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.

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.

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.

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.