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.
- 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).
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)
- Alta eficiencia.
- Uso directo del amoníaco como combustible.
- Prototipo de Fraunhofer Intitute.
3- Motores marinos diésel de dos tiempos
- MAN Energy Solutions
- Wärtsilä
- 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 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:
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.
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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.
ENLACES RECOMENDADOS:
- Amoniaco (Wiki)
- Análisis CFD con OpenFOAM
- Motores Marinos dual-Fuel con Methanol
- Motor diésel lento MAN B&W ME-LGI
- Comparación de combustibles del futuro para motores marinos
- Sistemas auxiliares en motores diésel marinos
- Motores 2T con control electrónico
- EL MOTORISTA TEÓRICO Y PRÁCTICO (Editorial Valle-Collantes - 1958)
- MAN de la serie KSZ
- MAN 7L 32-40
- Análisis CFD del motor MAN 7S50MC
- Emisiones contaminantes en vehículos
- Tecnologías para reducir los NOx en motores diésel
- Proyecto Apolo.
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