Control de emisiones en motores marinos y métodos para su reducción.

La nueva regulación IMO Tier III, cuya entrada en vigor se producirá en 2016, restringirá aún más los límites de emisión en las ECAs (Emisión Control Areas o Áreas de Control de Emisiones). En este caso se quiere establecer una reducción del 80% de las emisiones de NOx en comparación con la regulación IMO Tier I en las ECAs, con lo que el contenido en azufre en estas zonas será del 0,1% a partir de 2015.

Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN D2840LE. Fuente: Grupo de Innovaciones Mariñas

Actualmente, más del 90% de los buques son movidos por motores. La mayoría de los combustibles de motores marinos son fuelóleos pesados, los cuales son más baratos que otros combustibles más refinados, pero presentan el inconveniente de que contienen una cantidad importante de sustancias contaminantes tales como azufre, cenizas, asfaltenos, etc, lo cual provoca que los buques emitan cantidades importantes de óxidos de azufre (SOx) y partículas. Además, los buques también emiten cantidades importantes de óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2).

Es muy importante reducir los óxidos de azufre de los gases de escape porque son los principales gases causantes de la lluvia ácida. Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la lluvia ácida y, además, destruyen la capa de ozono. Respecto a las partículas, son muy dañinas en los vegetales y en los animales y humanos pueden provocar serios problemas pulmonares e incluso llegar a causar cáncer. El dióxido de carbono no se considera un gas tóxico, pero también es muy importante reducirlo puesto que repercute en el calentamiento global del planeta.

Debido a la importancia de las emisiones contaminantes de los buques, principalmente óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas y dióxido de carbono, a lo largo de los últimos años se han ido desarrollando diversas tecnologías. Destacan principalmente las medidas de reducción de óxidos de nitrógeno debido a la normativa IMO Tier, que limita los niveles de emisión de NOx a los siguientes valores, aplicados a motores construidos después del año 2000 (IMO Tier I), 2011 (IMO Tier II) y 2016 (IMO Tier III para áreas especiales).

De manera general, las medidas de reducción de emisiones se pueden agrupar en medidas primarias y secundarias. Las medidas primarias consisten en la modificación de algún parámetro relacionado con el funcionamiento del motor, por ejemplo inyección de combustible, diagrama de distribución, presión y temperatura de trabajo, etc. Por otro lado, las medidas secundarias reducen las emisiones en los gases de escape una vez que éstos ya han sido emitidos. Las principales medidas primarias y secundarias aplicadas en los motores de buques se resumen a continuación:

MEDIDAS PRIMARIAS

-         Modificación de los tiempos y el mapa de inyección de combustible:

Con el fin de conseguir una combustión más perfecta y con ello reducir las emisiones, en los motores actuales es frecuente jugar con el instante de comienzo de la inyección, presión de inyección, geometría de los inyectores o incluso realizar la inyección por tramos. En este sentido, destaca el sistema “common rail” basado en hacer pre-inyecciones o post-inyecciones antes y después de la inyección principal. De este modo se reduce la formación de NOx ya que esta depende tanto de la temperatura como del tiempo que dura el pico de alta temperatura. Con los modernos sistemas de inyección secuencial se puede conseguir alrededor de un 20%  de reducción de NOx con muy poco aumento en el consumo específico de combustible.

 

-         Enfriamiento del aire de admisión:

El aire que pasa por el turbo es aconsejable enfriarlo antes de entrar al motor. Con esta medida se reducen notablemente las emisiones de óxidos de nitrógeno puesto que éstos se originan cuanto más elevadas sean las temperaturas de combustión.

-         Inyección de agua:

Ésta es también una medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Inyectando una pequeña cantidad de agua con el combustible, o bien en forma de humedad en el aire de barrido, lo que se consigue es reducir las temperaturas de combustión y con ello las emisiones de óxidos de nitrógeno.

-         Recirculación de gases de escape (EGR, exhaust gas recirculation):

Otra medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Recirculando una pequeña parte de los gases de escape y mezclándolos con el aire de barrido también permiten una reducción de las temperaturas de combustión y con ello los óxidos de nitrógeno.

-         Ciclo Miller:

El ciclo Miller fue introducido en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de NOx, que como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la temperatura de combustión. El avance en el diseño de turbocompresores con mayores relaciones de compresión cada vez, permitió disminuir el trabajo de compresión mecánico para la misma presión final, de esta manera aumentando la capacidad de refrigeración después del turbocompresor, se puede mantener la temperatura de inicio de la compresión en los mismos valores, y por lo tanto la temperatura final de compresión disminuye.

Transformando un motor diese al ciclo Miller, se puede llegar a un 20% de reducción de Nox sin incrementar nada el consumo de combustible. El motor de media velocidad Sulzer ZA40S ha sido adaptado con éxito para operar con ciclo Millar, al igual que algunos motores del fabricante MAK.

MEDIDAS SECUNDARIAS:

Aunque es posible a un coste razonable reducir gran parte de los óxidos de nitrógeno con medidas primarias, también se utilizan medidas secuntarias. Las medid secundaria más utilizada para reducir los óxidos de nitrógeno es SCR (Reducción Catalítica Selectiva). El sistema se basa en la inyección de amoníaco o urea (que normalmente se comercializa mediante un compuesto llamado AdBlue) a los gases de escape. Este compuesto reacciona con los óxidos de nitrógeno produciendo nitrógeno y vapor de agua, los cuales no son contaminantes para el medio ambiente. Se llaman catalíticos (a diferencia de los SNCR, reducción no catalítica selectiva) porque emplean catalizadores con el fin de acelerar la velocidad de la reacción química.

Para reducir los óxidos de azufre, existen unos equipos llamados desulfuradores. Al igual que los SCR, el funcionamiento se basa en inyectar una sustancia que reaccione químicamente con el gas contaminante y el compuesto químico formado sea un gas nocivo o un sólido que precipita en un recipiente habilitado para ello. Esta medida es muy utilizada ya que es muy complicado y costoso reducir las emisiones de los óxidos de azufre utilizando medias primarias, al contrario de lo que se hace con los óxidos de nitrógeno.

CONCLUSIÓN

A nivel investigación, es posible analizar las emisiones de los motores utilizando CFD (Mecánica de Fluidos Computacional), pudiendo realizar simulaciones de diferentes patrones de inyección, humidificación del aire de carga, cambio de diagramas de distribución, ciclo Miller, recirculacion de gases de escape, y en general cualquier párametro de funcionamiento del motor puede ser simulado y probado de forma virtual por ordenador, con el correspondiente ahorro de tiempo y dinero antes de llevar a cabo las modificaciones y sucesivas pruebas reales en el motor. 

En anteriores ocasiones se han mostrado en este blog análisis del proceso de barrido de motores. De la misma manera, se puede analizar el proceso de combustión y emisiones contaminantes y con ello analizar el efecto que tiene cada una de las medidas descritas. Tecnología Marítima ha hecho diversos trabajos de este tipo en colaboración con el grupo de investigación Innovaciones Marinas, de la Universidade da Coruña. En este momento la línea de trabajo es análisis de los gases de escape utilizando medidas primarias, así como catalizadores. Todo ello mediante CFD.

La utilidad de las herramientas modernas de modelado y simulación con programas informáticos de simulación CFD son actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial, proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en el desarrollo del producto..

Recomendación de Tecnología Marítima:
Si necesita ayuda o colaboración para acometer un proyecto con CFD puede ponerse en contacto con el Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña, el cual cuenta con los medios y la experiencia de gran número de proyectos CFD llevados a cabo con éxito.


Recomendación de Tecnología Marítima:

Tras años de experiencia en el campo de CFD, recomendamos el software gratuito OpenFOAM, y particularmente el siguiente curso de Technical Courses:

FUENTES:

- Revista Journal Of Maritime Research; Emissions from Marine Engines and Nox Reduction Methods  
-  MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE

- Journal of Ship Research

- Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña.