Feasibility study of methanol as fuel in medium speed engines

Climate change is currently a huge global problem and a threat to humanity. A significant factor in the climate change is the increase in the amount of greenhouse gases, especially carbon dioxide, in the atmosphere. The International Maritime Organization (IMO) is committed to reducing greenhouse gas emissions by 50 % from 2008 levels by 2050. This means that new, low-carbon or zero-carbon fuels must be found in the maritime sector to replace the traditionally used fossil hydrocarbon fuels. In order to achieve the goal set by the IMO, new fuel solutions must be developed. One of these alternative fuels is carbon-neutral methanol. Although methanol also is a hydrocarbon, it is classified as a carbon-neutral fuel if it is produced from recovered carbon dioxide and the electricity used in the production process is generated by renewable energy. When burned in this way, no CO2 emissions are calculated for it. However, the weakness of methanol is its low heating value per mass and the fact that its properties as such are not suitable as fuel for a diesel engine. The work focused on the decomposition of methanol by steam reforming. In steam reforming, methanol is decomposed into hydrogen and carbon dioxide, but decomposition reactions typically also produce small amounts of carbon monoxide. The basic idea of steam reforming methanol is that the heating value of the gas produced by the reactions is higher than that of the starting material, i.e., methanol and steam. However, the decomposition reactions of methanol are endothermic, i.e., they absorb thermal energy. The target is that the heat required for the reactions can be covered by the thermal energy from the engine exhaust. Using another external heat source would reduce the efficiency of the process. In particular, the lack of a suitable catalyst for a reforming process such as that designed in this thesis was a challenge in the research. In addition, the fuel gas produced by the reforming does not meet the manufacturer's minimum requirements in terms of heating value, so that the gas cannot be used alone as fuel, but requires, for example, natural gas to be used in parallel. For this reason, the share of fuel gas produced by the reforming in the energy used by the engine and thus also the targeted reduction in CO2 emissions remained quite small in the case study. However, the heat energy that can be recovered from the exhaust gases was then sufficient to cover the heat input required for the process.Ilmastonmuutos on tällä hetkellä valtava globaali ongelma ja uhka ihmiskunnalle. Merkittävä ilmastonmuutoksen aiheuttaja on kasvihuonekaasujen, erityisesti hiilidioksidin määrän lisääntyminen ilmakehässä. Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO) on sitoutunut vähentämään kasvihuonekaasupäästöjä 50 % vuoden 2008 tasosta vuoteen 2050 mennessä. Merenkulkuun tulee sen vuoksi löytää uusia, vähemmän hiilidioksidipäästöjä aiheuttavia polttoaineita perinteisesti käytettyjen fossiilisten hiilivetypolttoaineiden eli polttoöljyjen tilalle. IMO:n asettaman tavoitteen saavuttamiseksi, tulee kehittää uusia polttoaineratkaisuja. Yksi näistä vaihtoehtoisista polttoaineista on hiilineutraali metanoli. Vaikka metanoli on myös hiilivety, se luokitellaan hiilineutraaliksi polttoaineeksi, mikäli se valmistetaan talteenotetusta hiilidioksidista ja valmistusprosessiin käytetty sähkö on tuotettu uusiutuvilla energialähteillä. Näin tuotetulle metanolille ei laskennallisesti määritetä lainkaan hiilidioksidipäästöjä. Metanolin huono puoli on kuitenkin pieni lämpöarvo sekä se, ettei se ominaisuuksiltaan sovellu sellaisenaan perinteisen dieselmoottorin polttoaineeksi. Työ keskittyi metanolin hajottamiseen höyryreformoinnilla. Höyryreformoinnissa metanoli hajoaa vedyksi ja hiilidioksidiksi, mutta hajoamisreaktioissa syntyy yleensä myös pieniä määriä hiilimonoksidia. Metanolin höyryreformoinnin perusajatuksena on se, että reaktioiden kautta syntyvän kaasun lämpöarvo on suurempi kuin lähtöaineiden, eli metanolin ja vesihöyryn. Metanolin hajoamisreaktiot ovat kuitenkin endotermisiä, eli lämpöä sitovia. Tarkoituksena on, että reaktioiden tarvitsema lämpö voidaan kattaa moottorin pakokaasuista saatavalla lämpöenergialla. Muun ulkoisen lämmönlähteen käyttäminen huonontaisi prosessin hyötysuhdetta. Tutkimusta tehdessä haasteeksi nousi erityisesti se, ettei suunnitellun kaltaiseen reformointiprosessiin ole toistaiseksi saatavilla soveltuvaa katalyyttia. Reformoinnilla tuotetun polttoainekaasun lämpöarvo ei myöskään täytä valmistajan minimivaatimusta, joten kaasua ei voida käyttää yksin moottorin polttoaineena, vaan se vaatii rinnalleen esimerkiksi maakaasun. Tästä syystä reformoinnilla tuotetun polttoainekaasun osuus moottorin käyttämästä energiasta ja myös tavoiteltu hiilidioksidipäästönvähennys jäivät tapaustutkimuksessa varsin vähäisiksi. Pakokaasuista hyödynnettävissä oleva lämpöenergia riitti kuitenkin hyvin kattamaan prosessin vaatiman lämpötehon