Propulsión de buques con motores de amoniaco

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)

• Alta eficiencia.
• Uso directo del amoníaco como combustible.
• Prototipo de Fraunhofer Intitute.
  

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 amoniaco.
• 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. 

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:​

1. Tanques de almacenamiento de amoníaco: Diseñados para contener el amoníaco en condiciones seguras, generalmente a baja temperatura y presión moderada.​
2. 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.​
3. Motor de combustión interna modificado: Adaptado para quemar amoníaco, a menudo en combinación con otro combustible para facilitar la ignición.​
4. Sistema de post-tratamiento de gases: Como el SCR, que reduce las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) producidas durante la combustión.​
5. 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)

CURSOS DE FORMACIÓN RELACIONADOS:

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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.
  

 

Motores marinos dual-Fuel con Metanol

En el Sector naval, en este momento, el metanol es la alternativa por la que apuestan todas las grandes navieras. Los fabricantes de motores están incorporando versiones en sus gamas actuales para usar metanol como combustible. La tecnología requerida no entraña una dificultad técnica demasiado elevada, por lo que es la opción más rentable y que menos riesgos tiene, por lo que está siendo la solución más utilizada por los armadores que encargan nuevos pedidos de buques.

 

Como combustible de transición, el metanol cuenta con el apoyo de la Organización Marítima Internacional (OMI) en su reciente adopción de pautas de manipulación segura bajo el Código IGF para combustibles de baja combustión. La adopción del GNL como combustible para motores marinos allanó el camino del metanol, y la adopción de éste puede ser un modelo a seguir para el objetivo del uso de combustibles libres de carbono (no emisores de CO2) en el futuro, como pueden ser el amoniaco y el hidrógeno. La OMI, por medio del convenio MARPOL, Anexo VI, es donde se regulan las emisiones en el transporte marítimo.

 

El fabricante MAN B&W dispone entre su gama de motores diesel lentos del modelo ME-LGIM (motor dual-fuel con inyección de methanol) que ha sido desarrollado para utilizar como combustible una mezcla de Marine Diésel Oil y metanol, lo cual le permite realizar la combustión con menores emisiones contaminantes, y de esta forma poder cumplir con las nuevas normativas medioambientales.

 

Un motor que utilice Metanol como combustible podría alcanzar una reducción de emisiones, comparado con un motor convencional de HFO (fuel oil pesado) que cumpla la TIER II de; 90-95 % de reducción de SOx, 30-50 % de reducción de NOx, 5 % de reducción de CO2 y 90% de reducción de PM. 

Los motores del tipo Dual-Fuel (doble combustible), son los que permiten quemar una mezcla de dos combustibles diferentes. En este caso en la cámara de combustión se inyecta una cantidad de diésel-oil piloto (aprox. 5% de MDO) y el resto del combustible inyectado es Metanol. En caso necesario el motor puede funcionar de forma satisfactoria solamente con MDO o con diferentes porcentajes de mezclas de MDO y Metanol, el sistema de gestión electrónica del motor regula la cantidad a inyectar de de la combinación de ambos combustibles en todo momento, según las condiciones de operación del motor.

 

El esquema conceptual del sistema de combustibles de un motor Dual-Fuel MAN ME-LGIM;

 

Las funcionalidades del ME-LGIM incluyen:

• Inyectores unitarios, las llamadas válvulas de inyección booster LGI, para inyección de metanol (FBIV-M) en la cámara de combustión alrededor de la parte superior del punto muerto superior (TDC)
• Sistemas de control hidráulico para controlar el funcionamiento de la válvula de refuerzo de combustible LGI
• Sellado de la unidad de suministro de aceite montada en el motor para asegurarse de que no hay fuga de metanol en el sistema de inyección de combustible.
• Tubería de doble pared para distribuir metanol individualmente a cada cilindro.
• Sistema de drenaje y purga para eliminación rápida y fiable del metanol del motor.
• Además del control del motor (ECS), un sistema de seguridad monitorea la inyección de metanol y combustión, y asegura que el motor vuelve a funcionar con gasóleo en caso de alarmas.
• El tren de válvulas de combustible (FVT) proporciona una función de bloqueo y purga entre el sistema de suministro de combustible y el motor.
•  Suministro de metanol completamente automatizado con sistema de purga incorporada.

El diseño de tuberías para el suministro de combustible de metanol se basa en un concepto de doble barrera. Esto significa que una segunda capa encapsula todo el metanol dentro de la sala de máquinas. La tubería exterior está ventilada hacia la atmósfera exterior para eliminar el riesgo de una fuga de metanol a, por ejemplo, la sala de máquinas y para permitir la detección de una fuga del tubo interior con sensores de hidrocarburos (HC).

El sistema de combustible diésel no ha sido alterado significativamente en un motor LGI en comparación con un motor ME estándar.

METANOL: Su fórmula es CH3OH.  Conocido también como alcohol metílico, es el alcohol más sencillo. A temperatura ambiente se presenta como un líquido de baja densidad (791,8 kg/m³), 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.

 

 A temperatura ambiente y presión de 1 bar se mantiene en estado líquido y, junto a su baja viscosidad, lo hace un combustible fácilmente almacenable y transportable. Es el combustible con mayor porcentaje de moléculas de hidrógeno por carbono en su composición, encontrándose en estado líquido en condiciones ambientales normales. Su poder calorífico inferior es de 19.900 kJ/kg, valor mucho más bajo que los 40.500 KJ/kg del HFO.
 

La sociedad de clasificación American Beureau of Shipping (ABS) ha publicado una guía que proporciona criterios de clasificación para el uso de metanol y etanol a bordo del buque con el objetivo de reducir posibles riesgos para el buque, sus elementos y la tripulación a bordo

Una de las desventajas más grandes del Metanol reside en que actualmente su producción se realiza a través de la conversión catalítica entre el CO y el H2 durante el reformado del gas natural o la gasificación del carbón. La solución más conveniente para este combustible es el E-metanol, que consiste en la síntesis del hidrógeno producido por electrolisis a través de fuentes renovables y el CO2 capturado de muchos de los sectores industriales a nivel mundial.

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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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)

 

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.