Ammonia engine and system dynamic operation

Abstract

To decrease greenhouse gas emissions from combustion, the marine industry is moving to carbon-free alternative fuels like ammonia. Which is very appealing because of the existing ammonia infrastructure and appealing combustion characteristics. Previous combustion study utilizing ammonia as fuel indicates that ammonia may be used as fuel. However, the study is heavily concentrated on ammonia combustion and not so much on ammonia engine and system operation.

The assessment of the literature assesses engine operation with a dual fuel (DF) engine, combustion theory, ammonia safety and influence on materials, emissions and catalytic reduction, fuel system and bunkering from a full-scale ammonia testing facility developed in Norway. It was discovered that ammonia as a fuel is challenging to burn and that there are issues in the current systems that make ammonia difficult to utilize as a fuel. The results reveal that maintaining ammonia gas temperature control at appropriate levels is challenging. Evaporating and heating the ammonia demands a lot of energy and heat. The engine's ammonia operation is additionally limited by the selective catalytic reduction (SCR) system, as low loads do not meet the minimum intake temperature. Because this makes loading and starting the engine difficult, therefore it has been done in diesel mode. The test results show that a typical Wärtsilä 34DF engine may be operated at low load to attain a 60% ammonia share. Over 70% ammonia energy share may be reached by adjusting the engine. High NOx levels, unburned ammonia, and the formation of N2O might be a problem. However, by using an SCR and unburned ammonia, NOx levels and ammonia slip may be reduced even more.

The results of this thesis show the challenges in engine and system functioning with ammonia as fuel. More testing and research are required to achieve carbon-free operation by enhancing engine performance, lowering emissions, and minimizing ammonia release.

För att minska utsläppen av växthusgaser från förbränning övergår den marina industrin till kolfria alternativa bränslen, som ammoniak. Användningen av ammoniak lockar på grund av den befintliga infrastrukturen för ammoniak och dess fördelaktiga förbränningsegenskaper. Tidigare studier har visat att ammoniak kan användas som bränsle, men fokus har främst legat på ammoniakförbränning snarare än driften av motorn och kringliggande system.

Denna litteraturöversikt utvärderar drift av en dubbelbränslemotor, förbränningsteori, ammoniaksäkerhet, materialpåverkan, emissioner, katalytisk reduktion, bränslesystem och bunkring från en fullskalig ammoniakprovningsanläggning utvecklad i Norge. Resultaten visar att det är svårt att bränna ammoniak som bränsle och att det finns problem med de befintliga systemen som gör ammoniak svårt att använda som bränsle. Det är svårt att upprätthålla temperaturkontrollen av ammoniakgas vid lämpliga nivåer. Förångning och uppvärmning av ammoniak kräver mycket värmeenergi. Driften av ammoniakmotorn begränsas också av det selektiva katalysator reduktionssystemet, eftersom låga belastningar inte uppfyller den minsta insugningstemperaturen. För att underlätta lastning och start av motorn utförs dessa i dieselläge. Testresultaten visar att en typisk Wärtsilä 34DF-motor kan köras med låg belastning för att uppnå en ammoniakenergiandel på 60 %. Genom att justera befintliga motorn kan man uppnå en ammoniakandel på över 70 %. Höga nivåer av NOx, obränd ammoniak och bildning av N2O kan vara problematiska. Genom att använda en selektiv katalystor och använda obränd ammoniak som reagent, kan dock NOx-nivåerna och ammoniakutsläppen ytterligare minskas.

Resultaten från denna avhandling belyser svårigheterna med att driva en motor och ett system med ammoniak som bränsle. Ytterligare tester och forskning krävs för att uppnå kolfri drift genom att förbättra motorprestanda, minska utsläppen och minimera ammoniakutsläppen.