدیران شرکت waterfront shipping  را نسبت به سفارش 8 فروند کشتی متانول سوز دیگر با موعد تحول سال 2023 متقاعد گردانید. بدین ترتیب، این شرکت تا پایان سال مذکور تعداد کشتی های متانول سوز تحت اختیارخود را به عدد شگفت انگیز 19 فروند  افزایش یافت.

شرکت کشتیرانی  PROMAN SHIPPING

شرکت تولید کننده متانول PROMAN که با تولید سالانه 6 میلیون تن متانول به عنوان دومین متانول ساز بزرگ دنیا شناخته میشود، در راستای عمل به سیاست کاهش انتشار گاز CO2 دو طرح کلی را در دستور کار خود قرار داد. طرح تولید متانول سبز(بایومتانول) و طرح به کارگیری کشتی های دوگانه سوز با سوخت ثانویه متانول. PROMAN SHIPPING که به عنوان بازوی لجستیکی این شرکت تولید کننده متانول شناخته می شود، از طریق ایجاد یک سرمایه گذاری مشترک با شرکت حمل و نقل دریایی Stena Bulk اقدام به سفارش 6 فروند کشتی دوگانه متانول سوز نمود. اولین فروند از 6 کشتی خریداری شده با نام تجاری Stena Pro Patria با وزن 49000 تن توسط شرکت کشتی سازی Guangzhou Shipyard International (GSI) ساخته شد. دو فروند کشتی دوگانه متانول سوز دیگر که با نام های تجاری Stena Pro Marine  و  Stena Prosperous  شناخته می شوند توسط همین کشتی سازی (GSI) ساخته و تا پایان سال 2022 تحویل داده شدند.  3 فروند کشتی باقی مانده بین سال های 2023 تا 2024 وارد عملیات شده به این‌ترتیب تعداد کشتی‌های متانول سوز شرکت PROMAN به عدد 6 رسید (BairdMaritime 29 May 2024).

شرکت کشتیرانی MAERSK

شرکت کشتی رانی MARESK با دارا بودن  بیش از 700 کشتی فعال در حوزه حمل و نقل دریایی به عنوان بزرگترین شرکت کشتیرانی دنیا شناخته می شود. به موجب الزامات وضع شده جهت اخذ مالیات نسبت به گاز های گلخانه ای منتشر شده توسط کشتی ها  (IMO2030)این شرکت اقدام به برنامه‌ریزی جهت به کارگیری 18 فرند کشتی کانتینر بر با قابلیت استفاده از سوخت متانول نموده که قرار است به مرور با کشتی های قدیمی موجود در ناوگان این شرکت بین سال های 2024 و 2025 جایگزین شود. تا کنون 9 فروند از این کشتی های عظیم، با ظرفیت اسمی 16000 کانتینر 20 فوتی (TEU) توسط شرکت صنایع سنگین هیوندای   (HHI)و سایر شرکت های کشتی سازی بزرگ دنیا ساخته و به مرحله عملیاتی رسید‌اند.  شرکتMAERSK  همچنین طی توافق نامه ای با شرکت تولید کننده متانولPROMAN  اقدام به خرید سالانه 100 تا 150 هزار تن متانول سبز (بایو متانول) برای کشتی های دوگانه متانول سوز خود خواهد نمود.

4 پروژه های تحقیقاتی در راستای استفاده از متانول

با توجه به اهمیت موضوع استفاده از سوخت های جایگزین در راستای کاهش انتشار گاز های گلخانه ای، پروژه های تحقیقاتی مختلفی در این راستا توسط کشور های صنعتی تعریف و اجرا شده اند که به بررسی برخی از مهمترین آنها در حوزه متانول در ادامه می پردازیم.

سیستم HYMETHSHIP

کنسرسیومی متشکل از 13 شرکت صنعتی، دانشگاه، و مراکز تحقیقاتی اروپایی که همکاری خود را از سال 2018 آغاز نموده اند، در راستای کاهش انتشار گاز های گلخانه ای در حوزه دریانوردی، یک سیستم خشکی-دریایی را تحت عنوان HYMETHSHIP ارائه نمودند. تامین انرژی مورد نیاز کشتی از طریق هیدروژن صورت می گیرد. یکی مهمترین از روش های ذخیره سازی شیمیایی هیدروژن از طریق تبدیل آن به متانول میباشد. در بخش خشکی سیستم، گاز هیدروژن از طریق انرژی های تجدید پذیر و به صورت الکترولیز آب تولید میشود. با توجه به ملاحظات ایمنی ذخیره سازی فیزیکی هیدروژن هم در خشکی و هم بر روی کشتی، هیدروژن تولید شده طی فرایند شیمیایی با CO2  ترکیب شده و تبدیل به متانول می گردد. متانول تولید شده در خشکی، پس از انتقال و ذخیره سازی بر روی کشتی، طی فرایندی معکوس به هیدروژن و CO2 تبدیل میگردد. هیدروژن جهت سوزاندن به موتور کشتی منتقل شده و CO2 نیز ذخیره سازی میگردد تا به خشکی منتقل شده و برای تولید متانول از هیدروژن مورد استفاده قرار بگیرد.

شکل 1 نحوه عملکرد سیستم hymethship (hymethship.com)

کنسرسیوم متانول دریایی سبز

کنسرسیومی متشکل از مهمترین شرکت های دریانوردی، شرکت های تولید کننده متانول و شرکت های تولید کننده تجهیزات صنعتی تشکیل گردید تا کلیه راه حل های موجود را به جهت استفاده از متانول تجدید پذیر به عنوان سوخت دریایی مورد تحقیق و بررسی قرار دهند که در ادامه به برخی از خروجی های این کنسرسیوم پرداخته خواهد شد. در اوایل سال 2020 شرکت Ponpower پروژه ای را در راستای تغییر موتور های گاز سوز 3508 کاترپیلار آغاز نمود، به گونه ای که این موتور ها بتوانند از متانول خالص به عنوان سوخت استفاده کنند. آکادمی دفاع هلند (NLDA) به عنوان یکی از اعضای دیگر این کنسرسیوم تست های مختلفی را بر روی نحوه ادغام سوخت ها جهت استفاه از موتور های دوگانه سوز انجام داده. در تحقیق انجام شده، میزان کارایی موتور با توجه به نوع ترکیب، روش مکانیکی ادغام و همچنین درصد نسبی ادغام سوخت ها مورد مطالعه قرار گرفته است

تست افزایه های متانول، آژانس انرژی دانمارک

استفاده از متانول به عنوان یکی از افزایه سوخت امری متداول در صنعت به شمار میرود. ترکیب متانول با سوخت موتور تا 3 درصد به صورت مستقیم انجام می شود اما برای ترکیب با درصد های بالاتر نیازمند استفاده از افزایه های شیمیایی می باشد. این آژانس در صدد است تا با استفاده از افزایه های شیمیایی مختلف به متانول قابلیت استفاده مستقیم آن را به عنوان سوخت با ایجاد تغییرات جزئی در موتور پیدا کند. افزایه های شیمیایی و همچنین تغییرات موردنیاز بر روی موتور میتواند به عنوان یک پکیج جهت دوگانه سوز کردن موتور کشتی های متداول به شرکت های متقاضی این امر ارائه گردد(AmericanBureauShipping 2021).

5  نتیجه گیری

متانول با داشتن ویژگی هایی مانند آلودگی احتراقی و زیست محیطی پایین و حمل و نقل و ذخیره سازی آسان به عنوان یکی از مهمترین جایگزین های سوخت های متداول در صنعت کشتیرانی معرفی شده است.   استفاده از متانول به عنوان سوخت کشتی ها نیازمند بازطراحی بخش های مختلفی از کشتی از جمله سیستم سوخت رسانی، محل ذخیره سازی سوخت و موتور کشتی می باشد. کلیه طراحی های انجام شده باید مطابق بر پروتکل های تبیین شده جهت استفاده از سوخت های با نقطه اشتعال پایین باشد. همچنین برخی از خواص ذاتی متانول ایجاب میکند که ملاحظات ایمنی ویژه ای جهت استفاده از متانول در نظر گرفته شود. تا کنون پروژه های موفقیت آمیز متعددی جهت استفاده از متانول به عنوان سوخت کشتی اجرا شده که از جمله آنها می توان به کشتی های دوگانه متانول سوز شرکت هایShipping  Waterfront ،  Proman و Maersk اشاره نمود. کلیه این پروژه ها با استفاده از موتور های دوگانه سوز با سوخت اکتان بالا و پایین انجام گردیده.

الزامات تعیین شده توسط سازمان ها و نهاد های بین المللی جهت اخذ مالیات بر انتشار گازهای گلخانه ای در سال های آینده و همچنین الزاماتی که از پیش جهت استفاده از سوخت های با درصد گوگرد پایین وضع گردیده اند، ضرورت جایگزینی سوخت های سنتی کشتی را با سوخت های جایگزین بیش از پیش مورد توجه قرار می¬دهد. ازمیان سوخت های جایگزین قطعاً متانول با داشتن ویژگی¬های متعددی که ذکر شد، یکی از مطلوب ترین گزینه های موجود خواهد بود.