[en] DECARBONIZATION IN MARITIME TRANSPORT: POTENTIAL OF AMMONIA IN DUAL-FUEL ENGINES

[pt] DESCARBONIZAÇÃO NO TRANSPORTE MARÍTIMO: POTENCIAL DA AMÔNIA EM MOTORES DUAL-FUEL

[pt] LUCAS ALVES MARCANO

[pt] ANALISE MULTICRITERIO

[pt] DESEMPENHO

[pt] INJECAO DIRETA DE ALTA PRESSAO

[pt] EMISSAO DE CO2

[pt] MOTOR DE IGNICAO POR COMPRESSAO

[pt] SIMULACAO CFD

[en] MULTICRITERIA ANALYZES

[en] PERFORMANCE

[en] HIGH PRESSURE DIRECT INJECTION

[en] CO2 EMISSION

[en] COMPRESSION IGNITION ENGINE

[en] CFD SIMULATION

[pt] O transporte marítimo, responsável por cerca de 3 por cento das emissões globais de CO2, enfrenta crescente pressão para descarbonização. Nesse cenário, a amônia verde emerge como uma alternativa promissora para substituir os combustíveis fósseis em motores marítimos, especialmente em configurações dual-fuel. Este trabalho realiza uma revisão bibliográfica, incluindo o levantamento do estado da arte sobre as rotas de produção da amônia verde, suas características físico-químicas, os impactos técnicos e econômicos, os aspectos ambientais e os desafios regulatórios associados. Além disso, o levantamento identificou o potencial da amônia verde como combustível marítimo, bem como os principais gargalos para sua adoção em larga escala. Adicionalmente, investiga-se o desempenho termodinâmico e ambiental da operação de um motor marítimo de ignição por compressão, modelado com base em um motor MWM de médio porte, com razão de compressão de 16,8, operando a 1700 RPM e potência nominal de 150 hp. O estudo considera a utilização de injeção direta de alta pressão de amônia (650 bar, 1000 bar e 1350 bar), combinada com injeção piloto de diesel a 1317 bar. As análises tridimensionais foram realizadas no software CONVERGE CFD, focando em parâmetros críticos como atraso de ignição, taxa de liberação de calor (HRR), eficiência térmica e emissões equivalentes de CO2 em um horizonte de 100 anos (CO2-eq (100y)), considerando diferentes AEF, pressões de injeção e momentos de injeção do diesel piloto (SODI). Os resultados mostram que, para 50 por cento de carga, foi possível operar com AEF de até 62,5 por cento sem comprometer a estabilidade da combustão, mantendo a eficiência térmica equivalente à do diesel puro (cerca de 48,8 por cento) e reduzindo as emissões de CO2-eq em aproximadamente 11 por cento. Em regimes de carga elevada (75 por cento e 100 por cento), foram observadas eficiências térmicas superiores às do diesel puro, com ganhos de 0,9 a 3,1 pontos percentuais, e reduções de até 83 por cento nas emissões de CO2-eq. Por outro lado, em condições de baixa carga (25 por cento), a substituição de diesel por amônia não se mostrou vantajosa, resultando em menores eficiências térmicas e emissões superiores às do diesel puro, sobretudo por óxidos de nitrogênio (NOx), assim como o N2O. Esses resultados evidenciam o elevado potencial da amônia verde como combustível marítimo para a descarbonização do setor, especialmente sob condições operacionais otimizadas.

[en] Maritime transport, responsible for approximately 3 percent of global CO2 emissions, faces increasing pressure to decarbonize. In this context, green ammonia emerges as a promising alternative to replace fossil fuels in maritime engines, particularly in dual-fuel configurations. This work presents a literature review, including a state-of-the-art survey on green ammonia production routes, its physicochemical properties, technical and economic impacts, environmental aspects, and associated regulatory challenges. Furthermore, the survey identified the potential of green ammonia as a maritime fuel, as well as the main bottlenecks for its large-scale adoption. Additionally, the thermodynamic and environmental performance of a maritime compression-ignition engine is investigated, modeled based on a medium-sized MWM engine with a compression ratio of 16.8, operating at 1700 RPM and a nominal power output of 150 hp. The study considers the use of high-pressure direct injection of ammonia (650 bar, 1000 bar, and 1350 bar), combined with pilot diesel injection at 1317 bar. Three-dimensional analyses were performed using the CONVERGE CFD software, focusing on critical parameters such as ignition delay, heat release rate (HRR), thermal efficiency, and 100-year horizon equivalent CO2 emissions (CO2-eq (100y)), considering different AEF, injection pressures, and start of diesel injection (SODI) timings. The results show that at 50 percent load, it was possible to operate with AEF of up to 62.5 percent without compromising combustion stability, maintaining thermal efficiency equivalent to pure diesel operation (approximately 48.8 percent) and reducing CO2-eq emissions by around 11 percent. Under high load conditions (75 percent and 100 percent), higher thermal efficiencies than those of pure diesel were observed, with gains ranging from 0.9 to 3.1 percentage points, and reductions of up to 83 percent in CO2-eq emissions. On the other hand, under low load conditions (25 percent), the substitution of diesel by ammonia proved disadvantageous, resulting in lower thermal efficiencies and higher emissions compared to pure diesel, mainly due to nitrogen oxides (NOx) and N2O. These results highlight the high potential of green ammonia as a maritime fuel for the decarbonization of the sector, particularly under optimized operating conditions.

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

EPIFANIO MAMANI TICONA

SERGIO LEAL BRAGA

EPIFANIO MAMANI TICONA

FLORIAN ALAIN YANNICK PRADELLE

ALBINO JOSE KALAB LEIROZ

ELI EBER BATISTA GOMES

2025-09-09

2025-05-19

[pt] TEXTO

application/pdf

PORTUGUÊS

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=72827@1

https://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/colecao.php?strSecao=resultado&nrSeq=72827@2

https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.72827