Experimental study on ignition characteristics of hydrothermal liquefaction (HTL) derived biofuels in single- and dual-fuel configurations with ammonia

Abstract

I 2022 var de globale klimagassutslippene 53,8 Gt karbondioksid-ekvivalenter, som er det høyeste nivået som er registrert hittil [2]. Den maritime sektoren var ansvarlig for 2,9% av de totale klimagassutslippene i 2019 [3], og for å redusere utslippene fra sektoren satte Maritime International Organization (IMO) et mål for bransjen om å nå netto nullutslipp innen år 2050 [3]. Siden utslipp fra forbrenning av marint brensel er hoved bidragsyteren til utslippet, forskes det på nye, alternative løsninger. En potensiell netto nullutslippskandidat er bruk av ammoniakk som hydrogenbærer [4]. På grunn av ammoniakks dårlige tennegenskaper er imidlertid forbrenning med ren ammoniakk utfordrende [4], og en løsning på dette problemet er å bruke et høy-cetan drivstoff som pilot i en dual-fuel motor [4]. For å gjøre denne løsningen til nullutslippsløsning, kan høy-cetan biodrivstoff brukes som pilot. Tradisjonell pilot biodrivstoff er imidlertid ofte basert på råstoff fra landbruksprodukter og er derfor ikke bærekraftig [5]. Andregenerasjons biodrivstoff utforskes, og bioråolje kan lages gjennom ‘hydrothermal liquefaction’ (HTL)-prosessen som bruker ulike typer avfallsstrømmer som råmateriale [6]. Denne oppgaven vil teste tre HTL-biodrivstoff basert på kommunalt avløp som råstoff. De tre HTL-drivstoffene raffineres, prosesseres til forskjellig nivåer og er i denne oppgaven kalt Fuel A, Fuel B og Fuel C. Fuel A har gjennomgått behandling med hydrogen og destillasjon, Fuel B har vært gjennom en sekundær hydrogenbehandling med en nikkelmolybden-katalysator før destillasjon, og Fuel C har vært gjennom sekundær hydrogenbehandling med en kobolt-molybden-katalysator før destillasjon. Alle tre drivstoffene er fra dieselfraksjonen etter destillasjon.

Denne oppgaven vil teste eksperimentelt de tre biodrivstoffene i enkelt- og to-fuel-modus med ammoniakk. Resultatene vil bli sammenlignet med heptan, brukt som erstatning for diesel. Eksperimentene vil bli utført med et modifisert forbrenningskammer med konstant volum fra FuelTech. Det målte forbrenningstrykket i kammeret vil bli analysert og brukt til å beregne følgende forbrenningsegenskaper: ‘heat release rate’, ‘ignition delay’, og ‘thermal efficiency’ (termisk virkningsgrad).

Fra enkeltdrivstoff resultatene er de fleste av forbrenningsegenskapene til de tre HTL-drivstoffene like sammenlignet med heptan, bortsett fra ‘ignition delay’, som er betydelig kortere for de tre HTL-drivstoffene enn heptan. Basert på resultatet av de beregnede tennegenskapene, fremkommer det tydelig at HTLdrivstoffet presterte bedre enn heptan. Av de fire testede forholdene (ulik injeksjonstid i to-fuel konfigurasjon) kan det konkluderes med at det å ha en relativ injeksjonstid mellom ammoniakk og pilot på 2,5 ms var det mest fordelaktige for det eksperimentelle oppsettet som ble brukt i denne oppgaven. Basert på den termiske virkningsgraden (‘thermal efficiency’) beregnet for denne konfigurasjonen, ga Fuel C bedre resultater enn Fuel A og Fuel B. Samlet sett, på tvers av alle forhold, hadde Fuel C den korteste ‘ignition delay’ for både piloten og ammoniakk. Det skal også nevnes at Fuel A ikke presterte vesentlig dårligere enn Fuel B og Fuel C, selv om biodrivstoffet var mindre raffinert, prosessert.

[2] M. Crippa et al. GHG Emissions of All World Countries. Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2023. doi: doi:10.2760/953332,JRC134504. [3] DNV. GHG Vision. https : / / www . dnv . com / maritime / hub / decarbonize - shipping / key - drivers / regulations/imo-regulations/ghg-vision/. Mai 2024. [4] Erik Andreas Hektor Hendrik Brinks. AMMONIA AS A MARINE FUEL. 2020. url: https:// www.dnv.com/publications/ammonia-as-a-marine-fuel-191385/. [5] Øyvind Sekkesæter et al. Biofuels in Shipping. DNV. 2024. url: https://www.dnv.com/maritime/ publications/biofuels-in-shipping-white-paper-download. [6] Hossein Shahbeik et al. ‘Biomass to biofuels using hydrothermal liquefaction: A comprehensive review’. Fra: Renewable and Sustainable Energy Reviews 189 (2024), p. 113976. issn: 1364-0321. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113976. url: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S1364032123008341.

In 2022, the global greenhouse gas (GHG) emissions were 53,8 Gt of carbon dioxide equivalents, which is the highest level recorded to date [2]. The maritime sector was responsible for 2.9% of the total GHG emissions in 2019 [3], and to reduce the emissions from the sector, the Maritime International Organisation (IMO) set a goal for the sector to reach net zero emissions by 2050 [3]. As emissions from burning fossil fuels are the main contributor to the emission, new alternative solutions are explored. A potential net-zero candidate is ammonia used as a hydrogen carrier [4]. However, due to ammonia’s poor ignition qualities, pure ammonia combustion is challenging [4], and a solution to this problem is to use a high-cetane fuel as a pilot in a dual-fuel engine [4]. To make this solution net-zero, high-cetane biofuel can be used as a pilot. However, traditional pilot fuels often use agricultural products as feedstocks and are therefore not sustainable [5]. Second-generation biofuels are being explored, and biocrude oil can be made through hydrothermal liquefaction (HTL) using different waste streams as feedstock [6]. This thesis will test three HTL biofuels using municipal waste as feedstock. The three HTL fuels are upgraded differently and are called Fuel A, Fuel B, and Fuel C in this thesis. Fuel A has undergone hydrotreatment and distillation, Fuel B has been through a second hydrotreatment with nickel-molybdenum as a catalyst before distillation, and Fuel C has been through a second hydrotreatment with cobalt-molybdenum as a catalyst before distillation. All three fuels are from the diesel fraction after distillation.

This thesis will test the three biofuels in single-fuel and dual-fuel mode with ammonia. The results will be compared with heptane used as a diesel surrogate. The tests will be performed using a modified constant-volume combustion chamber from FuelTech. The measured chamber pressure will be analysed and used to calculate the following ignition characteristics: heat release rate, ignition delay, and thermal efficiency.

From the single fuel results, most of the ignition characteristics of the three HTL fuels are similar to those of heptane, except for the ignition delay time, which is significantly shorter for the three HTL fuels than heptane. Based on the result of the calculated ignition characteristics, it is apparent that the HTL fuels performed better than heptane. Of the four tested conditions, it can be concluded that having a relative injection timing between ammonia and pilot of 2.5 ms was the most beneficial for the experimental setup used in this thesis. Based on the thermal efficiency calculated for this condition, Fuel C outperformed Fuel A and Fuel B. Overall, across all conditions, Fuel C had the shortest ignition delay for both the pilot and ammonia. It should also be noted that Fuel A did not perform significantly worse than Fuel B and Fuel C, even though the fuel was less upgraded.

[2] M. Crippa et al. GHG Emissions of All World Countries. Publications Office of the European Union, Luxembourg, 2023. doi: doi:10.2760/953332,JRC134504. [3] DNV. GHG Vision. https : / / www . dnv . com / maritime / hub / decarbonize - shipping / key - drivers / regulations/imo-regulations/ghg-vision/. May 2024. [4] Erik Andreas Hektor Hendrik Brinks. AMMONIA AS A MARINE FUEL. 2020. url: https:// www.dnv.com/publications/ammonia-as-a-marine-fuel-191385/. [5] Øyvind Sekkesæter et al. Biofuels in Shipping. DNV. 2024. url: https://www.dnv.com/maritime/ publications/biofuels-in-shipping-white-paper-download. [6] Hossein Shahbeik et al. ‘Biomass to biofuels using hydrothermal liquefaction: A comprehensive review’. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews 189 (2024), p. 113976. issn: 1364-0321. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113976. url: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S1364032123008341.