Safe use of ammonia as ICE fuel

Abstract

With more strict emission limit targetsthan before set to combat the climate change, companies have begun looking for alternative fuels. Green ammonia has been thought to be a suitable alternative, since like hydrogen, ammonia does not form carbon dioxide when it burns. Unlike hydrogen, ammonia is relatively easy and cost effective to transport and handle.

The purpose of the study was to determine whether ammonia could be safely used in internal combustion engines as fuel. The study was conducted as part of Wärtsilä's project R&D ammonia as an alternative fuel. The goals of the thesis were to identify what safety measures are needed when using ammonia and to identify what changes are needed for the fuel, engine and exhaust systems.

Due to the corrosive properties of ammonia all commonly used materials are not compatible with ammonia. Commonly used in fuel systems, FKM/FPM type sealant material also known for the brand name Viton is incompatible with ammonia. However, in the already existing sealant materials, a suitable alternative can be found. The FFKM/FFPM type elastomer is compatible with ammonia, as well as other conventional fuels. Stainless steel 304 and 316 were found to be well suited for use with ammonia.

Ammonia was accepted as safe fuel to use in engines. However, due to the toxicity of ammonia, various safety measures are required. Safety requirements recognized included; gas detection to detect potential leaks, control valves to minimize leakages, possibility to clean ammonia gas from ventilation air in scrubber, ammonia gas monitoring from the exhaust gases.

Using ammonia as a fuel requires safety training for staff. It is important that the staff is aware of the properties of ammonia, have a good knowledge of the system, know how to operate in the event of accident.

Ilmastonmuutoksen estämiseksi asetettujen yhä tiukempien päästöjen vähentämistavoitteiden vuoksi yritykset ovat alkaneet etsiä vaihtoehtoisia polttoaineita. Vihreä ammoniakki on arveltu sopivaksi vaihtoehdoksi, sillä vedyn tavoin ammoniakki ei muodosta hiilidioksidia palaessaan. Toisin kuin vety, ammoniakki on suhteellisen helppoa ja kustannustehokasta kuljettaa ja käsitellä.

Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää, voitaisiinko ammoniakkia käyttää turvallisesti polttoaineena polttomoottoreissa. Tutkimus tehtiin osana Wärtsilän tutkimus- ja kehitysprojektia Ammoniakki vaihtoehtoisena polttoaineena. Opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää, mitä turvatoimia tarvitaan ammoniakkia käytettäessä, ja selvittää, mitä muutoksia tarvitaan polttoaine-, moottori ja pakokaasujärjestelmiin.

Ammoniakin syövyttävien ominaisuuksien vuoksi kaikki yleisesti käytetyt materiaalit eivät ole yhteensopivia ammoniakin kanssa. Polttoainejärjestelmissä yleisesti käytetty FKM/FPM-tyyppinen tiivistemateriaali tunnetaan myös tuotemerkillä Viton, mutta se ei ole yhteensopiva ammoniakin kanssa. Jo olemassa olevista tiivistemateriaaleista löytyy kuitenkin sopiva vaihtoehto. FFKM/FFPM-tyyppinen elastomeeri on yhteensopiva ammoniakin ja muiden tavanomaisten polttoaineiden kanssa. Ruostumattomien terästen 304 ja 316 todettiin soveltuvan hyvin käytettäväksi ammoniakin kanssa.

Ammoniakki hyväksyttiin turvalliseksi moottoripolttoaineeksi. Ammoniakin myrkyllisyyden vuoksi tarvitaan kuitenkin erilaisia turvatoimenpiteitä. Turvallisuusvaatimuksiksi tunnistettiin: kaasuhälyttimet mahdollisten vuotojen havaitsemiseksi, säätöventtiilit vuotojen minimoimiseksi, mahdollisuus puhdistaa ammoniakki ilmanvaihtoilmasta ammoniakkipesurissa, ammoniakkikaasun seuranta pakokaasuista.

Ammoniakin käyttäminen polttoaineena vaatii henkilökunnan turvallisuuskoulutusta. On tärkeää, että henkilökunta on tietoinen ammoniakin ominaisuuksista, tuntee järjestelmän hyvin, osaa toimia onnettomuuden sattuessa.