Un motor de GNL marino es un motor de combustible dual que utiliza gas natural y combustible búnker para convertir la energía química en energía mecánica. Debido a las propiedades de combustión más limpia del gas natural, el uso de gas natural en plantas de propulsión de buques mercantes se está convirtiendo en una opción para las empresas con el fin de cumplir con las regulaciones ambientales de la OMI y MARPOL . El gas natural se almacena en estado líquido ( GNL ) y el gas de ebullición se envía a los motores de combustible dual y se quema en ellos. [1] Las compañías navieras han sido cautelosas al elegir un sistema de propulsión para sus flotas. El sistema de turbina de vapor ha sido la principal opción como motor principal en los buques metaneros durante las últimas décadas. El sistema de décadas de antigüedad en los buques metaneros propulsados por vapor utiliza BOG (gas de ebullición). Los buques metaneros están muy aislados para mantener el GNL a alrededor de -160 °C, para mantenerlo licuado. A pesar del aislamiento, el área de contención del GNL es penetrada por el calor, lo que permite que el gas de ebullición (BOG) se genere de forma natural. [2]
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El transporte de GNL comenzó a ser una posibilidad en 1959, cuando el Methane Pioneer, un carguero reconvertido de la Segunda Guerra Mundial, transportó de forma segura gas natural licuado al Reino Unido. Tras demostrar que el GNL se puede transportar de forma segura a través del océano, la industria del transporte de GNL experimentó un auge y ahora emplea 200 mil millones de dólares anuales en capital. Desde el inicio de la industria del GNL en 1964, el comercio internacional se ha multiplicado por 50, la capacidad de producción por 10 y la capacidad de cada barco por 5. El diseño del buque cisterna de GNL fue creado inicialmente por Worm's and Co. Este diseño ahora se conoce como el diseño de transporte de gas. Los tanques se crearon inicialmente para albergar 34.000 metros cúbicos, pero el diseño se ha transformado en 71.500 metros cúbicos. Los tanques esféricos de GNL aparecieron en 1973, cuando Hoegh construyó el Norman Lady. Los tanques esféricos son comunes entre los buques de GNL modernos. En 1999, Samsung Heavy Ind. creó el mayor buque metanero de nueva membrana de su época. Fue el buque monocasco más grande de su época, con una longitud de 278,8 metros y una capacidad de 20,7 nudos. El Arctic Princess, entregado en 2006, fue el mayor buque metanero jamás creado. Tiene 288 metros de largo y una capacidad de 147.000 metros cúbicos. Desde 2006, las capacidades han seguido aumentando. Los buques metaneros de nueva construcción entregados a los clientes en 2018 suelen estar diseñados para pasar por el Canal de Panamá ampliado (neopanamax) y tienen una capacidad de 170.000 metros cúbicos.
El gas natural que alimenta los motores de doble combustible se transporta en los barcos en forma de líquido hirviendo y a una presión ligeramente superior a la atmosférica. Cuando el aislamiento del tanque es penetrado por una afluencia de calor, hace que la temperatura del gas natural licuado aumente, lo que permite la vaporización de líquido a gas. Cuando el calor penetra en el tanque, la presión del tanque aumenta debido a la evaporación. El aislamiento de los tanques está diseñado con la tecnología más avanzada. Aun así, el calor penetra el aislamiento de los tanques. La evaporación se produce durante el viaje del barco. Durante una tormenta, la carga de GNL se mueve y chapotea en los tanques. El gas evaporado representa entre el 0,1% y el 0,25% de la capacidad del barco por día. Los tanques deben mantenerse a una presión constante. Si la presión en los tanques es demasiado alta, las válvulas de alivio y seguridad se abren, ventilando el gas evaporado a la atmósfera hasta que se alivia el exceso de presión. Debido a que la relicuefacción de GNL a bordo no es económica para la mayoría de los barcos, el gas producido por la ebullición se envía al sistema de propulsión del barco y se utiliza como combustible para plantas de energía, como calderas de vapor y motores diésel marinos de combustible dual. Esto reduce el uso de combustible búnker, lo que reduce los costos de combustible y mantenimiento de equipos. [3]
El Supreme de Samsung era un buque portacontenedores de GNL tipo Mark-III, el más grande de su tipo. El Supreme tenía la tecnología más nueva vista en los buques de GNL. Cuenta con tanques completamente rodeados por un casco de doble fondo y una ataguía entre los tanques. Cada tanque almacena su carga a -163 grados Celsius. Esta es una temperatura de almacenamiento estándar para GNL. Esto se logra mediante 250 mm de aislamiento y una membrana de acero inoxidable de 1,2 mm de espesor. Cada tanque de carga tiene bombas centrífugas sumergidas para descargar la carga rápidamente. Este es el método de descarga estándar para los tanques de GNL. La sequía máxima para los buques de GNL es típicamente de 12 metros. Esto se debe a los tamaños y restricciones de las instalaciones portuarias. El tamaño más común de los buques de GNL varía entre 120.000 y 180.000 metros cúbicos debido a las dimensiones del barco. ( Tendencias de propulsión en los transportadores de GNL con motores de dos tiempos , 2017).
Los dos tipos más comunes de buques metaneros son los de tipo musgo y los de tipo membrana. Los buques metaneros de tipo musgo tienen tanques esféricos para contener el GNL, mientras que los de tipo membrana tienen tanques rectangulares más tradicionales con una membrana de acero inoxidable. Los buques cisterna de membrana son más comunes porque son más pequeños que los buques de tipo musgo para la misma cantidad de combustible de GNL transportado, pero generan más gas de evaporación que los buques de tipo musgo.
Un estudio de MEC Intelligence concluyó que el GNL será la principal fuente de combustible para todos los buques mercantes dentro de 40 años. Muchas empresas ya han comenzado a estudiar el proceso de cambiar sus flotas a sistemas de propulsión a GNL.
Los sistemas de propulsión de buques a GNL suelen venir equipados con WHR, ya que pueden reducir las emisiones, el consumo de combustible y mejorar la eficiencia. Cambiar a buques propulsados por GNL es una tarea complicada para las empresas, pero combinados con los modernos sistemas de reducción del calor residual (WHR), los buques a GNL pueden ser más eficientes que los buques propulsados por diésel o vapor.
La mayoría de los sistemas de propulsión de los buques metaneros utilizan BOG y combustibles líquidos. En una planta de vapor, el BOG se utiliza para encender las calderas y producir vapor. El vapor impulsa las turbinas y propulsa el barco. La ventaja de este tipo es que cuando se eleva la presión del tanque de carga de GNL, el exceso de BOG se quema simultáneamente con el combustible líquido. Si no hay suficiente BOG, se utiliza combustible líquido ( fueloil pesado o HFO) para mantener la planta en funcionamiento. [2] Una alternativa al motor de turbina de vapor es el motor diésel marino de combustible dual. Los fabricantes de sistemas de propulsión de barcos comerciales, como Wärtsilä de Finlandia y MAN Diesel de Alemania, están produciendo motores diésel de combustible dual de gran diámetro. Los motores MAN B&W ME-GI tienen modos de combustible extremadamente flexibles que van desde el 95 % de gas natural hasta el 100 % de HFO y cualquier valor intermedio. Se requiere un mínimo del 5 % de HFO para el aceite piloto, ya que son motores de encendido por compresión y el gas natural no es autocombustible. [4] Las turbinas de vapor son la fuente principal de energía para los buques que utilizan GNL, aunque los motores diésel de dos tiempos son más eficientes, ya que es necesario aprovechar el gas de ebullición del GNL.
Las investigaciones recientes se han centrado en el uso de GNL como combustible en buques distintos de los buques metaneros. Estos estudios muestran que el GNL destaca en términos de reducción de emisiones y reducción de costos operativos. [1] Se ha demostrado que algunos incentivos económicos son ventajosos para operar un sistema de propulsión de GNL. Cuando se agregan ciertos sistemas como la recuperación de calor residual (utilizando el calor residual para realizar un trabajo en lugar de disiparlo) a la planta de energía, se pueden observar ahorros significativos. Un estudio muestra que un motor de GNL con un sistema WHR ahorra dinero en comparación con un motor diésel con WHR. Hay un costo de inversión inicial más alto, pero es un método rentable y respetuoso con el medio ambiente. [5]
El gas natural se compone principalmente de metano, que tiene un efecto invernadero mucho más fuerte que el CO 2 ref: Potencial de calentamiento global . Los impactos climáticos del metano se deben en gran medida a la fuga de metano . Por ejemplo, existe un problema llamado deslizamiento de metano. El deslizamiento de metano es cuando el gas se filtra sin quemar a través del motor. [ cita requerida ] El metano tiene un GWP(20) (potencial de calentamiento global de 20 años) que es 86 veces mayor que el CO 2 . Si el deslizamiento de metano no se controla, los beneficios ambientales del uso de gas natural se reducen y pueden anular las ventajas sobre el diésel o el combustible búnker debido al alto efecto invernadero del metano. [6] Otro desafío son los peligros asociados con el GNL almacenado a temperaturas muy bajas. El aislamiento del tanque es fundamental y existen posibilidades de fragilidad estructural y lesiones por congelación del personal. [1] Básicamente, dado que se ha demostrado que el GNL para la propulsión de buques reduce el CO2 y otros contaminantes en comparación con los combustibles pesados comunes, la implementación del GNL depende de estos factores clave: disponibilidad de gas, demanda de buques, límites de emisiones (áreas de emisiones controladas), instalación de tanques de GNL y requisitos de seguridad. [1] Se deben tener en cuenta los desafíos relacionados con el uso de GNL. Desafíos como la falta de infraestructura en la mayoría de los puertos comerciales, la experiencia limitada de la tripulación en el funcionamiento de motores con combustibles gaseosos, el precio futuro del gas y las medidas de seguridad requeridas son todos puntos críticos que se deben considerar. [5]
El uso de GNL reduce los óxidos de azufre en casi un 100 por ciento y reduce la emisión de óxido de nitrógeno en aproximadamente un 85 por ciento. [ cita requerida ] Existe un debate considerable sobre si el uso de GNL resulta en una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, y los estudios han encontrado que las fugas de metano anulan los beneficios climáticos. [7] [8]
Los requisitos relativos al uso de combustible GNL en el transporte marítimo, en particular los requisitos técnicos y de seguridad, se establecen en el Código internacional de seguridad para los buques que utilizan gases u otros combustibles de bajo punto de inflamación , abreviado como Código IGF. [9]