L’ammoniaca come combustibile navale

Tutti noi conosciamo l’ammoniaca come un liquido, fortemente detergente, per impiego domestico, caratterizzata da un’elevata pericolosità in quanto basica (e quindi reattiva e corrosiva in presenza di ossigeno, pertanto anche in atmosfera), irritante, tossica e ustionante a contatto con la pelle. In realtà l’ammoniaca (formula chimica NH3, conosciuta anche con il nome scientifico triidruro di azoto) è, a temperatura e pressione ambiente, un gas infiammabile, incolore, dal caratteristico odore pungente. Il liquido commercializzato per uso domestico è una soluzione di ammoniaca con acqua; si tratta, infatti, di un gas molto solubile, che reagisce con acqua secondo la reazione NH3 + H2O = NH4 + + HO.

Oltre che per gli usi domestici, l’ammoniaca è impiegata in ambito industriale, come la produzione di acido nitrico, base per fertilizzanti agricoli, intermedio nella sintesi del bicarbonato di sodio, componente per

Ammiraglio ispettore del Genio Marina proveniente dal Genio Navale, dopo aver terminato il servizio attivo nel 2017 come Direttore del CISAM di Pisa, è attualmente nella posizione di ausiliaria. È entrato nell’Accademia navale di Livorno nel 1975 e ha conseguito con lode la laurea in Ingegneria navale e meccanica presso l’Università degli Studi di Genova. Collabora con varie riviste, e in particolare con la Rivista Marittima dal 1992; dal 2006 cura la rubrica Scienza e tecnica. È Fellow della Royal Institution of Naval Architects e Presidente della Sezione della Spezia dell’ATENA (Associazione di Tecnica Navale).

vernici, fluido refrigerante nell’industria del freddo dove è indicata con la sigla R-717, per la produzione di esplosivi, per la produzione di nylon e fibre sintetiche, per la produzione di materie plastiche e polimeri, come solvente. Nell’industria cartaria come sbiancante, nell’industria della gomma, nelle tinture per capelli, in metallurgia per ottenere atmosfere riducenti, nella produzione di sigarette, in quanto l’ammoniaca velocizza il procedimento di assunzione della nicotina da parte dei recettori del cervello, nella lavorazione di carne per hamburger, per sterilizzarla dal batterio E. Coli, nella combustione, in soluzione acquosa al 25% per ragioni di sicurezza, come reagente per il controllo degli ossidi di azoto (NOx).

Nel prossimo futuro si prospetta un nuovo impiego dell’ammoniaca, come combustibile navale, grazie alle sue caratteristiche «verdi», in particolare se per la sua produzione viene impiegato idrogeno ottenuto a sua volta con metodologie «verdi». L’impiego di ammoniaca come combustibile è una delle tecnologie individuate per realizzare ed esercire commercialmente, in tempi abbastanza brevi, le navi prive di emissioni dannose per l’ambiente, chiamate ZEV (Zero Emission Vessels, unità navali a emissioni nulle). In effetti, i primi esperimenti di motori a combustione interna alimentati ad ammoniaca (per propulsione di automezzi) risalgono agli anni Trenta del ‘900 in Italia e la prima applicazione pratica (per la propulsione di autobus) agli anni Quaranta in Belgio, ma finora una serie di problemi ne hanno impedito la diffusione.

Sulla base degli obiettivi stabiliti dall’Assemblea generale delle Nazioni unite in materia di protezione ambientale e soprattutto di lotta al cambiamento climatico, l’IMO (International Maritime Organization), l’Organizzazione internazionale responsabile, nell’ambito delle Nazioni unite, della regolamentazione relativa alle navi mercantili in trasporto internazionale, ha sviluppato una strategia nei confronti dei gas a effetto serra, chiamata GHG strategy (GreenHouse Gas, gas a effetto

serra), che prevede come obiettivo minimo una riduzione delle emissioni di gas a effetto serra del 50% nel 2050 rispetto alle emissioni del 2008, ma con la possibilità di arrivare, se tecnicamente possibile, all’eliminazione completa delle emissioni già nello stesso 2050. Per raggiungere questo obiettivo, considerando che la vita media di una nave mercantile è di almeno 20-30 anni, occorrerà che le prime navi senza emissioni entrino in servizio attorno al 2030.

Il recente studio Zero-Emission Vessels 2030: How do we get there?, prodotto dalla società di classifica britannica Lloyd’s Register (LR), in collaborazione con la società di consulenza UMAS (University Maritime Advisory Service) ha identificato sette possibili nuove tecnologie di propulsione a impatto ambientale nullo, cioè idonee per gli ZEV. Queste tecnologie sono: la propulsione elettrica a batterie, la propulsione ibrida elettrica e a idrogeno, le celle combustibile a idrogeno, i motori a combustione interna (ICE, Internal Combustion Engines) a idrogeno, le celle combustibile ad ammoniaca, i motori a combustione interna ad ammoniaca e i bio-

La nave per supporto a piattaforme offshore (OSV) VIKING ENERGY,

combustibili. Secondo lo studio, la soluzione che prevede l’impiego di ammoniaca come combustibile si classifica al secondo posto come rendimento globale, dopo i biocombustibili e prima dell’idrogeno.

Nell’immediato, le celle a combustibile alimentate ad ammoniaca (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), che in teoria consentirebbero rendimenti elevati, presentano ancora delle criticità nella densità energetica e nella capacità di reagire a variazioni di carico, per cui la loro applicazione pratica appare bisognosa di investimenti e più lontana nel tempo rispetto ai motori a combustione interna, che sfruttano alcune tecnologie comuni con i motori alimentati a gas naturale o a idrogeno. Anche per i motori comunque devono essere effettuati investimenti per l’impiego su scala industriale di alcune tecnologie, come le tecnologie di immagazzinamento dell’ammoniaca, l’alimentazione «dual fuel» ad ammoniaca e i sistemi di propulsione in emergenza mediante combustibile liquido.

L’ammoniaca ha una bassa infiammabilità, il che è positivo per la sicurezza, ma rende necessario, per l’impiego nei motori a combustione interna, l’aggiunta di una piccola frazione di un altro combustibile più infiammabile che faciliti l’innesco della combustione (come l’idrogeno o un combustibile basato su idrocarburi); i motori ad ammoniaca sono quindi sempre motori dual fuel. Dal punto di vista della conservazione a bordo, l’ammoniaca a pressione ambiente è liquida a temperature inferiori a -33°C, quindi richiede tecnologie criogeniche molto meno spinte del GNL (gas naturale liquefatto, che a pressione ambiente è liquido sotto -162°C) o dell’idrogeno (-253°C). È anche possibile conservare l’ammoniaca allo stato liquido a temperatura ambiente con pressione dell’ordine dei 10-20 bar. Il contenuto energetico per unità di volume dell’ammoniaca è intermedio tra quello dell’idrogeno e del metanolo; le dimensioni dei serbatoi richiesti sono superiori a quelle necessarie impiegando GNL, metanolo, etanolo o gasolio, ma inferiori a quelle necessarie impiegando idrogeno.

Nei primi decenni del 900 il chimico italiano Luigi Casale aveva realizzato a Terni il primo impianto di produzione di ammoniaca al di fuori della Germania (società Ammonia Casale), ideando metodologie di produzione più efficienti di quelle tedesche. Oggi l’ammoniaca viene sintetizzata da idrogeno e azoto secondo la reazione diretta in fase gassosa: 3H2 + N2 = 2NH3, svolta in presenza di catalizzatori a base di osmio, rutenio, uranio o, più generalmente, ferro. Il principale metodo utilizzato è il processo HaberBosch, nel quale la reazione avviene a pressione di 20 MPa (circa 200 atm) e temperatura di 400-500 °C. Il primo produttore mondiale è oggi la Cina, seguita da India, Russia e Stati Uniti. Tra i paesi dell’Unione europea, i primi produttori sono Germania, Francia, Italia e Polonia. In Italia è attivo oggi solo uno stabilimento a Ferrara, di proprietà della norvegese Yara (già Norske Hydro), che produce ammoniaca e urea a partire da azoto atmosferico e gas naturale, passando attraverso la produzione di idrogeno. L’ammoniaca impiegata come com-

(greenhouse gases) prevede due diversi obiettivi per l’anno 2050: un obiettivo minimo di riduzione

serra da parte delle navi mercantili (Zero-Emission Vessels: Transition Pathways, disponibile sul

bustibile non produce anidride carbonica, in quanto la sua molecola non contiene carbonio; la reazione complessiva della combustione dell’ammoniaca infatti è 4NH3+ 3O2 →2N2+ 6H2O, per cui si ottengono solo azoto e vapore acqueo, entrambi gas innocui. In realtà, però, occorre tenere conto anche del ciclo produttivo dell’ammoniaca, che richiede l’impiego di idrogeno. Oggi l’idrogeno è ottenuto principalmente a partire da combustibili fossili (principalmente attraverso il reforming del metano) e i suoi processi produttivi producono gas a effetto serra; quindi sia l’idrogeno, sia l’ammoniaca prodotti non possono essere considerati combustibili «neutri» riguardo l’ambiente. Per poter considerare l’ammoniaca un combustibile verde occorre che l’idrogeno impiegato sia ottenuto Le principali proprietà di alcuni combustibili alternativi per impiego navale, tra cui l’ammoniaca (g.c. MAN energy solutions). In alto: i risultati degli studi sulla redditività di diversi combustibili a zero emissioni con metodologie «verdi», come compiuti dalla società di classifica britannica Lloyd’s Register, in collaborazione con la società di consulenza UMAS (University Maritime Advisory Service) mostrano che la soluzione con l’impiego dei biocombustibili per esempio per elettrolisi del- in sostituzione dei tradizionali combustibili fossili è quella che presenta il rendimento maggiore, mentre la soluzione elettrica a batterie è quella a rendimento più basso. Subito dopo i biocombustibili, si classificano l’acqua, impiegando energia elettrica ottenuta con fonti le soluzioni che prevedono l’impiego di ammoniaca come combustibile, seguite da quelle che prevedono l’impiego di idrogeno (Zero-Emission Vessels: Transition Pathways, disponibile sul sito internet del Lloyd’s Register, http://info.lr.org/ZEV-transition-pathways). rinnovabili (come il solare o l’eolico); anche l’impiego di energia ottenuta tramite impianti dride carbonica, che costerebbe circa il triplo del GNL e nucleari non produce gas serra, ma occorre valutare l’im- assicurerebbe emissioni ridotte, ma non nulle. Di consepatto sull’ambiente dei rifiuti radioattivi che questo tipo guenza, dal punto di vista economico, l’adozione di imdi impianti inevitabilmente genera. Il costo dell’ammo- pianti di propulsione navale funzionanti ad ammoniaca niaca oggi non è competitivo con i combustibili tradizio- è ipotizzabile solo in presenza di forti incentivi o di forte nali; come ordine di grandezza, l’ammoniaca prodotta tassazione delle emissioni di gas serra. Inoltre, la comcon metodi tradizionali costa il doppio del GNL (e pro- bustione dell’ammoniaca in condizioni reali può portare duce emissioni, calcolate includendo il ciclo di produ- alla produzione di inquinanti a base di azoto, come gli zione, doppie rispetto allo stesso GNL); l’ammoniaca ossidi di azoto, oltre che di una certa percentuale della «verde», ottenuta partendo da elettricità da fonti rinno- stessa ammoniaca che non viene bruciata; è quindi prevabili e acqua, costa circa quattro volte il GNL. Una pos- vedibile che, per rispettare i più stringenti limiti delle sibile soluzione intermedia è la cosiddetta «ammoniaca nuove normative IMO, sia necessario l’impiego di catablu», prodotta con metodologia tradizionale (reforming lizzatori tipo SCR (Selective Catalythic Reduction), con del metano), ma applicando tecnologie di cattura dell’ani- ulteriori aumenti di costi e di ingombri a bordo.

ad ammoniaca. Secondo Niels de Vries, Lead Naval Architect dello studio

combustibile tipo SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), che però presentano

Sono già stati lanciati alcuni progetti per la realizzazione di navi con propulsione mediante motori a combustione interna ad ammoniaca. In particolare il leader mondiale nella produzione di motori a 2 tempi per impiego navale, Man Energy Solutions, ritiene di poter adattare molti dei propri motori per l’impiego con ammoniaca, sia in fase di costruzione, sia come modifica di motori (e di navi) già esistenti. Parte della tecnologia necessaria per alimentare un motore con ammoniaca, come per esempio il sistema di iniezione del gas nei cilindri, è uguale o molto simile a quella sviluppata per l’alimentazione a gas naturale. Il gruppo MAN prevede che, in presenza di un mercato che giustifichi gli investimenti, possa essere adattato per bruciare ammoniaca il motore a 2 tempi ME-LGIP, concepito per funzionare a GPL (gas di petrolio liquefatto), opportunamente modificato per tenere conto delle diverse caratteristiche dell’ammoniaca rispetto al GPL, sia per quanto riguarda i rischi, sia per l’infiammabilità. Per quanto riguarda i retrofit, secondo MAN tutti i motori della serie ME-C possono essere modificati per impiegare l’ammoniaca come combustibile. All’inizio del 2020 è stato firmato un accordo tra l’armatore malesiano MISC Berhad, il cantiere coreano Samsung Heavy Industries (SHI), la società di classifica Lloyd’s Register e MAN Energy Solutions per lo studio del progetto di una petroliera alimentata ad ammoniaca.

Anche il grande gruppo motoristico Wartsila è impegnato nello sviluppo di sistemi di propulsione navale ad ammoniaca, basati su motori a quattro tempi. Un programma di ricerca in questo settore, finanziato dal governo norvegese nell’ambito del progetto DEMO 2000, prevede che le prove inizino nel primo trimestre del 2021 a Stord, in Norvegia. Inoltre, nell’ambito del progetto di ricerca europeo ShipFC, Wartsila sta anche sviluppando il sistema di immagazzinamento e alimentazione di ammoniaca per l’OSV Viking Energy dell’armatore Eidesvik, con l’obiettivo di avere l’impianto, basato su celle a combustibile alimentate ad ammoniaca, pronto nel 2023, facendo quindi di Viking Energy la prima nave carbon-free con propulsione basata sull’ammoniaca. Il progetto prevede che venga impiegata ammoniaca «verde» prodotta in Norvegia dalla società Yara. Il Viking Energy è stato, nel 2003, il primo OSV alimentato a GNL, ed è attualmente dotato di una propulsione ibrida con batterie. Dal punto di vista della sicurezza per gli esseri umani, il contatto e l’inalazione di ammoniaca può portare a bruciature e asfissia; fortunatamente il forte odore sgradevole viene avvertito a livelli di concentrazione molto inferiori a quelli di effettivo

dell’IMO, dovrà nel futuro ridurre notevolmente la quantità di GHG che immette in atmosfera. Per raggiungere questo obiettivo sarà probabilmente necessario adottare nuovi combustibili, come l’idrogeno, i biocombustibili, gli alcol (etanolo e metanolo) e l’ammoniaca, assicurandosi che nella loro catena produttiva venga impiegata solo energia «puImmagine artistica dell’apparato motore e dei serbatoi di ammoniaca di una nave per il trasporto di ammoniaca e con propulsione ad ammoniaca (g.c. C-Job-Naval-Architects). lita», cioè che non produce GHG. L’ammoniaca è un prodotto chimico già oggi ampiamente disponibile, prodotto e distribuito in grandi quantità, principalmente per l’impiego nella produzione di fertilizzanti. L’ammoniaca «verde» oggi non è economicamente competitiva, ma l’introduzione di pesanti tasse sul quantitativo di GHG generato dalle navi potrebbe renderla tale. Un possibile cronoprogramma per lo sviluppo di un motore MAN ad ammoniaca, basato sull’ipotesi di inizio delle attività nell’anno 2020 (g.c. MAN energy solutions). L’industria motoristica e navale è oggi, dal punto di vista tecnico, pronta per realizzare, pericolo, fornendo quindi un importante segnale d’al- nel giro di pochi anni, navi con propulsione ad ammolarme; infatti il livello a cui si percepisce l’odore è tra niaca, nel breve termine con motori a combustione in0,04 e 20 ppm (parti per milione), mentre il livello di pe- terna e nel medio termine con celle a combustibile. ricolo immediato per la salute (IDLH, Immediately Dan- Naturalmente prima dell’adozione a bordo di questo gerous to Life or Health) è di 300 ppm e la dose letale è nuovo combustibile andranno affrontati gli aspetti della di oltre 1.000 ppm per 10-30 minuti. sicurezza (probabilmente con una norma internazionale

In conclusione, l’industria armatoriale, sulla base ad hoc), della logistica e dell’addestramento specifico della regolamentazione emanata e in fase di emanazione degli equipaggi. 8

Zero-Emission Vessels: Transition Pathways, disponibile sul sito internet del Lloyd’s Register all’indirizzo http://info.lr.org/ZEV-transition-pathways. Zero-Emission Vessels 2030: How do we get there?, disponibile sul sito internet del Lloyd’s Register all’indirizzo https://lr.org/en/insights/articles/zev-report-article. Safety considerations for the use of zero-carbon fuels and technologies, dal sito lr.org Fuel production cost estimates and assumptions, dal sito www.lr.org. DNV-GL: Energy Transition Outlook 2020, dal sito https://eto.dnv.com/2020/#ETO2019-top. MAN energy solutions, man-es.com. C-Job-Naval-Architect, c-job.com. Wartsila, wartsila.com. Ammonia Energy Association, ammoniaenergy.org. IMO, imo.org.