Un buque metanero es un buque cisterna diseñado para transportar gas natural licuado (GNL).
El primer buque cisterna de gas natural licuado en alta mar del mundo fue Mtane Pioneer , que entró en servicio en 1959 con una capacidad de carga de 5.500 metros cúbicos (190.000 pies cúbicos). [1] Desde entonces se han construido buques metaneros de tamaño cada vez mayor, lo que ha dado lugar a la flota actual, donde navegan por todo el mundo buques gigantes Q-Max LNG que pueden transportar cada uno hasta 266.000 m 3 (9.400.000 pies cúbicos).
La fracturación hidráulica ("fracking") permitió un auge en la producción de gas natural de EE. UU., lo que generó un gran crecimiento en la producción de gas natural a partir de 2010. [2] La primera instalación de exportación de GNL de EE. UU. se completó en 2016, y le siguieron más. [3] La creciente oferta de gas natural en los EE.UU. y las instalaciones de exportación ampliaron la demanda de buques metaneros para transportar GNL por todo el mundo. [4]
La invasión rusa de Ucrania en 2022 aumentó drásticamente la demanda de transporte de GNL en todo el mundo. Los envíos estadounidenses a Europa se duplicaron con creces en 2022, a 2,7 billones de pies cúbicos. [5]
El primer buque metanero Pionero de metano (5.034 DWT ), con 5.500 metros cúbicos (190.000 pies cúbicos), clasificado por Bureau Veritas, zarpó del río Calcasieu en la costa del Golfo de Luisiana el 25 de enero de 1959. Con el primer cargamento marítimo de GNL del mundo, navegó al Reino Unido donde se entregó la carga. [1] El éxito del buque estándar tipo C1-M-AV1 especialmente modificado Normarti , rebautizado como Mtane Pioneer , provocó que el Gas Council y Conch International Mamine Ltd. ordenaran la construcción de dos buques de GNL especialmente diseñados: Mtane Princess y Mtane Progress. . Los barcos estaban equipados con tanques de carga de aluminio independientes Conch y entraron en el comercio de GNL de Argelia en 1964. Estos barcos tenían una capacidad de 27.000 metros cúbicos (950.000 pies cúbicos).
A finales de la década de 1960 surgió la oportunidad de exportar GNL desde Alaska a Japón , y en 1969 se inició el comercio con TEPCO y Tokyo Gas . En Suecia se construyeron dos barcos, Polar Alaska y Arctic Tokyo , cada uno con una capacidad de 71.500 metros cúbicos (2.520.000 pies cúbicos). A principios de la década de 1970, el gobierno de Estados Unidos alentó a los astilleros estadounidenses a construir buques de transporte de GNL, y se construyeron un total de 16 buques de GNL. A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980 surgió la perspectiva de los buques de GNL en el Ártico y se estaban estudiando una serie de proyectos.
Con el aumento de la capacidad de carga a aproximadamente 143.000 metros cúbicos (5.000.000 de pies cúbicos) que costó 250 millones de dólares, [6] se desarrollaron nuevos diseños de tanques, desde Moss Rosenberg hasta Technigaz Mark III y Gaztransport No.96.
El tamaño y la capacidad de los buques de GNL han aumentado significativamente, [7] a 170.000 metros cúbicos (6.000.000 de pies cúbicos). Un barco podría costar 200 millones de dólares. [6]
Desde 2005, Qatargas ha sido pionero en el desarrollo de dos nuevas clases de buques metaneros, denominados Q-Flex y Q-Max . Cada barco tiene una capacidad de carga de entre 210.000 y 266.000 metros cúbicos (7.400.000 y 9.400.000 pies cúbicos) y está equipado con una planta de relicuefacción.
Hoy [ ¿ cuándo? ] Vemos interés por los buques de transporte de GNL a pequeña escala. Algunos necesitan permanecer debajo de las balsas salvavidas de los cruceros y los buques Ropax. Algunos ejemplos son el Damen LGC 3000 [8] y el Seagas.
Hasta 2005 se habían construido un total de 203 buques, de los cuales 193 todavía estaban en servicio. A finales de 2016, la flota mundial de transporte de GNL estaba compuesta por 439 buques. [9] En 2017, se estima que hay 170 buques en uso al mismo tiempo. [10] A finales de 2018, la flota mundial era de aproximadamente 550 buques. [11]
En 2021-2022, un envío de GNL de EE. UU. a Europa podría generar una ganancia de entre 133 y 200 millones de dólares. Las tarifas de envío eran de 100.000 dólares por día [12] incluso para contratos de 5 años, pero pueden variar entre 60.000 y 250.000 dólares. [13]
En 2021, se encargaron 90 nuevos buques metaneros. [15] Para 2022, la alta demanda había desplazado las entregas de nuevos pedidos hasta 2027. [13]
En noviembre de 2018, los constructores navales surcoreanos firmaron contratos de transporte de GNL a gran escala durante tres años (más de 50 pedidos) por un valor de 9.000 millones de dólares. Los constructores surcoreanos captaron el 78% de los contratos de construcción naval relacionados con el GNL en 2018, de los cuales el 14% fue para constructores japoneses y el 8% para constructores chinos. Los nuevos contratos impulsarían la flota mundial de GNL en un 10%. Históricamente, de la flota mundial, alrededor de dos tercios de los barcos han sido construidos por surcoreanos, el 22% por japoneses, el 7% por chinos y el resto construido por una combinación de Francia, España y Estados Unidos. El éxito de Corea del Sur se debe a la innovación y al precio; Los constructores surcoreanos introdujeron los primeros buques de GNL tipo rompehielos y los constructores surcoreanos han logrado satisfacer la creciente preferencia de los clientes por los buques Q-max en lugar del tipo Moss. [dieciséis]
En 2018, Hyundai Mipo Dockyard (HMD) de Corea del Sur entregó el primer granelero del mundo alimentado con GNL. Tiene la mayor capacidad del mundo con 50.000 TPM. [17]
Según datos de SIGTTO, en 2019 había 154 metaneros encargados y 584 metaneros en funcionamiento. [18]
En 2017, Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering entregó el Christophe de Margerie , un buque cisterna de GNL rompehielos de 80.200 toneladas de peso muerto. Su capacidad de 172.600 m 3 (6.100.000 pies cúbicos) es el consumo de Suecia durante un mes. [19] Completó su primer viaje comercial desde Noruega a través de la Ruta del Mar del Norte en el Océano Ártico hasta Corea del Sur. [20] El astillero tiene catorce más encargados. [21]
En el caso de los buques metaneros de pequeña escala (transportadores de GNL de menos de 40.000 m 3 (1.400.000 pies cúbicos)), el tamaño óptimo de un buque está determinado por el proyecto para el que está construido, teniendo en cuenta el volumen, el destino y las características del buque. [22]
Lista de constructores de buques de GNL a pequeña escala:
Un buque metanero típico tiene de cuatro a seis tanques ubicados a lo largo de la línea central del buque. Alrededor de los tanques hay una combinación de tanques de lastre , ataguías y huecos; de hecho, esto le da al buque un diseño de tipo doble casco.
Los buques de GNL, al igual que los portaaviones, se encuentran entre los buques más difíciles de construir y demoran hasta 30 meses. [23]
Dentro de cada tanque suele haber tres bombas sumergidas. Hay dos bombas de carga principales que se utilizan en operaciones de descarga de carga y una bomba mucho más pequeña que se conoce como bomba rociadora. La bomba pulverizadora se utiliza para bombear GNL líquido para utilizarlo como combustible (a través de un vaporizador) o para enfriar tanques de carga. También se puede utilizar para "despojar" lo último de la carga en operaciones de descarga. Todas estas bombas están contenidas dentro de lo que se conoce como torre de bombas que cuelga de la parte superior del tanque y recorre toda la profundidad del tanque. La torre de bombeo también contiene el sistema de medición del tanque y la línea de llenado del tanque, todos los cuales están ubicados cerca del fondo del tanque.
En los recipientes de membrana también hay un tubo vacío con una válvula de pie accionada por resorte que se puede abrir mediante peso o presión. Esta es la torre de bombas de emergencia. En caso de que ambas bombas de carga principales fallen, se puede quitar la parte superior de esta tubería y bajar una bomba de carga de emergencia hasta el fondo de la tubería. Se vuelve a colocar la parte superior en la columna y luego se permite que la bomba empuje hacia abajo la válvula de pie y la abra. Luego se puede bombear la carga.
Todas las bombas de carga descargan en una tubería común que corre a lo largo de la cubierta del buque; se bifurca a ambos lados del buque hasta los colectores de carga, que se utilizan para la carga o descarga.
Todos los espacios de vapor del tanque de carga están conectados a través de un cabezal de vapor que corre paralelo al cabezal de carga. Este también tiene conexiones a los costados del barco junto a los colectores de carga y descarga.
Un ciclo de carga típico comienza con los tanques en una condición "libre de gas", lo que significa que los tanques están llenos de aire, lo que permite el mantenimiento del tanque y las bombas. La carga no se puede cargar directamente en el tanque, ya que la presencia de oxígeno crearía una condición atmosférica explosiva dentro del tanque, y el rápido cambio de temperatura causado por la carga de GNL a -162 °C (-260 °F) podría dañar los tanques.
En primer lugar, el tanque debe ser "inertecado" para eliminar el riesgo de explosión. Una planta de gas inerte quema diésel en el aire para producir una mezcla de gases (normalmente menos del 5 % de O2 y aproximadamente el 13 % de CO 2 más N 2 ). Esto se sopla en los tanques hasta que el nivel de oxígeno esté por debajo del 4%.
A continuación, el barco llega a puerto para "cargar combustible" y "enfriarse", ya que todavía no se puede cargar directamente en el tanque: el CO 2 se congelará y dañará las bombas y el choque de frío podría dañar la columna de la bomba del tanque.
El GNL se lleva al buque y se lleva a lo largo de la línea de aspersión hasta el vaporizador principal, que hierve el líquido hasta convertirlo en gas. Luego se calienta a aproximadamente 20 °C (68 °F) en los calentadores de gas y luego se sopla hacia los tanques para desplazar el "gas inerte". Esto continúa hasta que se elimina todo el CO 2 de los tanques. Inicialmente, el IG (gas inerte) se ventila a la atmósfera. Una vez que el contenido de hidrocarburos alcanza el 5% (rango de inflamabilidad más bajo del metano), los compresores HD (alta resistencia) redirigen el gas inerte a la costa a través de una tubería y una conexión múltiple. Luego, la terminal costera quema este vapor para evitar el peligro de tener grandes cantidades de hidrocarburos presentes que pueden explotar.
Ahora el recipiente está lleno de gas y caliente. Los tanques todavía están a temperatura ambiente y están llenos de metano.
La siguiente etapa es el enfriamiento. El GNL se pulveriza en los tanques mediante cabezales rociadores, que se vaporizan y comienzan a enfriar el tanque. El exceso de gas se arroja nuevamente a la costa para volver a licuarse o quemarse en una antorcha . Una vez que los tanques alcanzan aproximadamente -140 °C (-220 °F), están listos para la carga masiva.
Comienza la carga a granel y el GNL líquido se bombea desde los tanques de almacenamiento en tierra a los tanques de los buques. Los compresores HD impulsan el gas desplazado a la costa. La carga continúa hasta que normalmente se alcanza el 98,5 % de su capacidad (para permitir la expansión/contracción térmica de la carga).
El buque ahora puede proceder al puerto de descarga. Durante el paso se pueden utilizar varias estrategias de gestión de la ebullición. El gas de ebullición se puede quemar en calderas para proporcionar propulsión, o se puede volver a licuar y devolver a los tanques de carga, según el diseño del buque.
Una vez en el puerto de descarga, la carga se bombea a tierra utilizando las bombas de carga. A medida que el tanque se vacía, el espacio de vapor se llena con gas procedente de tierra o vaporizando parte de la carga en el vaporizador de carga. O bien se puede bombear el barco lo más lejos posible, bombeando el último con bombas pulverizadoras, o se puede conservar parte de la carga a bordo como "talón".
Es una práctica normal mantener a bordo entre el 5% y el 10% [ cita necesaria ] de la carga después de la descarga en un tanque. Esto se conoce como talón y se utiliza para enfriar los tanques restantes que no tienen talón antes de cargarlos. Esto debe hacerse gradualmente, de lo contrario los tanques sufrirán un choque frío si se cargan directamente en tanques calientes. El enfriamiento puede tardar aproximadamente 20 [24] horas en un barco Moss (y entre 10 y 12 horas en un barco tipo membrana), por lo que llevar un talón permite realizar el enfriamiento antes de que el barco llegue a puerto, lo que supone un importante ahorro de tiempo.
Si toda la carga se bombea a tierra, en el paso de lastre los tanques se calentarán hasta la temperatura ambiente, devolviendo el buque a un estado cálido y gaseoso. A continuación, el recipiente puede enfriarse nuevamente para su carga.
Si el recipiente va a volver a un estado libre de gas, los tanques deben calentarse utilizando calentadores de gas para hacer circular gas caliente. Una vez que los tanques se calientan, se utiliza la planta de gas inerte para eliminar el metano de los tanques. Una vez que los tanques están libres de metano, la planta de gas inerte pasa a producción de aire seco, que se utiliza para eliminar todo el gas inerte de los tanques hasta que tengan una atmósfera de trabajo segura.
El transporte de gas natural, tanto en forma de GNL como por gasoductos, provoca emisiones de gases de efecto invernadero, pero de diferentes formas. En el caso de los oleoductos, la mayoría de las emisiones provienen de la producción de tubos de acero; En el caso del GNL, la mayoría de las emisiones provienen de la licuefacción. Tanto para los gasoductos como para el GNL, la propulsión provoca emisiones adicionales (presurización del gasoducto, propulsión del buque metanero). [7]
Hoy en día se utilizan cuatro sistemas de contención para embarcaciones de nueva construcción. Dos de los diseños son del tipo autoportante, mientras que los otros dos son del tipo membrana y hoy las patentes son propiedad de Gaztransport & Technigaz (GTT).
Existe una tendencia hacia el uso de dos tipos diferentes de membranas en lugar de sistemas de almacenamiento autoportantes. Lo más probable es que esto se deba a que los tanques de membrana prismática utilizan la forma del casco de manera más eficiente y, por lo tanto, tienen menos espacio vacío entre los tanques de carga y los tanques de lastre. Como resultado de esto, un diseño tipo Moss en comparación con un diseño de membrana de igual capacidad será mucho más costoso para transitar por el Canal de Suez . Sin embargo, los tanques autoportantes son más robustos y tienen mayor resistencia a las fuerzas de chapoteo, y posiblemente se considerarán en el futuro para almacenamiento en alta mar, donde el mal tiempo será un factor importante.
Los tanques de GNL Spherical IMO tipo B, que llevan el nombre de la empresa que los diseñó, la empresa noruega Moss Maritime, tienen forma esférica. La mayoría de los buques tipo Moss tienen cuatro o cinco tanques.
El exterior de los tanques tiene una gruesa capa de aislamiento de espuma que se coloca en paneles o en diseños más modernos enrollados alrededor del tanque. Sobre este aislamiento se coloca una fina capa de "papel de aluminio" que permite mantener el aislamiento seco con una atmósfera de nitrógeno. Esta atmósfera se revisa constantemente para detectar cualquier presencia de metano que indique una fuga del tanque. Además, el exterior del tanque se revisa a intervalos de tres meses para detectar puntos fríos que indiquen una falla en el aislamiento.
El tanque está sostenido alrededor de su circunferencia por el anillo ecuatorial, que está sostenido por un gran faldón circular, conocido como par de datos, que es una combinación única de aluminio y acero, que lleva el peso del tanque a la estructura del barco. Este faldón permite que el tanque se expanda y contraiga durante las operaciones de enfriamiento y calentamiento. Durante el enfriamiento o el calentamiento, el tanque puede expandirse o contraerse unos 60 cm (24 pulgadas). Debido a esta expansión y contracción, todas las tuberías que llegan al tanque llegan a la parte superior y están conectadas a las líneas del barco mediante fuelles flexibles.
Dentro de cada tanque hay un conjunto de cabezales rociadores. Estos cabezales están montados alrededor del anillo ecuatorial y se utilizan para rociar GNL sobre las paredes del tanque para reducir la temperatura.
Los tanques normalmente tienen una presión de trabajo de hasta 22 kPa (3,2 psi), pero se puede aumentar para una descarga de emergencia. Si ambas bombas principales fallan al retirar la carga, las válvulas de seguridad del tanque se ajustan para levantar a 100 kPa (1 bar). Luego se abre la línea de llenado que va al fondo del tanque junto con las líneas de llenado de los demás tanques a bordo. Luego se eleva la presión en el tanque con las bombas defectuosas, lo que empuja la carga hacia otros tanques donde se puede bombear. [25]
Diseñado por Ishikawajima-Harima Heavy Industries, el tanque prismático autoportante tipo B (SPB) se emplea actualmente sólo en dos buques. Los tanques tipo B limitan los problemas de chapoteo, una mejora con respecto a los tanques de membrana para transporte de GNL que pueden romperse debido al impacto de chapoteo, destruyendo así el casco del barco. Esto también es de suma importancia para FPSO LNG (o FLNG).
Además, los tanques de GNL tipo B de la OMI pueden sufrir daños internos accidentales debido, por ejemplo, a fugas internas del equipo. Esto se incorporó al diseño luego de varios incidentes ocurridos dentro de los tanques de membrana de GNL. [ cita necesaria ]
Diseñados por Technigaz , estos tanques son del tipo membrana. La membrana consta de acero inoxidable con "gofres" para absorber la contracción térmica cuando se enfría el tanque. La barrera principal, hecha de acero inoxidable corrugado de aproximadamente 1,2 mm (0,047 pulgadas) de espesor, es la que está en contacto directo con el líquido de carga (o vapor en condiciones de tanque vacío). A esto le sigue un aislamiento primario que a su vez está cubierto por una barrera secundaria hecha de un material llamado "triplex", que es básicamente una lámina metálica intercalada entre láminas de lana de vidrio y comprimidas entre sí. Éste está nuevamente cubierto por un aislamiento secundario que a su vez está sostenido por la estructura del casco del barco desde el exterior. [26] [27]
Desde el interior del tanque hacia afuera las capas son:
Diseñados por Gaztransport , los tanques constan de una membrana delgada primaria y secundaria hecha del material Invar que casi no tiene contracción térmica. El aislamiento está hecho de cajas de madera contrachapada rellenas de perlita y bañadas continuamente con gas nitrógeno. La integridad de ambas membranas se controla permanentemente mediante la detección de hidrocarburos en el nitrógeno. NG2 propone una evolución, con la sustitución del nitrógeno por argón como gas inerte y aislante. El argón tiene un mejor poder de aislamiento que el nitrógeno, lo que podría ahorrar un 10% del gas de ebullición. [27] [28]
CS1 significa Sistema Combinado Número Uno. Fue diseñado por las empresas ahora fusionadas Gaztransport y Technigaz y consta de los mejores componentes de los sistemas MkIII y No96. La barrera primaria está hecha de invar de 0,7 mm (0,028 in) y la secundaria de Triplex. El aislamiento primario y secundario se compone de paneles de espuma de poliuretano.
Se construyeron tres buques con tecnología CS1 [ ¿cuándo? ] por un astillero, pero los astilleros establecidos han decidido mantener la producción del MKIII y del NO96. [ cita necesaria ]
Para facilitar el transporte, el gas natural se enfría a aproximadamente -163 °C (-261 °F) a presión atmosférica, momento en el que el gas se condensa hasta convertirse en líquido. Los tanques a bordo de un buque metanero funcionan efectivamente como termos gigantes para mantener frío el gas licuado durante el almacenamiento. Sin embargo, ningún aislamiento es perfecto, por lo que el líquido hierve constantemente durante el viaje.
Según WGI, en un viaje típico se estima que entre el 0,1% y el 0,25% de la carga se convierte en gas cada día, dependiendo de la eficiencia del aislamiento y las irregularidades del viaje. [29] [30] En un viaje típico de 20 días, se puede perder entre el 2% y el 6% del volumen total de GNL cargado originalmente. [29]
Normalmente [ ¿ según quién? ] un buque cisterna de GNL funciona mediante turbinas de vapor con calderas. Estas calderas son de combustible dual y pueden funcionar con metano, aceite o una combinación de ambos.
El gas producido en la ebullición se desvía tradicionalmente a las calderas y se utiliza como combustible para el buque. Antes de utilizar este gas en las calderas, es necesario calentarlo a unos 20 °C mediante calentadores de gas. El gas se alimenta a la caldera mediante la presión del tanque o se aumenta la presión mediante los compresores de servicio bajo [ se necesita clarificación ] .
El combustible con el que funciona el barco depende de muchos factores que incluyen la duración del viaje, el deseo de llevar un talón para el enfriamiento, el precio del petróleo versus el precio del GNL y las demandas portuarias de gases de escape más limpios .
Hay tres modos básicos disponibles: [ cita necesaria ]
Ebullición mínima/aceite máximo : en este modo, las presiones del tanque se mantienen altas para reducir la ebullición al mínimo y la mayor parte de la energía proviene del fueloil. Esto maximiza la cantidad de GNL entregado pero permite que la temperatura del tanque aumente debido a la falta de evaporación. Las altas temperaturas de la carga pueden causar problemas de almacenamiento y de descarga.
Máxima ebullición/mínimo aceite : En este modo las presiones del tanque se mantienen bajas y hay una mayor ebullición pero aún se usa una gran cantidad de fueloil. Esto reduce la cantidad de GNL entregada, pero la carga se entregará fría, como prefieren muchos puertos.
100% gas : las presiones de los tanques se mantienen a un nivel similar al máximo de ebullición, pero como esto puede no ser suficiente para satisfacer todas las necesidades de las calderas, se debe "forzar" la vaporización de GNL adicional. Una pequeña bomba en un tanque suministra GNL al vaporizador forzador, donde se calienta y se vaporiza nuevamente en un gas que se puede utilizar en las calderas. En este modo no se utiliza gasóleo.
Reciente [ ¿ cuándo? ] avances en la tecnología de plantas de relicuificación que se instalarán en los buques, lo que permitirá relicuar el ebullición y devolverlo a los tanques. Debido a esto, los operadores y constructores de los buques han podido contemplar el uso de motores diésel de baja velocidad más eficientes (anteriormente la mayoría de los buques de GNL funcionaban con turbinas de vapor ). Las excepciones son el buque de GNL Havfru (construido como Venator en 1973), que originalmente tenía motores diésel de combustible dual, y su barco hermano Century (construido como Lucian en 1974), también construido con turbinas de gas de combustible dual antes de ser convertido a un motor diésel. sistema en 1982. [ cita necesaria ]
Ya están en servicio buques que utilizan sistemas de propulsión diésel eléctrico dual o tricombustible, respectivamente DFDE/TFDE. [31]
Recientemente, ha habido interés en volver a la propulsión mediante gas de ebullición. Esto es el resultado del reglamento anticontaminación de la OMI de 2020 que prohíbe el uso de fueloil marino con un contenido de azufre superior al 0,5% en buques que no estén equipados con una planta depuradora de gases de combustión. Las limitaciones de espacio y los problemas de seguridad generalmente impiden la instalación de dichos equipos en los buques de GNL, lo que los obliga a abandonar el uso de fueloil de menor costo y alto contenido de azufre y cambiar a combustibles bajos en azufre que cuestan más y escasean. En estas circunstancias, el gas de ebullición puede convertirse en una opción más atractiva. [32]
En comparación con el petróleo, hay menos preocupación pública por los derrames de gas natural licuado (GNL) en buques que transportan gas, ya que el gas se vaporizaría rápidamente y se convertiría en metano atmosférico . [33]
Hasta 2004, no se produjeron descargas accidentales significativas de GNL en cerca de 80.000 tránsitos portuarios cargados de buques de GNL. [34]
Un análisis de varios buques esféricos mostró que los buques pueden soportar una colisión lateral de 90 grados con otro buque de GNL similar a 6,6 nudos (50% de la velocidad normal del puerto) sin pérdida de la integridad de la carga de GNL . [35] Esto se reduce a 1,7 nudos para la colisión de un petrolero de 300.000 TPM completamente cargado contra un buque de GNL. El informe también señala que este tipo de colisiones son raras. [34]
HAZID realizó una evaluación de riesgo de un derrame de GNL. Teniendo en cuenta las precauciones, la capacitación, las regulaciones y los cambios tecnológicos a lo largo del tiempo, HAZID calcula que la probabilidad de un derrame de GNL es de aproximadamente 1 en 100.000 viajes. [34]
En caso de que la integridad del tanque de un transporte de GNL se vea comprometida, existe el riesgo de que el gas natural contenido en su interior se encienda y provoque una explosión o un incendio. [36]
