Emissioner fra skibsmotorer med metanol som nyt grønt brændsel

Den Internationale Maritime Organisation (IMO) har fremsat en række målsætninger om markante reduktioner i udledning af drivhusgasser fra skibsmotorer over de kommende årtier [1]. I 2030 ønskes en 40% reduktion i kuldioxid (CO₂) udledning for en given transportmængde, mens målsætningen er klimaneutralitet omkring år 2050.

For nuværende anvendes hovedsageligt fossil marin diesel og bunkerolie som brændstoffer i skibsmotorer, hvilket medfører betydelige udledninger af CO₂. De eksisterende batteri-teknologier muliggør ikke en elektrificering af den internationale skibsfart.

Mulige nye grønne brændsler til skibsmotorer 

Brændsler som brint (H₂), ammoniak (NH₃) og metanol (MeOH) kandiderer som mulige og potentielt klimaneutrale brændsler til shipping-sektoren, hvoraf MeOH fremstår mest aktuel på den korte bane, da adskillige eksisterende typer af skibsmotorer vil kunne tilpasses forbrænding af MeOH [2].

Shipping-sektoren har hidtil været en markant udleder af en længere række uønskede komponenter, hvoraf emissioner af kvælstofoxider (NO_x), svovloxider (SO_x) og CO₂ er reguleret af IMO. For året 2018 blev emissionerne fra shipping opgjort til 20,2 Mt NO_x, 11,4 Mt SO_x og 919 Mt CO₂ [3]. For CO₂ udgjorde det 2.89% af de globale antropogene emissioner i 2018 [3].

Ydermere er der en række af andre emissionskomponenter fra skibsmotorer, som kan medføre klimamæssige, helbredsmæssige og/eller miljømæssige belastninger såsom forskellige drivhusgasser, kulmonoxid (CO), sodpartikler og andre kulstofholdige forbindelser i gas- eller partikelfase [3].

Nye grønne brændsler til skibsmotorer bør være uden skadelige emissioner

Det er væsentligt at sikre, at fremtidens grønne brændsler i skibsfarten ikke medfører markante emissioner af komponenter med uønskede helbreds-, miljø- og klimamæssige effekter.

Denne artikel fokuserer på emissioner forbundet med forbrænding af MeOH i skibsmotorer, hvor en fuldstændig forbrænding af MeOH ideelt set alene medfører emissioner af CO₂ og vanddamp via følgende reaktion:

2 CH₃OH + 3 O₂ -> 2 CO₂ + 4 H₂O

I praksis har MeOH vanskeligt ved at antænde i en forbrændingsmotor uden brug af støttebrændsel (pilot fuel). Derfor kan såvel støttebrændsel som smøreoliekomponenter potentielt bidrage til emissioner ved motorforbrænding af MeOH.

Hvis der i produktions-, transport-, opbevarings- og forbrændings-leddene for MeOH, støttebrændsel og smøreolie samlet set opnås en netto CO₂-neutral balance, så kan der i princippet opnås klimaneutralitet [4], forudsat at processen ikke i øvrigt medfører udledninger med et klimaaftryk.

Klimapåvirkning fra metanol i atmosfæren

Næst efter metan (CH₄), så er MeOH den hyppigst forekommende kulbrinte i atmosfæren. Udledninger af MeOH kan tilskrives naturlige såvel som menneskelige kilder [5, 6]. 

MeOH er ikke i sig selv en drivhusgas, men MeOH kan indirekte bidrage til den globale opvarmning. MeOH nedbrydes typisk i atmosfæren via reaktion med hydroxyl-radikalet (OH). Hovednedbrydningsprocessen for den potente drivhusgas metan går i atmosfæren også via reaktion med OH [7]. Så markante udledninger af MeOH medfører en opvarmning af klimaet – da de mindsker koncentrationen af tilgængelig OH til nedbrydning af metan.

Ydermere, så vil sluttelige nedbrydningsprodukter af MeOH i atmosfæren inkludere CO₂. Så der bør være stort fokus på at undgå mulige emissioner af uforbrændt MeOH, hvis klimabelastningen fra MeOH-brændstof skal minimeres.

Bestemmelse af effekter fra emissioner kompliceres af atmosfæriske processer

Emissioner fra forbrændingsmotorer kan som udgangspunkt karakteriseres i gasfase eller partikelfase. Der er dog en lang række mulige emissionskomponenter, der undergår processer i atmosfæren, som kan ændre deres egenskaber i forhold til deres påvirkning af klima, helbred og miljø.

Atmosfærekemiske processer kan dermed komplicere en forsimplet klassificering af mulige effekter af emissioner i atmosfæren, se eksempler nedenfor.

Klimapåvirkning fra skibsmotorers emissioner

De mange mulige emissionskomponenter fra forbrændingsmotorer kan bidrage direkte til den globale opvarmning som drivhusgasser (fx CO₂, CH₄ og N₂O) eller indirekte som forløber til CO₂ (fx CO, MeOH og CH₂O) eller forløber til ozon (fx kulbrinter).

Ydermere kan komponenter, der reagerer med OH-radikalet i atmosfæren (fx CO, MeOH, CH₂O og andre kulbrinter) bidrage til en forlænget atmosfærisk levetid for drivhusgassen CH₄.

Aerosol-partikler i atmosfæren kan påvirke klimaet direkte ved at reflektere/absorbere indkommende sollys eller indirekte via en påvirkning af skyers egenskaber.

Levetiden for partikler i de nedre atmosfæriske lag er i størrelsesordenen op mod 1-2 uger afhængig af partikelegenskaber og omgivelser [7, 8]. Lysabsorberende partikler såsom sodpartikler/black carbon (BC) eller brown carbon (BrC) kan bidrage til en opvarmning såvel i atmosfæren som efter deponering på is eller sneoverflader [9].

Reduktion af SO_X-emissioner fra skibsmotorer

I gennemsnit anses menneskeskabte partikler i atmosfæren for at have en afkølende effekt på klimaet, men klimaeffekten er afhængig af partikeltype og miljø, og netto-effekten er forbundet med en betydelig usikkerhed [7, 8]. Der er bred enighed om, at udledninger fra skibsmotorer af særligt SO_x medfører dannelse af partikler, der har en afkølende effekt på klimaet [7, 10, 11].

Fra et helbredsmæssigt perspektiv er det ønskeligt at reducere emissionerne af SO_x fra skibsmotorer, hvilket dog samtidig vil medføre en reduceret menneskabt afkøling af klimaet [12, 13]. En væsentlig pointe i denne sammenhæng er koblet til den relativt korte levetid for partikler i de nedre dele af atmosfæren.

En markant reduktion i udledningerne af SO_x fra skibsmotorer vil over korte tidsskalaer på uger/måneder medføre en mindsket afkøling af klimaet, altså en netto-opvarmning [11, 14].

Omvendt, så vil et umiddelbart stop for menneskelige udledninger af CO₂ først medføre en betydelig klimapåvirkning årtier senere grundet den betydeligt længere ’opholdstid’ for CO₂ i atmosfæren [7], hvilken kan betragtes til at være i størrelsesordenen et århundrede¹.

Sundheds- og miljøeffekter af emissioner fra skibsmotorer

Gasser såsom NO_x, CO, MeOH og CH₂O har forskellige skadelige eller giftige egenskaber for det menneskelige helbred. Andre gasser (fx CH₄) kan udgøre forløbere til sundhedsskadelige gasser (fx ozon). Ydermere er det veldokumenteret, at forhøjede partikelkoncentrationer i atmosfæren påvirker menneskeligt helbred negativt [15].

Emissionerne fra shippingsektoren er særligt bekymrende for helbred, når det kommer til tætbefolkede kystområder nær intensiv skibstrafik [12]. Alle emissionskomponenter, der udsendes som partikler (fx BC) eller forløbere for partikler (fx SO_x), kan i princippet anses for at udgøre en helbredsrisiko for mennesker [15], hvilket fremgår af Tabel 1.

Emissionskomponenter kan desuden have en negativ påvirkning på forskellige miljøer fx via forsuring (fx CO₂, SO_x), eutrofiering (fx NO_x), reaktive planteskadelige komponenter (fx dannelse af ozon) og lign.

Emissioner fra forbrænding af metanol i skibsmotorer kan være en gevinst for miljøet

Der findes kun et begrænset antal videnskabelige studier af emissionskomponenter fra forbrænding af MeOH i skibsmotorer [16-22]. Ydermere, er det typisk en mindre andel af relevante emissionskomponenter, der er blevet målt i forskellige studier (se Tabel 2).

I den højre kolonne af Tabel 1 er forsøgt inkluderet en indikation af forventelige emissionsniveauer for en række komponenter relativt til grænseværdier (SO_x og NO_x) eller relativt til traditionelt anvendte brændsler.

Gennemgående observeres markante reduktioner i emissioner af gasfase såvel som partikulære emissioner, når MeOH anvendes som brændsel i skibsmotorer. Det markante potentiale for mindskede emissioner kan udgøre en betydelig gevinst for luftkvalitet og miljøpåvirkning i områder med omfattende skibstrafik.

De emissioner, der kan være tale om, kan afhænge af motorbelastningen (fx NO_x), af støttebrændsel/smøreolie (fx SO_x og partikler) og forbrændingseffektivitet (fx MeOH og CH₂O). Diskussionen om potentielle udfordringer ved anvendelse af MeOH som brændsel i skibsmotorer kommer i det følgende til at omhandle (i) klimapåvirkning fra emissioner, (ii) NO_x-emissioner og (iii) formaldehyd (CH₂O) emissioner.

Tabel 1: Oversigtstabel med mulige emissionskomponenter fra forbrændingsmotorer anvendt til skibsfart. De tre midterste kolonner indikerer om en given komponent påvirker klima, sundhed og/eller miljø ønskeligt (grøn) og/eller negativt (rød). Der er overlap mellem flere af de inkluderede emissionskomponenter. NMHC er kulbrinter ekskl. metan. PM er partikulær masse. BC er black carbon (sodpartikler). BrC er brown carbon – kulstofholdige brune partikelkomponenter. UFP er ultrafine partikler, hvilke har en diameter mindre end 100 nm. Kolonnen længst til højre indikerer forventelige ændringer i emissioner ved en overgang til forbrænding af MeOH i skibsfarten. Grøn indikerer markante reduktioner i emissioner, gul farve indikerer en mere beskeden eller uklar ændring, mens rød farve indikerer et muligt problem/uændrede emissioner. En oversigt over de citerede emissionsstudier kan ses nedenfor i Tabel 2.

Klimapåvirkning af emissioner fra forbrænding af metanol i skibsmotorer

Når netto-klimapåvirkningen skal opgøres for benyttelse af MeOH som brændstof i skibssektoren, så skal der tages højde for mulige klimabelastninger/-gevinster fra (i) produktionen, (ii) opbevaringen, (iii) transporten, (iv) udslip samt slutteligt (v) emissionerne fra såvel MeOH som støttebrændsel/smøreolie.

En række studier har beskæftiget sig med aspekter af punkterne i-iv [4]. I det følgende fokuseres alene på (v) emissionerne, under antagelse af, at der kan opnås klimaneutralitet for punkterne i-iv ovenfor.

Det fremgår af Tabel 1, at en række emissioner fra skibsfarten (SO_x, NO_x og ikke-lysabsorberende partikler) har en netto-afkølende påvirkning på klimaet. Fra 2020 indførte IMO skærpede krav til lavere svovlindhold i skibsbrændsler fra højst 3,5% til 0,5% udenfor SECA-områder². Den ændring har medført en mindskning i den klima-afkølende effekt af partikler fra shipping-sektoren [11, 14].  

Hvis der i større omfang overgås til MeOH-brændsel, så kan der forventes en yderligere mindskning af den klima-afkølende effekt af partikler fra skibsmotorer. Grundet den relativt korte levetid for aerosol partikler i de nedre lag af atmosfæren, så vil den mindskede afkølende klimaeffekt få en umiddelbar effekt.

Omvendt, så vil mindskede udledninger af drivhusgasser såsom CH₄, CO₂ og N₂O først få betydelige klimaeffekter efter hhv. nogle år (CH₄) eller årtier (CO₂, N₂O) grundet deres længere atmosfæriske levetider.

Mulige tiltag og tidshorisonter for klimarelevante emissionskomponenter

Hvis det antages, at skibsmotorer over en meget kort tidshorisont kunne overgå til forbrænding af klimaneutral MeOH i forhold til drivhusgasudledning, så vil det forventeligt bidrage til en opvarmning af klimaet på tidsskalaer af nogle få år grundet mindre afkøling fra udledte aerosol partikler, mens de ønskede klimaeffekter relateret til mindsket udledning af drivhusgasser vil kunne forventes at få betydning efter nogle årtier.

Der kunne være forskellige tilgange til at modvirke effekten af den forventede opvarmning relateret til en markant reduktion i udledning af partikler fra skibsfart. Det kan være relateret til reduktion af ’kort-livede’³ opvarmende emissionskomponenter såsom BC eller metan.

Hidtil har der tilsyneladende været en opfattelse af, at netto-klimaeffekten af udledte partikler fra skibsfarten har været afkølende [11, 12]. Det vil dog stadig give mening at fokusere særskilt på reduktion af BC-emissioner. Udledningen af metan fra skibsfarten har været i vækst frem mod 2018, hvor udledningerne var 148 kt [3]. Til sammenligning udgjorde de totale menneskeskabte udledninger i omegnen af 360 Mt årligt [23].

Dermed udgjorde bidraget fra skibsfart tilsyneladende mindre end 0,5% af de menneskeskabte udledninger. Så potentialet for mindskning af emissionerne af CH₄ er begrænset, men det vil stadig give mening at reducere netop de udledninger, og det kan et skifte til MeOH, som brændsel muligvis medvirke til.

Et andet fokuspunkt kunne være en reduktion af udledninger af andre kortlivede klimakomponenter, der indirekte har en opvarmende effekt, såsom fx CO eller kulbrinter, der via reaktion med OH øger den atmosfæriske levetid for CH₄. Det forekommer uklart om indfasning af MeOH, som dominerende brændsel markant vil mindske udledningerne af CO, men mht. kulbrinter bør der være et reduktionspotentiale (se Tabel 1).

Potentiale i CO₂-fangst ved brug af metanol som grønt brændsel i skibsmotorer

Over relativt korte tidshorisonter vil en afkølende klimaeffekt kunne opnås, hvis der via indfasning af MeOH kan opnås negative CO₂-udledninger. Dette ville fx kunne opnås via anvendelse af biomasse i produktionsleddet af MeOH [4] samt støttebrændsel/smøreolie i kombination med CO₂-fangst på udvalgte skibe.

Det kan opsummeres, at en større indfasning af MeOH som brændsel i skibsmotorer kan medføre en opvarmning af klimaet over en tidshorisont på nogle få år. Det er en udfordring at kvantificere en sådan effekt præcist, da der er betydelige usikkerheder forbundet med klimapåvirkningen af aerosol partikler.

Det forekommer dog, at reduktioner af andre emissionskomponenter eller parallel fangst og lagring af atmosfærisk CO₂ i det mindste delvist vil kunne modvirke en sandsynlig opvarmende effekt over korte tidshorisonter som nogle få år/årtier.

Over længere tidsskalaer såsom flere årtier forekommer det overvejende sandsynligt, at storskala anvendelse af MeOH i skibsfarten vil kunne få en netto afkølende klimaeffekt forudsat, at alle dele af processen optimeres i forhold til klimaaftryk.

NO_x-emissioner ved anvendelse af metanol som nyt grønt brændsel

Gennemgående indikerer de fleste studier, at anvendelse af MeOH som nyt grønt brændsel i skibsmotorer vil medføre mindskede udledninger af NO_x i forhold til fossile brændsler. I visse sammenhænge bliver emissionerne af NO_x tilstrækkeligt små, til at IMO’s grænseværdi for emissions kontrol-områder (TIER III) overholdes, men det kan for en given motor afhænge af belastningen/operationen [16, 17, 19, 20, 22].

Der findes en række teknologier til at reducere emissioner af NO_x markant. Der kan (i) blandes vand i metanolen [17, 20], (ii) anvendes katalysator såsom SCR (Selective Catalytic Reduction) eller (iii) EGR (Exhaust Gas Recirculation) eller tilsvarende. Så NO_x emissionerne bør kunne bringes så langt ned, som det er ønskeligt mht. helbreds- og miljøeffekter.

Emissioner af formaldehyd ved anvendelse af metanol som brændsel

Der har både været rapporteret meget lave [16, 18] såvel som markante emissioner af formaldehyd (CH₂O) ved forbrænding af MeOH i skibsmotorer [19]. Emissionerne vil være mest udtalte for motorer med ufuldstændig forbrænding – enten fordi de ikke er optimalt designet eller opereret optimalt. Mulige emissioner af CH₂O bør derfor undersøges for forskellige motorbelastninger.  

Der findes teknologiske løsninger (katalysatorer) til at mindske emissioner af formaldehyd, så sådanne emissioner behøver ikke nødvendigvis at diskvalificere hverken MeOH som brændstof eller en given motor til at overgå til forbrænding af MeOH.

Det kan dog konstateres, at der generelt bør tilstræbes så vidt muligt en fuldstændig forbrænding i motorer – så optimeret motorteknologi bør over tid alene kunne løse eventuelle problemer med emissioner af formaldehyd.

Metanol har forventeligt positive effekter på klimaet på sigt

Ved at anvende MeOH som nyt grønt brændsel i stor skala i skibsmotorer kan forventes markante reduktioner af adskillige gasfase og partikelfase komponenter. Der kan dermed forventes markante helbredsmæssige og miljømæssige gevinster.

Et sådant tiltag kan dog risikere isoleret set at bidrage til den globale opvarmning over tidsskalaer op til få årtier, selv hvis der samlet set kan opnås klimaneutralitet for produktion, opbevaring, transport, udslip og forbrænding af MeOH.

Dette skyldes, at skibsfarten hidtil i stort omfang har udledt kortlivede aerosol partikler, der har en afkølende effekt på klimaet. Over længere tidshorisonter bør indfasning af metanol kunne bidrage til en mindskning i drivhuseffekten og dermed en afkølende effekt på klimaet.

¹CO₂ udveksles løbende mellem atmosfæren og biosfæren/oceanerne hvilket komplicerer et meningsfuldt estimat af levetiden for atmosfærisk CO₂. Det vurderes, at det tager op mod et årtusinde før end CO₂-koncentrationen i atmosfæren naturligt aftager til præindustrielt niveau givet at samtlige CO₂-udledninger umiddelbart bringes til nul [24].

²Sulfur Emission Control Areas (SECA) er underlagt strengere krav til lavt svovlindhold i skibsbrændsler, og de ligger typisk nær befolkede kyststrækninger så alle danske farvande er fx omfattet.

³Almindeligvis anses klimakomponenter med en atmosfærisk levetid på under 20 år for at tilhøre ’short-lived climate forcers (SLCF) [7]

Referencer

[1] IMO, "https://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/Cutting-GHG-emissions.aspx," 2023. [Online].

[2] Liu et al., "A Perspective on the Ovararching Role of Hydrogen, Ammonia, and Methanol Carbon-Neutral Fuels towards Net Zero Emission in the Next Three Decades," Energies, vol. 16, 2023.  

[3] Faber et al., "Fourth IMO GHG Study 2020," IMO, 2021.

[4] Kajaste et al., "Methanol-Managing greenhouse gas emissions in the production chain by optimizing the resource base," AIMS Energy, vol. 6, 2018.

[5] Bates et al., "The Global Budget of Atmospheric Methanol: New Constraints on Secondary, Oceanic, and Terrestrial Sources," J. Geophys.. Res.: Atmos, vol. 126, 2021.

[6] Millet et al., "New constraints on terrestrial and oceanic sources of atmospheric methanol," Atmos. Chem. Phys., vol. 8, 2008.

[7] Szopa et al., "Short-Lived Climate Forcers. In Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change," 2021.

[8] Li et al., "Scattering and absorbing aerosols in the climate system," Nature Reviews Earth and Environment, vol. 3, 2022.

[9] Meredith et al., "Polar regions. chapter 3, ipcc special report on the ocean and cryosphere in a changing climate," 2019.

[10] Diamond et al., "Substantial Cloud Brightening from Shipping in Subtropical Low Clouds," AGU Advances, vol. 1, 2020.

[11] Watson-Paris et al., "Shipping regulations lead to large reduction in cloud perturbations," PNAS, vol. 119, 2022.

[12] Sofiev et al., "Cleaner fuels for ships provide public health benefits with climate tradeoffs," Nature Communcations, vol. 9, 2018.

[13] Bilsback et al., "Beyond SOx reductions from shipping: assessing the impact of NOx and carbonaceous-particle controls on human health and climate," Environ. Res. Lett., vol. 15, 2020.

[14] Yuan et al., "Global reduction in ship-tracks from sulfur regulations for shipping fuel," Science Advances, vol. 8, 2022.

[15] WHO, "WHO Air Quality Guidelines," 2021.

[16] Aakko-Saksa et al, "Renewable Methanol with Ignition Improver Additive for Diesel," Energy & Fuels, vol. 34, 2020.

[17] Dierickx et al., "Performance and emissions of a high-speed marine dual-fuel engine operating with methanol-water blends as a fuel," Fuel, vol. 333, 2023.

[18] Fridell et al., "Measurements of Emissions to Air from a Marine Engine," Journal of Marine Science and Application, vol. 20, 2021.

[19] Güdden et al., "An experimental study on methanol as a fuel in large bore high speed," Fuel, vol. 303, 2021.

[20] MAN Energy Solutions, "The Methanol fuelled MAN B&W LGIM Engine," MAN Energy Solutions, 2021.  

[21] Wang et al., "Investigation to meet China II emission legislation for marine diesel engine with diesel methanol compound combustion technology," Jurnal of Environmental Science, vol. 96, 2020.

[22] Zincir et al., "Investigation of Environmental, Operational and Economic Performance of Methanol," Journal of Cleaner Production, vol. 235, 2019.

[23] Saunois et al., "The Global Methane Budget 2000-2017," Earth Syst. Sci. Data, vol. 12, 2020.

[24] Seinfeld & Pandis, Atmospheric Chemistry and Physics. From Air Pollution to Climate Change, 2006.