COMPARACION DE COMBUSTIBLES DEL FUTURO PARA MOTORES MARINOS

En la actualidad estamos viviendo un momento de gran especulación acerca de cuál será el camino a seguir por la industria naval para la elección del combustible del futuro para la propulsión naval. Entre los posibles combustibles sustitutos para el HFO (Heavy Fuel Oil) se barajan utilizar los siguientes: Amoniaco (NH3), Methanol (CH3OH), LPG (Liquified Petrol Gas), LNG (Liquefied natural gas) e Hidrógeno (H2).

Actualmente, más del 90% de los buques son movidos por motores diésel. El principal combustible de motores marinos es el HFO (fuel-oil pesado), que se venden en diferentes densidades cuyo precio es más barato cuanto más alta es su densidad. Este combustible presenta el inconveniente de que contiene 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).

Los óxidos de azufre 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.

 

NORMATIVA ACTUAL
Los principales gases contaminantes producidos por los combustibles actuales, compuestos principalmente por HFO; son los óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx), además de la materia particulada (PM) y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH).

Los principales gases de efecto invernadero (GEI) son, sobre todo, el dióxido de carbono (CO2) así como el metano (CH4), los compuestos orgánicos volátiles (COV), etc.

Estas emisiones en el transporte marítimo por la Organización Marítima Internacional, están reguladas por el Anexo VI - Convenio MARPOL.

Las Emisiones de SOx: se regulan mediante un límite al contenido de azufre (%) de los combustibles marinos. Hay un límite general (actualmente 3,5%) y otro más estricto (0,1%) en las Zonas de Control de Emisiones (SECAS). Adicionalmente, por medio de una Directiva comunitaria, en todos los puertos de la Unión Europea, desde 2010 el límite es igual que en las SECAS (0,1%).

Las Emisiones de NOx: se regulan mediante tres niveles de emisiones (I, II y III). El nivel III es aplicable únicamente a buques nuevos y en las zonas designadas como «de control de emisiones de óxidos de nitrógeno» (NECAS).

Desde el 1 de enero de 2013 los buques nuevos deben cumplir un valor máximo del Índice de Eficiencia Energética de Proyecto (EEDI), que se va endureciendo progresivamente con el tiempo: EEDI = CO2 emitido / (tonelada • milla transportada). Todos los buques deben llevar a bordo un Plan de Gestión de la Eficiencia Energética (SEEMP), con las medidas que aplica para reducir el consumo de combustible y, por tanto, las emisiones de Gas Efecto Invernadero.

Según establece el Anexo VI del Convenio MARPOL, el 1 de enero de 2020, el límite máximo general de contenido de azufre en los combustibles marinos ha pasado en todo el mundo del 3,5% al 0,5% (es decir, se reducirá en un 86%).

Para facilitar el control del cumplimiento, desde el 1 de marzo de 2020 queda prohibido llevar a bordo combustible no reglamentario a no ser que el buque disponga de depuradores de SOx (scrubbers). Se estima que esta nueva norma va a costar al sector naviero unos 60.000 millones de dólares cada año.

En abril de 2018, la OMI (IMO en inglés) adoptó unos objetivos muy ambiciosos de reducción de las emisiones de GEI (Gases Efecto Invernadero) respecto de 2008: un 40% por tonelada y milla transportada en 2030 y un 50% en términos absolutos en 2050.

Estos objetivos se aplicarán al conjunto de la flota mundial, tanto a buques nuevos como existentes. La OMI ha iniciado ya los debates sobre las medidas a aplicar para conseguir alcanzar esos objetivos de reducción. 

COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS
Los combustibles alternativos que se estudian en la actualidad son todos ellos bajos en carbono. Esto permite reducir las emisiones contaminantes y las emisiones de Gases Efecto Invernadero. Entre las alternativas que se están estudiando en la actualidad, se incluyen las siguientes:

• LNG: Liquefied natural gas, en español GNL. Su componente principal es el metano, cuya fórmula es CH4. Es inodoro, incoloro y no tóxico. A presión atmosférica está en estado líquido a -162º C. Inflamable si entra en contacto con aire a concentraciones de 5 a 15%.
  
• LPG: Liquified Petrol Gas, en español GLP. Es una mezcla de propano y butano. Su fórmula es C3H8 + C4H10. A presión atmosférica está en estado líquido a -42,4º C.
• METANOL: Su fórmula es CH3OH.  Conocido también como alcohol metílico, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido ligero (de baja densidad), incoloro, inflamable y tóxico que se emplea como anticongelante, disolvente y combustible. El metanol es interesante porque el bio-metanol y el e-metanol se pueden producir a partir de una amplia variedad de biomasas y materias primas de energía renovable, y se pueden mezclar con metanol elaborado a partir de combustibles fósiles.
• Amoniaco: Su fórmula es NH3. Es un gas incoloro con un característico olor repulsivo, altamente tóxico. Inflamable en mezclas de combustible con aire a concentraciones del 15 a 25 %. A presión atmosférica está en estado líquido a -33º C.
• Hidrógeno: Su fórmula es H2. Es un gas inflamable, incoloro, inodoro e insoluble en agua. Es muy caro de producir, puede obtenerse a partir del agua por un proceso de electrólisis, pero resulta un método mucho más caro que la obtención a partir del gas natural. El gas hidrógeno es altamente inflamable y se quema en concentraciones de 4 % o más H2 en el aire. A presión atmosférica está en estado líquido a -253º C.

 La tabla siguiente compara los diferentes combustibles alternativos respecto al HFO:

En la tabla se incluyen también las baterias, las cuales como se observa en la tabla tiene el inconveniente de su baja capacidad para almacenar energía. Una batería de 1 Kg almacenaría solamente 0,29 MJ (290 KJ), mientras que 1 Kg de HFO almacena 40,5 MJ (40.500 KJ). 

El Índice de Eficiencia Energética de Proyecto (EEDI) se ve reducido por medio de combustibles alternativos bajos en carbono, tales como el Amoniaco, LNG, LPG y el Metanol, que en la actualidad son serios candidatos para convertirse en el combustible del futuro.

 

ENLACES:

• Control de emisiones en motores marinos y métodos para su reducción.
  
• IMO’s work to cut GHG emissions from ships
• Energy Efficiency Design Index (EEDI)
• MARPOL
• LNG
• METANO
  
• LPG 
• METANOL
• AMONIACO
• HIDRÓGENO
  

 

ARTÍCULOS CIENTÍFICOS:

• Maria Isabel Lamas Galdo; Juan de Dios Rodríguez, Jose Manuel Rebollido. Numerical Model to Analyze the Physicochemical Mechanisms Involved in CO2 Absorption by an Aqueous Ammonia Droplet. Int. J. Environ. Res. Public Health 2021, 18(8), 4119. 
• Maria Isabel Lamas; Laura Castro-Santos; Carlos G. Rodriguez. Optimization of a multiple injection system in a marine diesel engine through a multiple-criteria decision-making approach. Journal of Marine Science and Engineering, 8, 946, 2020.
  
• Maria Isabel Lamas Galdo; Laura Castro-Santos; Carlos G. Rodriguez Vidal. Numerical analysis of NOx reduction using ammonia injection and comparison with water injection. Journal of Maritime Science and Engineering, vol. 8, 109, 2020. 
  
• Lamas, M.I.; Rodriguez, C.G. NOx reduction in diesel-hydrogen engines using different strategies of ammonia injection. Energies, vol. 12, 1255, 2019.
• Maria Isabel Lamas; Juan de Dios Rodríguez; Laura Castro-Santos; Luis Manuel Carral. Effect of multiple injection strategies on emissions and performance in the Wärtsilä 6L 46 marine engine. A numerical approach. Journal of Cleaner Production, vol. 206(2), pp. 1-10, 2019.
  
• Lamas, M.I.; Rodríguez, C.G. Numerical model to analyze NOx reduction by ammonia injection in diesel-hydrogen engines. International Journal of Hydrogen Energy, vol. 42, pp. 26132-26141, 2017.
• Lamas, M.I.; Rodríguez, C.G.; Rodríguez, J.D.; Telmo, J. Numerical model of SO2 scrubbing using seawater applied to marine engines. Polish Maritime Research, vol. 23(2), pp. 42-47, 2016.
• Lamas, M.I.; Rodríguez, C.G.; Telmo, J.; Rodríguez, J.D. Numerical analysis of emissions from marine engines using alternative fuels. Polish Maritime Research, vol. 22(4), pp. 48-52, 2015.
  
• Lamas Galdo, M.I.; Rodríguez Vidal, C.G.; Rodríguez García, J.D. Modelo de mecánica de fluidos computacional para el estudio de la combustión en un motor diesel de cuatro tiempos. DYNA, vol. 88(1), pp. 91-98, 2013.
• Lamas Galdo, M.I.; Rodríguez Vidal, C.G.; Rodríguez García, J.D. Aplicación del método level set para modelar el proceso de combustión premezclada en un motor Otto de dos tiempos. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, vol. 29, pp. 234-240, 2013. 

 

AUTORES: Carlos Rodríguez Vidal (Maquinista Naval y Doctor en Energía y Propulsión Marina) y María Isabel Lamas Galdo (Doctora Ingeniera Industrial)