lunes, 26 de septiembre de 2011

El Gas Natural Licuado (GNL) en la propulsión de buques

El gas natural licuado como combustible en motores propulsores de buques es, actualmente, una apuesta de futuro de las empresas armadoras y de las sociedades de clasificación europeas.

¿Es posible no contaminar y ahorrar dinero?

Se conoce un estudio realizado por la sociedad de clasificación Det Norske Veritas (DNV), que se concentra en los beneficios económicos y ambientales del GNL como combustible alternativo para el transporte marítimo que llega a las siguientes conclusiones:

El GNL es en este momento un combustible comercialmente viable para ser usado en el transporte marítimo.

Puede permitir un ahorro del 45% en los costes operativos totales, comparados estos con los que supone la utilización del fueloil pesado estándar y ofrece perspectivas de reducción de un 25% en la emisión de CO2, la eliminación completa de emisiones de sulfuros y cerca del 90% de reducción en la de gases nitrosos.

La Unión Europea admite un nivel máximo de sulfuros del 0,1% para los buques en puerto o en aguas interiores. A partir del 1 de julio de 2010, el máximo nivel de sulfuros en el combustible se ha fijado en un 1% dentro de las áreas de emisiones controladas, si bien el requerimiento será más estricto hacia 2015, cuando no se podrá superar el 0,1%.

Además de la sociedad de clasificación DNV, otras compañías -caso de Bureau Veritas o el Germanischer Lloyd- trabajan con astilleros y armadores en distintos proyectos, que involucran diferentes tipos de buques para el uso de motores a gas o duales.

Casos prácticos:

Incat Tasmania Pty Ltd y la Compañía Buquebus

El constructor naval Incat Tasmania Pty Ltd anunció que la Compañía Buquebus había firmado un contrato para construir lo que será el primer buque de pasajeros de gran velocidad que usará GNL (gas natural licuado) para propulsión y que estará operando en el Río de la Plata a fines del 2012. Cubrirá el trayecto Buenos Aires (Argentina) y Montevideo (Uruguay).

El buque contará con un sistema dual de funcionamiento a gas natural como combustible primario y combustible normal como accesorio.

Con capacidad para más de 1.000 pasajeros y 153 coches desarrollará una velocidad de 53 nudos, lo que le permitirá competir con el tráfico aéreo entre Uruguay y Argentina.

Incat Tasmania Pty Ltd está muy entusiasmada con el proyecto, ya que representa un paso significativo en el movimiento global para los buques con motor a gas natural y un impulso para reemplazar los viejos motores con estos nuevos que no contaminan.
 
Noruega apuesta por el Gas Natural Licuado para los Barcos Pesqueros

La Secretaría de Estado de Transporte Marítimo de Noruega apuesta por el proyecto de implantar en el sector pesquero el uso del gas natural licuado (GNL) como combustible utilizado en los motores para la propulsión, como una medida de ahorro energético y emitir menos gases a la atmósfera, que es uno de los objetivos de la industria naviera en los próximos años.

La iniciativa noruega cuenta además con la ventaja de que el país posee grandes reservas de gas y el Gobierno pretende que sea el principal combustible para el transporte marítimo en el futuro.

De hecho, al tener un menor precio, el proyecto se ve favorecido por el encarecimiento del crudo, que se traslada a los precios de los carburantes tradicionales en el mar como el fueloil y el diesel.

Los expertos consideran que en Noruega el gas natural licuado primará a corto plazo en todas las flotas, especialmente en la pesquera, al permitir una reducción en los costes de explotación, en los que el combustible es una partida que en muchos casos supera el 30% del gasto total del buque.

lunes, 19 de septiembre de 2011

Proyecto NYK Eco Ship 2030. Para el asombro

En post anteriores, comentaba sobre el proyecto de los barcos Portacontenedores Triple-E de Maerks que entrarán en servicio en el año 2013 y las soluciones utilizadas para mejorar la Eficiencia Energética y el Cuidado del Medio Ambiente.

Después de ver el video del proyecto NYK Eco Ship 2030, que ha sido premiado con el Good Design Awards por la Organización para la Promoción del Diseño Industrial en Japón, me pregunto ¿Cómo será la Sala de Máquinas?

El proyecto para la Naviera Japonesa NYK Line de un barco portacontenedores pensado con sistemas de propulsión, utilizando tecnologías que incluyen energía solar, eólica y combustible mediantes células basadas en LNG (gas natural líquido), aspira a reducir las emisiones de dióxido de carbono en un 69%.

Miremos el video y asombrémonos.


miércoles, 14 de septiembre de 2011

Estrategias para reducción de las Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (III)

Continuando con el tema de los post anteriores (ver Post I y Post II) de las estrategias utilizadas por los constructores de motores marinos para reducir las emisiones contaminantes y aumentar la eficiencia de los mismos, hoy me referiré, dentro de las estrategias internas, a las mejoras utilizando un control electrónico avanzado del motor y una mayor intensificación del Ciclo Miller que ha sido posible con la introducción de los turbosoplantes de dos etapas, que proporcionan relaciones de presión del aire de alimentación de hasta 7:1.

Todas las normas legisladas sobre reducción de emisiones de los motores prestan especial atención a la emisión de los óxidos de nitrógeno (NOx) formados, en más del 90%, por las elevadas temperaturas que se alcanzan durante la combustión.

El objetivo de los constructores es la adopción de sistemas que permitan una temperatura de combustión menor, temperaturas más homogéneas en la cámara de combustión y el enfriamiento del aire de combustión que entra en el cilindro, para lograr motores con emisiones de NOx progresivamente menores.

Ciclo Miller y el “timing” de válvulas

El Ciclo Miller supone el cierre temprano de la válvula de admisión haciendo que el aire que entra en el cilindro se dilate y se enfríe y, consecuentemente, se reduzcan las temperaturas puntas durante la combustión.(ver figura)

Sin embargo, un tiempo de admisión más corto podría conducir a que entre menos aire y por lo tanto menos oxígeno en el cilindro para combinarse con el combustible, lo que resultaría en una menor potencia y par motor.

Con las presiones elevadas de los turbosoplantes de dos etapas se asegura una cantidad de aire igual o incluso mayor que puede entrar en el cilindro en el menor tiempo disponible.

Los datos de la aplicación de estos sistemas sobre un motor MAN con un Ciclo Miller intensivo en condiciones de plena carga y presiones del turbosoplante de 6,5 hasta 7, indican que se han obtenido reducciones de NOx de más del 30%, reducciones en el consumo de combustible de hasta el 8% y un aumento del 15% en el rendimiento de la potencia especifica.

En motores utilizados en la Propulsión Marina, con elevados rangos de potencia y demandas variables de carga, se utiliza una versión del Ciclo Miller con regulación del “timing” de válvulas variable (Variable Valve Timing - VVT) según la carga.

En la figura se puede ver un sistema de este tipo:


La variación en la sincronización y la elevación de la válvula es alcanzada interponiendo un compartimiento de alta presión del aceite en el tren de válvula del motor entre la válvula y su sistema mecánico de la impulsión.

Turbocompresión en dos etapas

La aplicación de estos sistemas requiere una elevada presión de sobrealimentación que es posible por la aplicación de los nuevos turbocompresores de dos etapas con tecnología de área de turbina variable (Variable Turbine Area - VTA).
Disposición esquemática del motor 6L32/44CR de MAN Diesel – Ciclo Miller Variable con dos turbosoplantes

En este sistema los dos turbocompresores están colocados en serie y con un enfriador de aire de carga intermedio.

El segundo turbosoplante, más pequeño, está equipado con el sistema VTA para el control más preciso de la salida del aire de carga.

El VTA es un sistema que realiza la regulación de la salida del turbocompresor por medio de toberas con anillos de álabes regulables en lugar de anillos de álabes fijos.

El ajuste del área de paso por los álabes regula la presión de los gases de escape, obligando a la turbina a variar el flujo de salida del compresor.

Se consigue así optimizar el suministro de aire de carga en todos los puntos en el mapa de rendimiento del motor, permitiendo que la cantidad de aire de carga coincida con más exactitud con la cantidad de combustible inyectada en beneficio de las emisiones, el consumo y la respuesta del motor a cambios de carga.

lunes, 12 de septiembre de 2011

Estrategias para reducción de las Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (II)

En el post anterior comentaba, que para resolver el tema de las emisiones de los motores diesel marinos, los fabricantes de los mismos han estado desarrollando un número de soluciones posibles, pero que todas ellas se pueden clasificar en estrategias internas o externas.

El post se refería, dentro de las estrategias internas, a las Estrategias basadas en el proceso de inyección de combustible, en los próximos post trataré de explicar las modificaciones que se efectúan en los diferentes sistemas que intervienen en el proceso de introducción del comburente (aire) en el interior del cilindro (tumble, swirl, squish band, “timing” de válvulas y sobrealimentación) con el objetivo de aumentar el rendimiento del motor y disminuir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera.

En este caso, las alternativas que parecen más adecuadas son las siguientes:

a) El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón.

b) Modificar la relación de compresión efectiva del motor mediante la modificación del ángulo de cierre de la válvula de admisión.
Esta estrategia es la base del ciclo Miller.

c) Incrementar la presión de sobrealimentación.

Los numerosos estudios realizados sobre cada una de estas alternativas han demostrado que generalmente las estrategias internas que reducen las emisiones de NOx incrementan las de partículas y viceversa.

Este problema es conocido en el ámbito de la investigación en motores como el dilema Diesel.

El requisito clave para emisiones bajas en NOx es un aumento de la relación de compresión del motor. Hace años, una relación de compresión de 11 a 12 era el estándar.

Para cumplir con las normas IMO Tier I, la relación de compresión se aumentó a 14 ó 15, y para IMO Tier II fue necesario relaciones de compresión de 17.

El otro pilar del concepto es el Ciclo de Miller, es decir, la modificación de la sincronización de válvulas del motor para obtener una combustión más fría.

Para cumplir con las reglamentaciones de IMO Tier I sólo se utilizaba un efecto Miller pequeño de 5%. Sin embargo, IMO Tier II requiere un efecto Miller de 20%.
Éste es un gran reto para el turbocompresor, el cual tiene que proporcionar presiones muy altas de sobrealimentación para mantener los valores actuales de la Presión Media Efectiva.

El diseño de los colectores de admisión, la cámara de combustión y la corona del pistón

Tumble, Swirl y Squish

Las medidas incluyen mejoras de la geometría de la corona del pistón y reducción de la formación de vórtices a la entrada de la cámara de combustión.

Un mayor grado de turbulencia se puede alcanzar con el movimiento en el gas a medida que este se introduce a través de las válvulas por medio de un diseño adecuado de los colectores de admisión y de la cámara de combustión. El efecto que se pretende conseguir es optimizar el aprovechamiento del oxígeno contenido en el gas atrapado en el cilindro.

Las investigaciones confirman que la generación de movimiento en dirección axial paralela al eje del cilindro (tumble) y en dirección tangencial (swirl) durante la carrera de admisión, favorece posteriormente el fenómeno de propagación de la llama tras la carrera de compresión.

En el caso de motores Diesel, es mucho más relevante el movimiento de swirl que el movimiento de tumble.

Squish es el espacio libre existente entre la cabeza del pistón cuando se encuentra en su PMS y la pared inferior de la culata.

El resultado final es un incremento del rendimiento térmico y una reducción importante en las emisiones de CO y HC.

jueves, 8 de septiembre de 2011

Estrategias para reducción de las Emisiones Contaminantes en Motores Diesel Marinos (I)

El calentamiento de la atmósfera es el principal desafió medioambiental que hoy afronta la humanidad a nivel mundial.

Entre los problemas que están actualmente en discusión figuran las principales sustancias contaminantes del aire producidas por el transporte marítimo:

Óxidos de azufre (SOx)
Óxidos de nitrógeno (NOx)
Partículas materiales en suspensión
Gases de efecto invernadero, especialmente el dióxido de carbono CO2

Para resolver el tema de las emisiones de los motores diesel marinos los fabricantes de los mismos han estado desarrollando un número de soluciones posibles pero todas ellas se pueden clasificar en estrategias internas o externas.

La adopción de estrategias internas de reducción de emisiones en un motor consisten en la modificación de sus características básicas, totalmente integradas en cualquier motor diesel: Inyección de combustible, sobrealimentación, regulación, “timing” de válvulas, para lograr una temperatura de combustión menor, temperaturas más homogéneas en la cámara de combustión y el enfriamiento del aire de combustión que entra en el cilindro.

Estrategias basadas en el proceso de inyección de combustible

En estas estrategias se modifica algún parámetro o varios simultáneamente, relacionado con el sistema de inyección, que es el encargado de introducir el combustible en el cilindro.

Cómo y cuándo se produce la inyección de combustible determina el desarrollo de la combustión y la formación de emisiones.

La presión de inyección, el instante de inicio de inyección y la duración de la misma son determinantes para la atomización de combustible, el tamaños de las gotas, el proceso de mezcla combustible/aire y el choque del chorro contra las paredes del pistón.

En los sistemas de inyección convencionales la generación de presión, la dosificación del combustible y la distribución van unidas en el mismo dispositivo.

Esto produce que:

- La presión de inyección aumente junto con el Nº de revoluciones y el caudal de inyección.
- Durante la inyección aumente la presión de inyección, pero hasta el final de la inyección disminuye otra vez hasta el valor de la presión de cierre de inyector.

Las consecuencias de ello son:

- Los caudales de inyección pequeños se inyectan con presiones más bajas y la presión punta es más del doble que la presión de inyección media.
- El desarrollo de la inyección es aproximadamente triangular.

En la figura podemos apreciar, en una forma gráfica, lo expresado anteriormente. A bajas revoluciones el motor no desarrolla todo su potencial por tener una baja presión de inyección y altas revoluciones la presión punta de inyección es mayor que la necesaria.


Lo anterior mencionado no sucede con el sistema "Common Rail" ya que en estos sistemas la generación de presión está separada de la dosificación y de la inyección de combustible; esto tiene la ventaja de poder tener una presión de inyección constante que no dependa del Nº de revoluciones.

El sistema "Common Rail" permite:

_ Retrasar en el inicio de inyección
_ Incrementar la presión de inyección
_ Dividir la inyección en diferentes etapas
_ Introducir pre-inyecciones
_ Introducir post-inyecciones
_ Combinar pre-inyecciones y post-inyecciones

Incrementar la presión de inyección

Al aumentar la presión de inyección se incrementa la velocidad de penetración y por tanto el combustible llega antes al dosado estequiométrico (el necesario para la combustión por difusión).

Dividir la inyección en diferentes etapas

El control electrónico de la inyección permite efectuar una pre-inyección, la inyección principal y una post-inyección.

La pre-inyección o Inyección Piloto consiste en inyectar una pequeña cantidad de combustible unos grados antes de la inyección principal que origina un aumento de la temperatura dentro de la cámara de combustión pudiendo mejorar el grado de rendimiento de la combustión y consiguiendo los siguientes efectos:

- La presión de compresión aumenta ligeramente mediante una reacción previa o combustión parcial, con lo cual se reduce el retardo de encendido de la inyección principal.

- Se reduce el aumento de la presión de combustión y las puntas de presión de combustión, dando como resultado una combustión más suave y un menor ruido del motor.

Su efecto sobre las emisiones de los gases de escape es escaso.

La post-inyección consiste en inyectar una pequeña cantidad de combustible unos grados después de que termine la inyección principal.

El combustible inyectado en una post-inyección no se quemará en condiciones óptimas ya que es inyectado bien avanzada la carrera de expansión, aumentando la formación de hollín y el consumo del mismo.

La ventaja es una elevada temperatura de los gases quemados, facilitando la oxidación de los humos en la carrera de expansión.
Modificando la geometría de la tobera

Modificando la disposición y usando los agujeros múltiples para la inyección permite mejorar el proceso de la combustión.

En un próximo post trataré de explicar las modificaciones que se efectúan en la sobrealimentación, regulación y el “timing” de válvulas con el objetivo de aumentar el rendimiento del motor y disminuir las emisiones de gases contaminantes a la atmósfera.

sábado, 3 de septiembre de 2011

Maersk y los Barcos PortaContenedores Clase “Triple-E” (III)

La clase se denomina "Triple-E” por los tres principales objetivos que hay detrás de su creación: Economía de escala, Eficiencia energética y rendimiento Ecológico.


En los post anteriores me referí a la Economía de Escala y a la Eficiencia Energética de los mismos, hoy trataré de explicar el rendimiento Ecológico.

La actividad humana genera dióxido de carbono (CO2) y monóxido de carbono (CO) en grandes cantidades siendo los contaminantes emitidos en mayor cantidad a la atmósfera por causas no naturales.

El uso de energía, dominado por los combustibles fósiles, es el factor clave de las emisiones de dióxido de carbono (CO2).

El CO2 se produce en todos los procesos de combustión. Por tanto, se produce en grandes cantidades en todos los sistemas de transporte, incluido el marítimo y son sospechosas de contribuir al calentamiento global, que puede potencialmente provocar daños o problemas ambientales y económicos incalculables.

Para la salud del planeta tenemos que seguir reduciendo nuestras emisiones de CO2 a la atmósfera.

El CO procede principalmente de la combustión incompleta de la gasolina o del gasoil en los motores pero no es un contaminante preocupante en el transporte marítimo, porque se produce en cantidades relativamente pequeñas.

Las emisiones de CO2 desde buques son directamente proporcionales al consumo de combustible para todos los usos; propulsión, auxiliares, calefacción y otros.

La principal forma de reducir las emisiones de CO2 es reducir el consumo de combustibles, es decir, mejorar el rendimiento energético de los buques.

Como este objetivo es también favorable económicamente, hay por parte de las compañías marítimas, una dinámica positiva, efectuando cambios en la construcción de los mismos como ser:

- disminuir la velocidad del buque en un 10% que reduce el consumo de combustible en un 25%
- motores más modernos que consumen menos combustible
- pinturas especiales que reducen el rozamiento con el agua

El proyecto del buque Triple-E es un paso significativo hacia la solución de los problemas ambientales asociados con el transporte de mercancías en todo el mundo.

Compromiso con la reducción de las emisiones de CO2
A pesar de su tamaño, los Barcos Triple-E serán por lejos los más amigables con el medioambiente cuando en 2013 entren en servicio.

Los buques utilizarán aproximadamente un 35 % menos de combustible por contenedor transportado que los buques portacontenedores actuales de 13.000 TUE.

Si los comparamos con el Emma Maersk, el barco más eficiente hoy, emitirán 20 % menos de dióxido de carbono (CO2) por contenedor transportado y 50 % menos que el promedio de los barcos que navegan en el comercio entre Asia-Europa en la actualidad.

Pero la disminución del consumo de combustible y menores emisiones a la atmósfera no es solo el objetivo en el diseño de estos barcos.

Para reducir el impacto ambiental de los buques más allá de su ciclo de vida, Maersk determinó un nuevo estándar en el reciclaje de buques, teniendo en cuenta el concepto de “cradle to cradle” (de la cuna a la cuna en español).

El manifiesto del arquitecto estadounidense William McDonough y el químico alemán Michael Braungart en su libro Cradle to Cradle es un llamamiento a la transformación de la industria humana mediante el diseño ecológicamente inteligente, el cual se refiere al ciclo de vida óptimo de los materiales utilizados en la fabricación de un producto: específicamente que se deben biodegradar y ser absorbidos nuevamente dentro de la naturaleza o ser reciclados.
No perdidos.

En su opinión, la industria y el medio ambiente no son contrarios ni enemigos, sino que, combinándose, pueden ofrecer oportunidades al comercio para mejorar la gestión del consumo en beneficio de las empresas, pero también de las personas y del planeta.

Según el Cradle to Cradle, podríamos mantener nuestro ritmo de consumo derrochador sin perjudicar el medio ambiente, siempre que creásemos técnicas de producción más eficaces y, lo que es más importante, siempre que no produjésemos residuos.

El Barco Triple-E de Maersk fijará un nuevo estándar para la construcción naval sostenible ya que los materiales utilizados para su construcción se documentarán y asignarán para cada embarcación.

También se facilitará el reciclaje de cada barco una vez que éste deje de ser operativo, ya que al estar todo exhaustivamente documentado garantizará que los materiales se pueden reutilizar, reciclar o eliminar de la forma más segura y eficiente.



viernes, 2 de septiembre de 2011

Maersk y los Barcos PortaContenedores Clase “Triple-E” (II)

La clase se denomina "Triple-E” por los tres principales objetivos que hay detrás de su creación: Economía de escala, Eficiencia energética y rendimiento Ecológico.

En el post anterior me referí a la Economía de Escala, hoy trataré de explicar el por qué de la Eficiencia Energética.

Una de las razones principales de la superior eficacia se encuentra en la Sala de Máquinas del Triple-E.

También aquí los diseñadores partieron de la experiencia del Emma Maersk.

El Triple-E está diseñado para navegar a una velocidad máxima de 23 nudos y de manera óptima a 19 nudos (concepto de slower steaming, reducción de la velocidad de navegación), en comparación con la velocidad máxima del Emma Maersk, de 25 nudos.

Esa pequeña diferencia en la velocidad máxima significa una disminución en la potencia de energía requerida para su propulsión que es de solamente 65-70 megavatios comparados a los 80 megavatios del Emma. Esto disminuye la potencia necesaria del motor en un 19 por ciento, lo que permite una mayor economía de combustible, que además disminuye la emisión de CO2 a la atmósfera.


Una menor velocidad máxima también permitió considerar que los motores podrían funcionar en revoluciones más lentas. Esto proporciona un rendimiento energético más alto.

Conservar la eficacia creada por las menores revoluciones de los motores requiere un mayor diámetro de la hélice, sin embargo, las dimensiones del barco y del espacio disponible debajo de la quilla limitan el tamaño de ésta.

Para atenuar estas restricciones y para alcanzar la eficacia deseada, la investigación determinó que el sistema de -dos motores/dos hélices- era superior a la disposición de -un motor/una hélice-.

El Triple-E tiene dos motores MAN de 43.000 HP de dos tiempos de funcionamiento lento (de carrera ultra-larga) y dos grandes hélices, una combinación denominada "twin skeg" que permite ahorrar un 4% de energía en comparación con el sistema -un motor/una hélice-.

Sistema de recuperación del calor desprendido (WHR)

Una gran proporción de la energía del combustible –alrededor del 25 %– se pierde por disipación con los gases de escape. Las turbinas de alta eficiencia para motores marinos de dos tiempos permiten aprovechar para otros usos, parte de los gases de escape de los motores.

En este buque se ha conseguido reducir considerablemente el consumo de combustible gracias al sistema de recuperación del calor desprendido denominado WHR (de las siglas en inglés "waste heat recovery"), que capta y reutiliza el calor y la presión de los gases de escape del motor, que normalmente se desperdicia en forma de energía disipada.

En la figura podemos ver la configuración del sistema instalado en el Emma Maersk.


El motor del buque equipado con turbocompresores TPL85-B de ABB se combina con un sistema WHR, en el cual la turbina de potencia PTL3200 de ABB se combina con una turbina de vapor.

Esta disposición, aprovecha plenamente el potencial energético del calor residual, produciendo vapor sobrecalentado en la caldera de gases de escape a la salida de los turbocompresores que sirve para alimentar una turbina de vapor que mueve el generador.

De esta manera se consigue una potencia añadida máxima de 8.500 kW, lo que supone un ahorro de más del 10 % en consumo de combustible y emisiones de la máquina al régimen continuo máximo (MCR).

En el video podemos apreciar el diseño con los 2 motores principales:


En un próximo post me referiré al rendimiento Ecológico.


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