Amoníaco: un nuevo combustible para motores marinos

Actualmente, los buques consumen aproximadamente 300 millones de toneladas de productos derivados del petróleo al año y emiten entre el 3% y el 4% del total de las emisiones de CO2 causadas por la actividad humana. Al mismo tiempo, el transporte comercial flota Desempeña un papel fundamental en la economía mundial, transportando más del 80% de toda la carga.

Comparación de las emisiones de SOx de cruceros y automóviles en puertos europeos.
En 1973, la OMI (Organización Marítima Internacional) adoptó el Convenio Internacional para Prevenir la Contaminación por los Buques (MARPOL 73/78), que fue complementado por los Protocolos de 1978 y 1997 y se actualiza constantemente mediante las enmiendas pertinentes. El Convenio MARPOL abarca la contaminación causada por los buques por hidrocarburos, sustancias líquidas nocivas transportadas a granel, sustancias nocivas transportadas por mar envasadas, aguas residuales, basura y la prevención de la contaminación atmosférica por los buques. MARPOL ha contribuido significativamente a la reducción de la contaminación ambiental derivada del transporte marítimo internacional y se aplica al 99 % del tonelaje mercante mundial.
El primer paso fue limitar las emisiones atmosféricas de óxido de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx) generadas durante la combustión de combustible en los sistemas de propulsión marina. El Reglamento para la Prevención de la Contaminación Atmosférica por Buques – Anexo VI del MARPOL (que entró en vigor el 19 de mayo de 2005) establece ciertas zonas de control de emisiones de óxido de azufre (SOx) con controles de emisiones de azufre más estrictos y zonas de control de emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) para las normas de emisiones de NOx de Nivel III (Zonas de Control de Emisiones de Óxidos de Azufre, Óxidos de Nitrógeno). Las Zonas de Control de Emisiones (ECA) son zonas de control de emisiones de azufre (SECA) o zonas de control de emisiones de óxido de nitrógeno (NECA).
De conformidad con las Regulaciones de la OMI en virtud del Anexo VI del Convenio MARPOL, todas las Zonas de Control de Emisiones (ECA, por sus siglas en inglés) cuentan actualmente con límites de emisión de SOx (SECA, por sus siglas en inglés) y límites de emisión de NOx (NECA, por sus siglas en inglés).
Actualmente están instaladas las siguientes ECA:
• Mar Báltico y Mar del Norte (Báltico y Mar del Norte).
• Área de América del Norte. Incluye las zonas costeras de los Estados Unidos, incluidas las islas de Hawái, y Canadá.
• Área del Mar Caribe de EE. UU. (islas del Caribe de EE. UU.).
• Mar Mediterráneo.
• Ártico canadiense y mar de Noruega.
Entró en vigor el 1 de marzo de 2026.
Además, la OMI considera que el Atlántico Nororiental es una posible Zona de Control de Emisiones (ECA) en el futuro previsible. Varios países, entre ellos China, Corea del Sur, Australia y México, ya han propuesto incluir sus aguas territoriales en las ECA.

*** Los buques construidos a partir del 1 de enero de 2016 y que operen en estas zonas de control de emisiones deberán cumplir con las normas NOx Tier III establecidas en la reglamentación 13.5 del Anexo VI del Convenio MARPOL.
**** Un buque construido a partir del 1 de enero de 2021 y que opere en estas zonas de control de emisiones deberá cumplir con las normas NOX Tier III establecidas en la reglamentación 13.5 del Anexo VI del Convenio MARPOL.
Zonas ECA
Dentro de la ECA, el contenido máximo de azufre en el combustible marino no debe exceder el 0,1 %, mientras que fuera de la ECA se permite hasta un 0,5 %. ¡Y aun así, el autor recuerda con nostalgia los viejos tiempos en los que tenía que trabajar con fuelóleo pesado con un contenido de azufre de hasta el 4,5 %!

Requisitos de la OMI para el contenido de azufre en los combustibles marinos
Fuera de la zona SECA, los buques construidos en 2010 o antes deben cumplir al menos con los estándares de emisiones de NOx de Nivel I, mientras que los construidos en 2011 o después deben cumplir con los estándares de Nivel II. Si bien las emisiones de Nivel I y Nivel II se logran mediante modificaciones en el diseño del motor, las emisiones de Nivel III solo se pueden lograr mediante un tratamiento especial de los gases de escape.
El uso de depuradores en las áreas de control de emisiones permite el uso de combustibles con mayor contenido de azufre. En el depurador, los gases de escape se rocían con agua (de mar o dulce), que absorbe los óxidos de azufre y, en cierta medida, los óxidos de nitrógeno, formando ácidos, así como el hollín, que se recoge en un tanque de lodos. El agua residual se descarga al mar, si lo permiten las normativas locales (circuito abierto), o bien, tras la neutralización con álcalis y la eliminación del hollín, se reincorpora al proceso (circuito cerrado), generalmente con agua dulce.

depurador de circuito abierto

depurador de circuito cerrado
Para lograr el cumplimiento de la normativa Tier III sobre NOx, se utilizan diversos métodos, entre ellos:
1. Reducción catalítica selectiva (SCR)
En este sistema, se inyecta urea o amoníaco en los gases de escape antes de que pasen por un sistema compuesto por un lecho catalítico especial, a una temperatura de entre 300 y 400 grados Celsius. La reacción química entre la urea/amoníaco y los NOx presentes en los gases de escape reduce las emisiones de NOx (NO y NO₂) a N₂. La unidad SCR se instala entre el colector de escape y el turbocompresor. Este método reduce las emisiones de NOx en más del 90 %.
2. Recirculación de gases de escape (EGR)
Esta tecnología devuelve una parte de los gases de escape del turbocompresor al receptor de barrido tras pasar por una unidad de depuración (lavado de gases de escape). Esto reduce las emisiones de NOx entre un 50 % y un 60 % en comparación con la normativa Tier I.
La reducción de NOx se produce al disminuir la proporción de aire en exceso (contenido de oxígeno) utilizado para la combustión; la adición de CO2 y vapor de agua reduce las temperaturas máximas.
Las medidas mencionadas anteriormente aumentan significativamente los costos operativos y reducen la eficiencia económica de los buques. Por ejemplo, reducir el contenido de azufre del combustible marino incrementa su costo en un promedio del 20%, y la instalación de depuradores cuesta más de 300 1 € por cada MW de potencia del motor, sin incluir los costos operativos posteriores.
Desde 2011, la OMI se ha comprometido a combatir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) mediante la incorporación del Capítulo 4 al Anexo VI del Convenio MARPOL, «Reglamento sobre eficiencia energética de los buques». Este reglamento se aplica a los buques de 400 toneladas brutas o más que realizan viajes internacionales.
Se introdujeron el Índice de Diseño de Eficiencia Energética (EEDI) para buques nuevos, el Plan de Gestión de la Eficiencia Energética de los Buques (SEEMP) y el Sistema de Recopilación de Datos de Combustible (DCS) para buques de más de 5000 toneladas.
El EEDI mide la cantidad de gramos de CO2 emitidos por tonelada-milla, incentivando así el uso de equipos más eficientes. Cuanto menor sea el EEDI, más eficiente será el buque. La fórmula considera los parámetros técnicos del buque (potencia del motor, velocidad, peso muerto). El EEDI alcanzado debe ser inferior al EEDI requerido, que se actualiza cada cinco años. Es obligatorio para la mayoría de los buques nuevos de 400 toneladas brutas o más, cuyo contrato de construcción se firmó después del 1 de enero de 2013.
En 2018 y 2023, la OMI definió su estrategia para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes del transporte marítimo mundial.

Estrategia de la OMI sobre emisiones de gases de efecto invernadero
Los Indicadores de Intensidad de Carbono (IIC), requisitos para la clasificación de buques (de la A a la E) según su eficiencia operativa, se implementaron en 2023. El IIC mide la eficiencia energética operativa de un buque y se calcula anualmente. Indica la cantidad de gramos de dióxido de carbono (CO₂) emitidos por unidad de trabajo de transporte. Utiliza datos del Sistema de Recopilación de Datos de la OMI (SRD), que ya es obligatorio para los buques.
El método más eficaz para reducir las emisiones nocivas de los motores marinos, aparte de los sistemas de propulsión nuclear y totalmente eléctrico, es el uso de combustibles alternativos. Estos pueden incluir:
• El gas natural licuado (GNL) está fácilmente disponible y reduce eficazmente las emisiones de SOx y NOx, pero requiere almacenamiento criogénico (-162 °C). tanques alta presión. La desventaja es que el contenido energético del GNL por unidad de volumen es solo el 43% del del fuelóleo con alto contenido de azufre. Por lo tanto, los tanques de combustible ocupan 3-4 veces más espacio en comparación con los buques que funcionan con combustible tradicional. Un ejemplo del uso de GNL es la línea de motores diésel de dos tiempos de baja velocidad Everllence B&W ME-GI (anteriormente MAN B&W ME-GI) con una capacidad de 4350-82400 kW a 56-167 rpm. Desde 2014, ya se han encargado 1000 de estas unidades. Según estimaciones de expertos, la participación del GNL en el volumen total de combustible marino alcanzará el 23% para 2050 (actualmente es alrededor del 0,3%). En comparación con el fuelóleo pesado tradicional, el GNL permite una reducción de las emisiones de CO2 en un 20-30%, de SOx en casi un 100% y de NOx en un 80-90%.



Buques con motores diésel de combustible dual que funcionan con GNL (de arriba a abajo): buque guardacostas Turva (Finlandia), rompehielos Polaris (Finlandia), crucero Costa Smeralda

Everllence B&W ME-GI

Línea de motores diésel Everllence B&W ME-GI
• Gas licuado de petróleo (GLP). De fácil acceso, no requiere tanques de alta presión ni temperaturas ultrabajas para su almacenamiento. No produce emisiones de SOx y reduce las emisiones de CO2. Un ejemplo es la línea de motores diésel de dos tiempos y baja velocidad Everllence B&W ME-LGIP (anteriormente MAN B&W ME-LGIP). Desde 2018, se han encargado más de 270 unidades.
• Gas etano licuado (LEG). Fácilmente disponible, almacenado a temperaturas criogénicas (por debajo de -100 °C), pero requiere un aislamiento de tanque más delgado que el GNL debido a su punto de ebullición más alto. Reduce las emisiones de óxidos de azufre (SOx), óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2) en comparación con el fuelóleo pesado (HFO) y el gasóleo marino (MDO) tradicionales. Un ejemplo es la gama Everllence B&W ME-GIE (anteriormente MAN B&W ME-GIE) de motores diésel de dos tiempos y baja velocidad. Potencia 8300-29 120 kW a 62-127 rpm.
• Etanol y metanol. El metanol permanece líquido a temperaturas de -93 °C a +65 °C (a presión atmosférica), lo que elimina la necesidad de sistemas complejos de almacenamiento criogénico (el costo de un sistema de combustible que utiliza metanol es aproximadamente 1/3 del precio de un sistema de GNL para un motor marino). Puede producirse a partir de gas natural, carbón y fuentes renovables. Existen tecnologías para producir metanol directamente a partir de emisiones nocivas a la atmósfera, lo que parece ser la más prometedora en términos de reducción de emisiones de COx. Las emisiones de NOx dependen del tipo de motor utilizado. En el caso de un motor diésel de dos tiempos, se observará una reducción del 30 % en las emisiones (en comparación con el fuelóleo con alto contenido de azufre), mientras que su uso en un motor de cuatro tiempos reducirá las emisiones en un 60 %. Una desventaja importante del metanol, en contraste con el etanol, es su alta toxicidad, pero el costo del etanol es significativamente mayor que el del metanol. El metanol, como combustible para motores, tiene un alto índice de octano y baja inflamabilidad. Su punto de inflamación es de +9 °C y su viscosidad es de 5,9 mM.2/s a 21 °C, temperatura de autoignición elevada. El etanol se caracteriza por un punto de inflamación bajo (13 °C), baja viscosidad (1,2 m2/s) y una temperatura de autoignición elevada. Tanto el metanol como el etanol pueden utilizarse en mezclas con fueloil en diversas proporciones.
En 2015, los motores principales del ferry de carga y pasajeros Stena Germanica se adaptaron por primera vez para funcionar con metanol. El sistema de combustible instalado permitió el uso de cuatro motores Wärtsilä-Sulzer 8ZAL40S de velocidad media en modo de combustible dual. Según las mediciones, cuando los motores principales funcionaban con metanol, las emisiones de óxido de azufre (SOx) disminuyeron un 99 %, las de óxido de nitrógeno (NOx) un 60 %, las de dióxido de carbono (CO2) un 25 % y las de partículas un 95 %.

Muro Germanica
El primer motor marino de dos tiempos del mundo propulsado por metanol fue el Everllence B&W ME-LGIM (anteriormente MAN B&W ME-LGIM). Su desarrollo comenzó en 2012 y la primera embarcación equipada con este motor entró en servicio en 2016. Además de metanol, el motor puede funcionar con fuelóleo pesado (HFO), gasóleo marino (MDO) o gasóleo marino (MGO). En 2024, Everllence probó con éxito el motor de cuatro tiempos 21/31 DF-M con etanol.

Everllence B&W ME-LGIM en un banco de pruebas

Línea de motores diésel Everllence B&W ME-LGIM

• Hidrógeno. El H2 es otra opción de combustible marino alternativo que se está considerando actualmente. Para su uso en buques, el hidrógeno se licúa (el líquido criogénico tiene una temperatura de -240 °C), se coloca en tanques de compresión o se almacena como un compuesto químico. Producido a partir de fuentes de energía renovables, el hidrógeno se está convirtiendo en uno de los combustibles más limpios con cero emisiones de gases de efecto invernadero. Al quemarse, produce solo vapor de agua. Se están desarrollando motores de combustible dual (p. ej., 85 % hidrógeno + 15 % diésel) para usar hidrógeno, y los motores diésel marinos existentes se pueden modernizar, lo cual es especialmente importante para los buques costeros. Anglo Belgian Corporation (ABC) produce motores de hidrógeno con una capacidad de 1000-2800 kW. El método más eficiente para usar hidrógeno son las pilas de combustible, que se utilizan para generar electricidad. La producción de hidrógeno, al igual que las pilas de combustible, está bien desarrollada, pero aún no es competitiva en precio con los motores marinos convencionales. Sin embargo, el almacenamiento de hidrógeno requiere volúmenes significativamente mayores que los combustibles tradicionales.

Comparación de la masa y el volumen de combustibles fósiles e hidrógeno líquido.
• Amoníaco. Se considera uno de los tipos de combustible marino alternativo más prometedores.

Comparación de las características del combustible
Continuará ...
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