La propulsión de buques con motores de amoníaco es una tecnología emergente que busca reducir las emisiones contaminantes del transporte marítimo. Esto es debido a que los motores marinos, aunque muy
eficientes, son también emisores de importantes cantidades de sustancias
muy contaminantes. Por ello el
convenio IMO MARPOL ha impuesto límites de emisiones contaminantes cada vez más
restrictivas. En este
sentido, los combustibles libres de carbono están ganando especial interés de
cara a su utilización a corto plazo. Entre las diferentes opciones, el amoniaco podría ser
elegido en un futuro próximo, como el principal combustible no contaminante para el sector
naval.
Las
ventajas de usar amoniaco como combustible marítimo son las siguientes;
- Cero emisiones de carbono al quemarse (no contiene carbono).
- Alta densidad energética en comparación con el hidrógeno.
- Infraestructura existente: ya se transporta y almacena a nivel mundial como fertilizante y materia prima.
- Puede producirse con energías renovables (amoníaco verde).
Los
tipos de motores que pueden usar amoniaco como combustible son los siguientes:
1- Motores de combustión interna de cuatro tiempos modificados- Basados en diésel o dual fuel (ciclo Diésel).
- Motores que queman una mezcla de amoníaco y otro combustible (como metanol o H2) para mejorar la ignición (ciclo Otto).
2- Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)3- Motores marinos diésel de dos tiempos- MAN Energy Solutions
- Wärtsilä
Ambos fabricantes están desarrollando prototipos. Se espera que estén operativos a partir de 2025–2026.
Los
Retos técnicos que supone la implementación de motores de amoniaco en los buques, incluyen las siguientes:
- Dificultad de ignición del amoníaco.
- Toxicidad alta: requiere medidas de seguridad muy estrictas.
- Baja velocidad de combustión, lo que complica la eficiencia.
- Emisiones de NOx: aunque no produce CO₂, sí puede generar óxidos de nitrógeno si no se controla bien el proceso de combustión y pos-tratamiento de las emisiones.
Desde
un punto de vista de cara a la descarbonización en el sector marítimo,
el uso de amoniaco como combustible podría ser la principal
solución en estos momentos. Al ser un elemento natural que no incluye
carbono en su molécula, la combustión de amoniaco no genera emisiones de
CO2.
El Amoniaco es un compuesto químico de nitrógeno con la fórmula química
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.
El
método más eficiente para generar Amoniaco es el proceso Haber-Bosch
(Por el cual Fritz Haber y Carl Bosch recibieron el Premio Nobel de Química en los
años 1918 y 1931). El proceso consiste en la reacción directa entre el
nitrógeno y el hidrógeno gaseosos. El método de Haber-Bosch utiliza dos
materias primas: hidrógeno y nitrógeno. El hidrógeno necesario es
producido a partir de la reformación de gas natural, de GLP o de nafta
con vapor de agua, siendo el gas natural la alimentación más usual.
La
planta se divide en dos secciones: el front-end o parte frontal de la
planta, donde se genera la mezcla de hidrógeno y nitrógeno necesaria
para sintetizar el amoníaco, y el back-end o parte posterior de la
planta, que es la sección donde se convierte el producto a partir de
ambos reactivos.
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El
amoníaco se ha propuesto como una alternativa práctica a los
combustibles
fósiles para usar en motores de combustión interna. Sin embargo el
poder calorífico del
amoníaco es de solo 18,6 MJ/kg, que es bastante inferior que la del MGO
(Gas-oil marino) y del HFO (Fuel-oil pesado). Respecto a éste último y
suponiendo un funcionamiento dual-fuel, se obtiene una reducción de SOx
del 100%, del CO2 del 90% y de PM también del 90%. Respecto al NOx no se
obtienen reducciones, pero con la aplicación de diversos tratamientos
se cumplen con las regulaciones.
En
motores de ciclo diésel el empleo de amoniaco puro es complicado debido
su alta temperatura de autoignición, lo cual hace que haya que trabajar
con relaciones de compresión excesivamente elevadas. Por este motivo,
diversos estudios de investigación proponen un funcionamiento dual‐fuel
utilizando como combustible principal amoniaco y de MGO (Gas-oil marino)
como inyección piloto para encender la mezcla. De ahí que las emisiones
de CO2 no sean de 0%, sino de entre un 5% y 10% respecto a lo que
emitiría un motor diésel de HFO con potencia equivalente.
Desde
el punto de vista de reducción de emisiones, la generación del NOx es
muy característico en motores de tipo diésel, los cuales funcionan
siempre con exceso de aire, que es básicamente nitrógeno y oxígeno, lo
cual significa que hay más que suficiente aporte de nitrógeno para
formar NOx.
Las emisiones de NOx no se resuelven con el empleo
de amoniaco ya que la combustión de amoniaco genera importantes
cantidades de NOx. Por ello los motores que funcionen con amoniaco
deberán incorporar elementos que permitan la reducción de los valores de
NOx emitidos a la atmósfera. Ver artículo: Tecnologías para reducir los NOx en motores diésel
Existen Proyectos destacados de buques propulsados por amoniaco, entre los que se incluyen los siguientes:
1- Yara Eyde: Este será el primer portacontenedores del mundo propulsado por amoníaco
limpio. Operará entre Noruega y Alemania, ofreciendo una ruta marítima
sin emisiones y evitando aproximadamente 11.000 toneladas de CO₂ al año.
2- HD Hyundai y EXMAR: El astillero surcoreano HD Hyundai Mipo ha iniciado la construcción del
primer barco del mundo propulsado por amoníaco. Este proyecto,
encargado por la empresa belga EXMAR, contará con un motor de doble
combustible diseñado específicamente para operar con amoníaco y
combustibles tradicionales.
3- Proyecto de nueve buques con propulsión de amoníaco: Se planea desplegar tres graneleros Newcastlemax y seis buques cisterna
para productos químicos equipados con tecnologías de propulsión de
amoníaco. Las entregas están programadas entre 2026 y 2029.
4- Proyecto APOLO de Fertiberia: En España, Fertiberia desarrolla un sistema que combina un craqueador
parcial de amoníaco de 125 kW con un motor de 4 tiempos, logrando una
eficiencia superior al 45%. Además, se implementará un sistema de
reducción catalítica selectiva (SCR) para minimizar las emisiones de
NOx. Link al
Proyecto Apolo.
El prototipo de MAN Energy Solutions:
En la actualidad MAN Energy Solutions ha anunciado que el desarrollo de su motor ME-LGIA (Liquid Gas Injection Ammonia)
ha entrado en una nueva fase con el inicio de las pruebas de un motor
de dos tiempos a escala real que funciona con amoníaco en su RCC (Centro
de Investigación de Copenhague). Ole Pyndt Hansen, director de I+D de
motores de dos tiempos de MAN Energy Solutions, afirmó: "Tras haber
completado ya más de 12 meses de pruebas en un solo cilindro que
funciona con amoníaco, es un hito importante poder pasar a las pruebas
de motores a escala real. Hemos estado ocupados con el proceso de
conversión durante los últimos meses, lo que incluye garantizar que
todas las disposiciones de seguridad funcionen de acuerdo con nuestros
requisitos. Ahora estamos listos para la siguiente fase que se centrará,
entre otros parámetros, en la combustión y las emisiones, el ajuste del
motor, las pruebas del atomizador y la verificación del sistema de
control. Esto está previsto provisionalmente que continúe hasta mediados
de 2025".
La combustión del amoniaco con el aire produce,
mayoritariamente, nitrógeno, oxígeno y agua. En menor proporción, otras
sustancias que nunca serán dióxido de carbono, monóxido de carbono o
hidrocarburos sin quemar porque el amoniaco no contiene carbonos en su
molécula. Del mismo modo, tampoco se producirán óxidos de azufre porque
el amoniaco no contiene azufre en su molécula. Lo que no es inevitable
es que se produzcan óxidos de nitrógeno como producto de la combustión
del amoniaco.
Un sistema típico de propulsión con amoniaco incluye los siguientes componentes:
- Tanques de almacenamiento de amoníaco: Diseñados para contener el
amoníaco en condiciones seguras, generalmente a baja temperatura y
presión moderada.
- Sistema de suministro de combustible:
Incluye bombas y tuberías que transportan el amoníaco desde los tanques
hasta el motor, asegurando un flujo constante y controlado.
- Motor de combustión interna modificado: Adaptado para quemar amoníaco, a
menudo en combinación con otro combustible para facilitar la ignición.
- Sistema de post-tratamiento de gases: Como el SCR, que reduce las
emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) producidas durante la
combustión.
- Sistema de control y monitoreo: Supervisa y
regula el funcionamiento del sistema de propulsión, garantizando la
seguridad y eficiencia operativa.
Simulación numérica con CFD:
Como
aspecto negativo del Amoniaco cabe destacar su elevado índice de
toxicidad. Esto ha provocado que se hayan desarrollado escasos estudios
experimentales debido a la peligrosidad que éstos conllevan. El amoniaco
es además un producto básico en sistemas de refrigeración (conocido
como R 717), campo en el que sucesivos accidentes han provocado
numerosas muertes a lo largo de los años. Debido a esta elevada
toxicidad, las técnicas CFD (Ver análisis CFD con OpenFOAM)
son muy apropiadas para analizar las posibilidades del amoniaco en
motores sin la peligrosidad que supone un estudio experimental.
Actualmente
hay barreras importantes para extender su uso. En términos de
producción y suministro de amoniaco a los diferentes consumidores está
lejos de ser resuelto en la actualidad. Las plantas de generación de
amoniaco tendrían que ser construidas para incrementar los niveles de
producción, lo cual requeriría una inversión muy importante tanto en
inversión monetaria como en la energética. Aun cuando es el segundo
compuesto químico más producido en el mundo, la escala de producción de
amoniaco es una pequeña fracción del petróleo usado en el mundo. Podría
ser producido de forma ecológica (sin emisiones contaminantes) a partir
de energías renovables, así como usando la energía nuclear.
AUTORES:
Carlos Rodríguez Vidal (Maquinista Naval y Doctor en Energía y
Propulsión Marina) y María Isabel Lamas Galdo (Doctora Ingeniera
Industrial)
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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.
- Tesis doctoral: Carlos Rodríguez Vidal, Soluciones a las emisiones de gases contaminantes en motores diésel marinos, Universidad de La Coruña, 2022.
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