Motor marino de GNL - Marine LNG Engine

Un motor marino de GNL es un motor de combustible dual que utiliza gas natural y combustible de 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 las plantas de propulsión de buques mercantes se está convirtiendo en una opción para las empresas a 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 y se quema en motores de combustible dual. Las navieras han sido cautelosas a la hora de elegir un sistema de propulsión para sus flotas. El sistema de turbina de vapor ha sido la principal elección como motor principal en los transportadores de GNL durante las últimas décadas. El sistema de décadas de antigüedad en los transportadores de GNL propulsados ​​por vapor utiliza BOG (gas de ebullición). Los transportadores de GNL están fuertemente aislados para mantener el GNL a alrededor de -160 ° C, para mantenerlo licuado. Lo que sucede es que incluso con todo el aislamiento, el área de contención de GNL es penetrada por calor, lo que permite el gas de ebullición (BOG) generado naturalmente.

Petrolero / quimiquero con motor de GNL Tern Ocean en el Firth of Clyde

Historia

El envío de GNL se convirtió por primera vez en una posibilidad en 1959 cuando el Methane Pioneer, un carguero convertido de la Segunda Guerra Mundial transportó de manera segura gas natural licuado al Reino Unido. Después de demostrar que el GNL se puede transportar de manera 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 se ha multiplicado por 10 y la capacidad de los buques individuales se ha multiplicado por 5. El diseño del tanque de GNL fue creado inicialmente por Worm's and Co. Este diseño ahora se conoce como el Diseño de Transporte de Gaz. Los tanques se crearon inicialmente para contener 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 transportador de GNL de tipo Membrana Nueva de su tiempo. Era el buque de casco único más grande de su tiempo, con una eslora de 278,8 metros y una capacidad de 20,7 nudos. El Arctic Princess, entregado en 2006, fue el petrolero de GNL más grande jamás creado. Tiene 288 metros de largo y una capacidad de 147.000 metros cúbicos. Desde 2006, las capacidades han seguido aumentando. Los buques de GNL de nueva construcción entregados a los clientes en 2018 a menudo están diseñados para pasar por el Canal de Panamá ampliado (neopanamax) y tienen una capacidad de 170.000 metros cúbicos. Al menos un constructor de barcos afirma que es posible un buque de GNL neopanamax de 200.000 metros cúbicos https://www.gastechevent.com/sites/default/files/D2_T2_Johan%20Petter-Tutturen-Odin%20Kwon_DSME.pdf

Gas de ebullición

El gas natural que alimenta los motores de combustible dual se transporta en los barcos como un líquido en ebullición y se transporta a una presión ligeramente superior a la atmosférica. Cuando el aislamiento del tanque es penetrado por una entrada 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 ebullición. El aislamiento de los tanques está diseñado con la tecnología más avanzada. Aún así, el aislamiento de los tanques es penetrado por el calor. El hervor se produce durante el viaje del barco. Durante una tormenta, la carga de GNL se mueve y chapotea en los tanques. El gas de ebullición representa entre el 0,1% y el 0,25% de la capacidad de los buques por día. Los tanques deben mantenerse a una presión constante. Si la presión en los tanques aumenta demasiado, se abren las válvulas de seguridad y de alivio, ventilando la ebullición a la atmósfera hasta que se alivie el exceso de presión. Debido al hecho de que la re-licuefacción de GNL a bordo no es rentable 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 centrales eléctricas como calderas de vapor y motores diésel marinos de combustible dual. . Esto reduce el uso de combustible búnker y, por lo tanto, reduce los costos de mantenimiento de equipos y combustible.

Tecnología

El Supreme de Samsung era un buque portacontenedores de GNL tipo Mark-III que era el más grande de su tipo. El Supreme tenía la tecnología más nueva vista en barcos 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. Ésta 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 tanques de GNL. La sequía máxima para los buques de GNL suele ser de 12 metros. Esto se debe al tamaño y las 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 motores de dos tiempos para transportadores de GNL , 2017).

Los dos tipos comunes de transportadores de GNL son Moss y Membrane. Los transportadores tipo musgo cuentan con tanques esféricos para contener GNL, mientras que los transportadores estilo membrana cuentan con tanques de estilo rectangular más tradicionales con una membrana de acero inoxidable. Los petroleros de membrana son más comunes porque son más pequeños que los barcos de musgo por la misma cantidad de combustible de GNL transportado, pero generan más gas de ebullición que los barcos de estilo Moss.

Un estudio de MEC Intelligence encontró que el GNL será la principal fuente de combustible para todos los buques mercantes dentro de 40 años. Muchas empresas ya han comenzado a analizar el proceso de cambiar sus flotas a sistemas de propulsión de GNL.

Los sistemas de propulsión de buques de GNL generalmente vienen equipados con WHR, porque pueden conducir a emisiones reducidas, menor consumo de combustible y mejor eficiencia. Cambiar a buques propulsados ​​por GNL es una tarea complicada para las empresas, pero combinado con los modernos sistemas de reducción de calor residual (WHR), los buques de GNL pueden ser más eficientes que los buques propulsados ​​por diesel o vapor.

Pérdida de calor del motor de combustión estándar:

Sistemas de propulsión

La mayoría de los sistemas de propulsión de los buques de GNL 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 e impulsa el barco. La ventaja de este tipo es que cuando se eleva la presión del tanque de carga de GNL, el BOG excesivo se quema simultáneamente con el combustible líquido. Si no hay suficiente BOG, se utiliza combustible líquido ( fuel oil pesado o HFO) para mantener la planta en funcionamiento. Una alternativa al motor de turbina de vapor es el motor diesel 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 doble combustible de gran calibre. Los motores MAN B&W ME-GI tienen modos de combustible extremadamente flexibles que van desde 95% gas natural hasta 100% HFO y cualquier punto intermedio. Se requiere un mínimo de 5% de HFO para el aceite piloto, ya que estos son motores de encendido por compresión y el gas natural no es autocombustible. Las turbinas de vapor son exclusivamente la principal fuente de movimiento para los barcos de GNL, aunque los motores diésel de 2 tiempos son más eficientes. Esto se debe a que es necesario utilizar el gas de ebullición del GNL.

Beneficios de costos

La investigación reciente se ha centrado en el uso de GNL como combustible en barcos que no sean buques tanque de GNL. Estos estudios muestran que el GNL se destaca en términos de reducción de emisiones y costos operativos reducidos. Se ha demostrado que algunos incentivos económicos son ventajosos para ejecutar un sistema de propulsión de GNL. Cuando se agregan a la planta de energía ciertos sistemas, como la recuperación de calor residual (que utiliza el calor residual para trabajar en lugar de disiparse), 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 ecológico.

Cuestiones ambientales

El gas natural se compone principalmente de metano, que tiene un efecto invernadero mucho más fuerte que el CO2 ref: potencial de calentamiento global . Los impactos climáticos del metano se deben en gran medida a las fugas de metano. Por ejemplo, existe un problema llamado deslizamiento de metano. El deslizamiento de metano ocurre cuando el gas se escapa sin quemar a través del motor. El metano tiene un GWP (20) (potencial de calentamiento global de 20 años) que es 86 veces más alto que el CO2. Si no se controla el deslizamiento de metano, los beneficios ambientales del uso de gas natural se reducen y pueden anular las ventajas sobre el diesel o el combustible búnker debido al alto efecto invernadero del metano. Otro desafío son los peligros asociados con el almacenamiento del GNL a temperaturas muy bajas. El aislamiento del tanque es fundamental y existen posibilidades de fragilidad estructural y lesiones por congelación del personal. Esencialmente, dado que se establece que el GNL para propulsión de barcos reduce el CO2 y otros contaminantes en comparación con los fuelóleos pesados ​​comunes, la implementación del GNL depende de estos factores clave: disponibilidad de gas, demanda de barcos, límites de emisión (áreas de emisión controlada), instalación de tanques de GNL, y requisitos de seguridad. Deben tenerse 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 operando motores con combustibles de gas, el precio futuro del gas y las medidas de seguridad requeridas son puntos críticos a considerar.

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. Existe un debate considerable sobre si el uso de GNL da como resultado una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, y los estudios encuentran que las fugas de metano niegan los beneficios climáticos.

Referencias