Salvatore Garofalo - Università degli Studi di Napoli Federico II

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria Navale
TESI DI LAUREA
Le tecnologie Dual Fuel nel trasporto via mare di gas naturali e studio di
conversione dell'apparato motore di una LNG Carrier con capacità di
carico di 145.000 m3
Relatore:
Candidato:
Prof. Ing. Franco Quaranta
Salvatore Garofalo
Matr. N48/356
Anno Accademico 2011 - 2012
1
2
Indice
Introduzione
5
Capitolo I – Il gas naturale come combustibile e la normativa internazionale
antinquinamento
I.1 Le caratteristiche dei gas naturali
9
I.2 Cenni sulla chimica della combustione e qualità del metano quale combustibile
10
I.3 Introduzione alla normativa e riduzione delle emissioni inquinanti
12
I.4
L'Annesso VI : Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships
12
I.5
Le emissioni di CO2 e la relativa implementazione dell'annesso IV
16
Capitolo II – Le LNG Carriers ,il contenimento del carico e i BOG
II.1 Introduzione
19
II.2 GNL e GPL : tipi di trasporto via mare
19
II.3 Le navi metaniere e cenni sui sistemi di contenimento del carico
20
II.3.1.
Le cisterne a membrana
21
II.3.2.
Le cisterne sferiche e prismatiche
23
II.3.3.
Confronto tra le tipologie di sistemi di contenimento del carico
25
II.4 Il Boil off gas (BOG)
25
II.5 Cenni sull'impianto di riliquefazione
28
Capitolo III - I sistemi di propulsione delle navi metaniere
III.1 Introduzione
31
III.2 La scelta dell'impianto di propulsione
32
III.3 Le alternative a disposizione
34
III.4 Impianto di propulsione con turbina a vapore tradizionale
35
III.5 Le tecnologie Diesel/Gas
37
Capitolo IV – I motori con tecnologia Dual Fuel
IV.1
Introduzione
43
IV.2
Il BOG,dalle cisterne del carico ai motori attraverso il
3
IV.3
IV.4
IV.5
circuito di alimentazione
43
Il Dual Fuel Diesel Engine (DF)
44
IV.3.1 Le fasi costituenti il ciclo di funzionamento di un motore DF
46
IV.3.2 Il motore Wartsila 50DF
48
IV.3.3 Il sistema di alimentazione del combustibile
50
IV.3.4 Commutazione del funzionamento da Gas Mode a Diesel Mode
53
Il Gas Diesel Engine (GD)
54
IV.4.1 Le fasi costituenti il ciclo di funzionamento di un motore GD
54
IV.4.2 Il sistema di alimentazione del combustibile
56
IV.4.3 Commutazione del funzionamento da Gas Mode a Diesel Mode
58
Data sheet del Gas Diesel MAN B&W con tecnologia ME-GI (Gas Injection)
58
Capitolo V – Studio di conversione dell'apparato motore di una LNG Carrier da
145.000mm3 propulsa da un impianto turbina a vapore
V.1
Obiettivo ed analisi di lavoro
61
V.2
Dati di input di nave metaniere “Muscat LNG”
63
V.2.1 Stima della quantità giornaliera disponibile di BOG
64
V.2.2 Stima potenza richiesta dall'asse e ai servizi
64
V.3
Stima potenza richiesta totale e analisi della prima soluzioni propulsiva
65
V.4
Ipotesi di utilizzo di solo BOG e influenza sui regimi/velocità nave
70
V.5
Soluzione alternativa – Gas Diesel Engine 2T lento
73
V.6
Gestione dei BOG in eccesso
77
Conclusioni
78
Bibliografia e sitografia
79
4
Introduzione
Negli ultimi anni si sta ponendo particolare attenzione alla crescita dell'utilizzo dei gas
naturali quali combustibili per uso industriale e lentamente ciò sta caratterizzando anche
l'ambito navale a tal punto che i gas naturali stanno via via affiancando i Fuel Oil
,tradizionalmente utilizzati nei motori marini,quali combustibili alternativi per un numero
sempre maggiore di navi con profilo di missione differenti.
Infatti l'utilizzo di gas è sempre stato limitato ad impianti che riuscissero a bruciarlo in
caldaie traendo potenza termica adeguata a produrre per esempio vapore da destinare alle
turbine e sopratutto ristretto alle sole navi che ,per il loro particolare impiego, potevano
disporne e in quantità utili; ci si riferisce alle LNG Carrier, comunemente note come navi
metaniere.
Le moderne tecnologie stanno portando le case costruttrici di motori termici primi per la
propulsione navale alla realizzazione sempre più numerosa dei cosiddetti Dual Fuel
Engines ,motori Diesel che utilizzano come combustibile alternativamente Fuel Oil e Gas e
che quindi estendono l'utilizzo di gas anche a navi non dotate di impianti turbina a vapore.
I motivi di questo grande interesse risiedono sinteticamente nei seguenti punti:
• Dal punto di vista della riduzione delle emissioni, il gas naturale presenta
praticamente solo vantaggi: essendo composto prevalentemente da metano, è il
combustibile commerciale di origine fossile con il più basso rapporto C/H e
permette quindi, a parità di potenza termica generata, di ridurre le emissioni di
anidride carbonica; essendo inoltre possibile rimuovere le impurità contenenti
zolfo prima della combustione, si può eliminare il problema dell’emissione di
ossidi di zolfo; con il suo utilizzo si ottengono anche migliori efficienze di
combustione e quindi minori emissioni di incombusti (monossido di carbonio).
• Nell’ottica della diversificazione delle fonti energetiche, il gas naturale può
essere affiancato ad altri combustibili fossili più tradizionali (come gli oli
combustibili) in centrali policombustibile per la produzione di energia elettrica,
ma anche alimentare centrali con cicli ad alto rendimento di ultima generazione,
nonché motori marini così come accennato in precedenza.
Pertanto si assiste alla nascita di navi la cui propulsione può essere garantita da tali
tecnologie e in taluni casi,il gas rappresenta il combustibile principale per la propulsione
con notevoli riadattamenti degli spazi interni delle navi,modificate opportunamente per
poter contenere e permettere lo stoccaggio del gas stesso.
Inoltre si registra un incremento delle richieste di conversioni degli impianti di propulsione
su navi esistenti,con adattamento degli stessi al funzionamento a gas.
5
Varie sono le soluzioni applicative proposte dai costruttori e sia i motori Diesel 4T
Semiveloci che i motori Diesel 2T Lenti, peraltro di largo impiego sulle unità mercantili,
possono essere caratterizzati dalla possibilità di operare sia in Gas Mode che in Diesel
Mode alternativamente consentendo così elevata versatilità nella scelta del combustibile e
sopratutto ingenti risparmi economici.
La tabella seguente mostra l'importanza che negli ultimi anni sta ricoprendo il gas naturale
nell'economia mondiale e come questi stia influenzando notevolmente le nuove tecnologie.
Figura 1 –“”Eni World Oil & Gas Review,2012” e consumi di metano
6
Risulta evidente la naturale propensione all'utilizzo di gas laddove risulta disponibile in
maggior quantità.
Dai dati proveniente da statistiche condotte negli ultimi anni emergono due fatti
importanti caratterizzanti la cantieristica navale: è in crescita la richiesta di metaniere per
fare fronte all'attuale mercato del GNL (la crescita della capacità di trasporto è stata di
circa il 35%,in meno di tre anni) e l'espansione delle rotte che ne vedono il trasporto.
Figura 2 – Flussi di trasporto di gas naturale
L'aumento di volumi di gas da trasportare ha radicalmente incrementato le dimensioni e
l'efficienza delle attuali metaniere in esercizio, che oggi sono caratterizzate da lunghezze
fuori tutto che possono raggiungere i 300 metri,larghezza dell'ordine dei 45 metri ed
immersioni a pieno carico che possono superare i 10 metri.
Inoltre tali unità possono raggiungere capacità di carico che varia da qualche migliaio di
m3 fino a raggiungere anche i 250.000m 3 e sono capaci di raggiungere velocità di esercizi
superiori a 20 nodi.
Figura 3 – LNG Carrier con contenimento del carico di tipo a membrana
7
Figura 4 – LNG Carrier con contenimento del carico di tipo sferico Kvaerner Moss
Si riporta di seguito il grafico sul quale si evidenzia l'andamento del mercato cantieristico
in merito alla costruzione di navi metaniere.
Figura 5 – Andamento della flotta mondiale di navi metaniere
In questo elaborato,dopo una breve descrizione delle LNG Carrier e delle alternative
propulsive disponibili per tali navi,presenteremo le tecnologie Dual Fuel attualmente
disponibili e condurremo un 'analisi dell'ipotesi di conversione dell'impianto di propulsione
con turbina a vapore,in impianto di propulsione con Dual Fuel Engines per una LNG Carrier
di capacità pari a 150.000m3 esistente,mettendo in evidenza il risparmio che si ottiene,in
termini economici ed in termini di riduzione delle emissioni inquinanti,dall'utilizzo di tali
tecnologie ed in particolar modo per tale tipologia di nave.
8
CAPITOLO I
IL GAS NATURALE COME COMBUSTIBILE E LA NORMATIVA ANTINQUINAMENTO
I.1 Le caratteristiche dei gas naturali
Il gas naturale è un gas prodotto dalla decomposizione anaerobica di materiale organico e
solitamente si trova insieme al petrolio in giacimenti nel sottosuolo.
E' costituito principalmente da metano (CH 4), la più leggera fra le molecole degli
idrocarburi; tuttavia può contenere idrocarburi allo stato gassoso più pesanti ovvero
l'etano (C2H6) propano (C3H8) e butano (C4H10), questi ultimi ottenibili anche a seguito di
distillazione del greggio.
Oltre a questi sono presenti Solfuro di idrogeno (S 2H) e Mercurio (Hg), da rimuovere
completamente prima dell'utilizzo del gas naturale.
Il suo potere calorifico superiore è di 13.284 kcal/kg mentre il potere calorifico inferiore è
11.946 kcal/kg.
Il metano è un gas incolore, chimicamente stabile, inodore, infiammabile e non tossico.
Con particolare riferimento al metano, questi ha una densità, riferita all'aria a 0°C di 0,55
kg/m3 e la sua massa volumica, in condizioni di temperatura e pressioni normali, è di
0,7174 kg/m3.
Il metano liquefa alla pressione critica di 45,96 bar ed alla temperatura critica di
-82,62°C e la sua temperatura di liquefazione a pressione atmosferica è di -161,52°C.
Ha scarsa solubilità in acqua e,in quanto inerte, può essere usato con tutti i metalli di
impiego normale; inoltre è molto più leggero dell'aria, se contenuto in cisterne, può
facilmente mescolarsi all'aria.
Il limite di infiammabilità della miscela aria-metano è compreso tra 5% e 15% a
temperatura di 20°C e la temperatura di infiammabilità a pressione atmosferica è di
580°C.
E' caratterizzato da un flash point di -188°C , temperatura di autoignizione di 600°C e
limiti di esplosione pari a circa 5,3÷14 % in volume.
Il metano non può essere liquefatto a temperatura ambiente e per farlo alla sua t c occore
una pressione di oltre 35kg/cm 2,mentre per liquefarlo alla pressione atmosferica bisogna
raffreddarlo alla sua tc ,ovvero -161,5°C.
E' tale la condizione di trasporto e si ritiene necessario sottolineare come il metano arrivi a
bordo delle navi e caricato all'interno delle cisterne destinate al suo stivaggio,già allo stato
liquido e resterà in tale fase durante tutta la durata del viaggio grazie al sistema di
coibentazione con il quale sono costruite le cisterne e che verrà brevemente descritto in
seguito.
Inoltre la densità del GNL (gas naturale liquefatto) è superiore di circa 600 volte a
9
quella del gas naturale a pressione atmosferica e a temperatura ambiente.
In altri termini la tecnologia di liquefazione riduce il volume specifico del
gas di circa 600 volte, consentendone a costi competitivi lo stoccaggio e il
trasporto in appositi serbatoi e ,sopratutto, in quantità maggiori.
Si riporta per completezza la cosiddetta “filiera del metano” attraverso la quale è possibile
evidenziare le varie fasi i vita del gas naturale dall'estrazione al sistema di distribuzione.
Figura 6 – La filiera del metano
I.2
Cenni
sulla
chimica
della
combustione
e
qualità
del
metano
quale
combustibile
La combustione è una reazione chimica che comporta l'ossidazione di un combustibile da
parte di un comburente (che in genere è rappresentato dall'ossigeno presente nell'aria),
con sviluppo di calore e radiazioni elettromagnetiche, tra cui spesso anche radiazioni
luminose.
In termini più rigorosi la combustione è una ossidoriduzione esotermica (trasformazione
che comporta una diminuzione di entalpia del sistema e dunque un trasferimento di calore
verso l'ambiente), in quanto un composto si ossida mentre un altro si riduce (nel caso
degli idrocarburi, il carbonio si ossida, l'ossigeno si riduce) con rilascio di energia e
formazione di nuovi composti, principalmente biossido di carbonio ed acqua.
10
La sintesi chimica della di quanto detto sta nelle seguenti reazioni:
• il carbonio si combina con l’ossigeno per formare anidride carbonica:
C + O2 → CO2 + Calore
• analogamente l’idrogeno si combina con l’ossigeno per formare vapore d’acqua,
con conseguente produzione di calore, secondo la formula seguente:
2H2 + O2 → 2H2O + Calore
Il metano, per esempio, è un eccellente carburante poiché produce il maggior quantitativo
di calore per massa unitaria. Bruciando una molecola di metano in presenza di ossigeno si
forma una molecola di CO2 , due molecole di H2O e si libera una quantità di calore secondo
la seguente reazione:
• CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2 O + 891 [kJ/mol]
Dalla combustione di un m 3 standard di metano si ottengono circa 36 MJ (8940 Kcal) e
per bruciarlo completamente, sono necessari circa 10 m³ di aria.
Dato che i reagenti ed i prodotti della reazione sono tutti allo stato gassoso, possiamo dire
che 1 m3 di metano richiede 2 m3 cubi di ossigeno per la combustione completa e
che produrrà nella combustione 1 m3 di CO2 e 2 m3 di vapore d’acqua.
La reazione dell’ossigeno puro e del metano è utilizzata soltanto in alcuni speciali impieghi
industriali ed esattamente quando si voglia ottenere una elevata temperatura di fiamma:
ad esempio nei cannelli per taglio di lamiere.
Tuttavia, la maggioranza delle applicazioni industriali di combustione utilizza l’aria come
sorgente comburente anziché l’ossigeno puro.
È importante rilevare che il combustibile e l’ossigeno si combinano in proporzioni ben
definite e fisse; le quantità di ossigeno e di combustibile sono pertanto in proporzioni
stechiometriche tali da permettere una completa ossidazione del combustibile senza
residui di ossigeno.
Se avessimo eccesso di combustibile oppure insufficienza di ossigeno diremmo che la
miscela è ricca .
Tale tipo di combustione è anche definita “combinazione incompleta” perché, sebbene
alcune delle particelle del combustibile vengano completamente ossidate dall’ossigeno,
altre invece non ne ricevono a sufficienza e ne consegue che la combustione di queste è
parziale. Se viceversa fornissimo alla miscela ossigeno in eccesso diremmo
che la miscela è povera e che la combustione è ossidante
Tra tutti i combustibili fossili, il metano è sicuramente il più "ecologico" ed inoltre il
numero di ottani superiore a 120 (molto più alto di quello della benzina) è indice
11
del
fatto
che
si possono avere ,con il suo utilizzo quale combustibile, rapporti
di
compressione molto elevati senza dover ricorrere all'uso di antidetonanti e, su motori
dedicati (studiati e concepiti per l'uso con questo carburante), il rendimento in termini
di potenza e prestazioni è superiore a quello della benzina.
La combustione, in camera di scoppio è completa e la resa termica è ottima, quindi
non presenta residui, riducendo di molto l'usura delle parti in movimento del
motore: pistoni, cilindri, bielle e alberi, allungando così di molto la vita media dei
motori; inoltre mantiene efficiente più a lungo l'olio motore e i filtri olio,
allungando gli intervalli tra una manutenzione e l'altra, con conseguente, ulteriore
risparmio di denaro.
I.3 Introduzione alla normativa antinquinamento e riduzione delle emissioni
inquinanti
In una quanto più possibile ampia visione degli aspetti che caratterizzano l'utilizzo di gas
naturali quali combustibile e dei motori termici primi destinati ad essere alimentati a gas e'
opportuno guardare alle attuali normative vigenti in materia di emissioni ed in particolar
modo gli inquinanti atmosferici.
A questo scopo analizzeremo l'Annesso VI della Marpol “Regulations for the Prevention of
Air Pollution from Ships” e ne schematizzeremo gli aspetti salienti.
I.4 L'Annesso VI : Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships
La
MARPOL
73/78 (Marine Pollution) è
la
principale
convenzione
internazionale
finalizzata alla prevenzione dell’inquinamento marino derivante sia dalle normali attività
operative delle navi,che da eventi del tutto eccezionali quali ,ad esempio,lo sversamento in
mare di idrocarburi.
E' una combinazione di due trattati adottati rispettivamente nel 1973 e nel 1978 ed
aggiornati negli anni successivi con numerosi emendamenti.
Costituita originariamente da cinque Annessi che riguardavano in modo specifico il
mare, più
recentemente
ha visto l'integrazione di
un
sesto annesso che riguarda
l’inquinamento dell’aria.
Quest’ultimo, denominato appunto Annesso VI adottato nel 1997 è entrato in vigore il
19.05.2005 dodici mesi dopo il raggiungimento delle condizioni che erano state prefissate
dalll'I.M.O (International Maritime Organization), per l’entrata in vigore sia di questo che
degli altri annessi , ovvero la ratifica da parte di almeno 15 stati che
rappresentassero almeno il 50 % della stazza lorda mondiale.
L’Annesso VI si applica alle navi il cui paese di bandiera abbia ratificato il protocollo 1997 e
12
a tutte le navi
che pur battendo bandiera di paesi che non sono firmatari, operano in
acque la cui competenza è di paesi aderenti a tale protocollo.
L’Annesso VI si propone di regolamentare le seguenti emissioni:
•
l'immissione di sostanze che contribuiscono negativamente all'alterazione dello
strato d'ozono in atmosfera(gas refrigeranti e /o antincendio);
•
le emissioni allo scarico degli impianti motori di bordo(in particolare NOx ed Sox);
•
l'immissione in atmosfera di componenti organici volatili ( VOC ) provenienti dalla
zona del carico di navi cisterna ;
•
emissioni da inceneritori. ;
•
detta norme di carattere generale sula qualità dei combustibili da adottare;
Nel Luglio 2005, solo due mesi dopo la entrata in vigore del protocollo, il MEPC (Marine
Environment Protection Commitee) ha ritenuto necessario procedere ad una revisione
dell’Annesso VI, in quanto le industrie terrestri stavano procedendo ad una significativa
riduzione delle loro emissioni mentre il volume di traffico marittimo stava notevolmente
aumentando.
Tale
processo di revisione ,il cui obiettivo era la consistente e ulteriore riduzione delle
emissioni,è stato concluso dal MEPC
“57” e l’intero set di emendamenti adottato
nell’Ottobre 2008 ( MEPC “58” ), con data di entrata in vigore 1° Luglio 2010, riguardava
le emissioni di ossidi di azoto (NOx), ossidi di zolfo (SOx) e tutte quelle emissioni da
“Ozone Depleting Substances”.
I
suddetti emendamenti hanno comportato perciò,rispettivamente, la variazione delle
Regole 12 ,Regola 13 e Regola 14 dell'Annesso IV.
Vediamo nel dettaglio le suddette modifiche.
Regola 12
Per quanto appena detto sull'implementazione e la variazione ad opera dei MEPC,la
Reg.12 ha confermato l'assoluta proibizione di scaricare prodotti qualificati come
potenzialmente pericolosi, sia per uso che per lavori e manutenzione, proibendo nuove
installazioni di questo tipo e accettando, solo fino al 1° gennaio 2020, impianti con HCFC
(idroclorofluorocarburi).
Ha inoltre introdotto un
“Record Book” per registrare ogni
movimento a bordo dei
prodotti considerati da tenere a disposizione delle Autorità preposte ai controlli.
Regola 13
13
La Reg. 13 ha comportato invece limiti molto più severi nei valori delle emissioni degli NOx
per questo motivo ne descriveremo più dettagliatamente il contenuto.
Si
sottolinea come i
motori
a
combustione
interna
considerati
siano
quelli
di
potenza maggiore di 130 kW, con la distinzione tra quelli costruiti ed installati dopo il
2000 e quelli precedenti.
Nell'ambito delle stessa Regola 13 sono state inoltre definite delle aree a “emissione
controllata”, le cosiddette NECA (NOx Emission Control Areas), entro le quali i sopracitati
limiti dovranno scendere ulteriormente a valori di 3,4 e 2,0 g/kWh a partire dal Gennaio
2016 con sole poche e giustificate eccezioni.
Come si è accennato la norma ha tenuto conto anche dei motori “pre-2000”ovvero quelli
istallati tra il 1 gennaio 1990 e il 31 dicembre 1999 aventi potenza maggiore di 5000
kW e cilindrata unitaria maggiore di 90 litri.
OSSIDI DI AZOTO (Nox)
(Regola 13/Parte 1: Motori istallati su navi costruite dopo il 1/1/2000)
APPLICAZIONE A MOTORI DIESEL CARATTERIZZATI DA POWER OUTPUT > 130 kW
Data di costruzione
2000
…
2011
…
2016
…
TIER I
VECCHIO ANNESSO VI
NUOVO
ANNESSO VI
NECA (OUT)
TIER I
TIER II
NECA (IN)
GIRI/min (n)
< 130
130 – 2000
> 2000
TIER III
N.A.
LIMITI (in g/kWh)
TIER I
TIER II
TIER III
17.0
45/n 0.2
9.8
14.4
44/n 0.23
7.7
3.4
9/n 0.2
2
Figura 7 – Limiti emissioni di ossidi di azoto
Per
tali
motori
la
nuova normativa
ha
richiesto il rispetto dei valori del Livello I
subordinandone l'adeguamento all'esistenza di un sistema di retrofitting certificato da un
Amministrazione firmataria della convenzione e notificata dall'I.M.O;
Regola 14
La regola 14 introduce emendamenti dal contenuto restrittivo del tutto paragonabili alla
Reg. 13 con conseguenze ancora più pesanti sullo shipping.
14
La vecchia normativa infatti prevedeva, fuori delle aree speciali, le cosiddette SECA(SOx
Emission Control Areas), l’uso di combustibili aventi un contenuto di zolfo non superiore
al 4,5%, mentre all’interno delle predette aree il contenuto massimo di zolfo non doveva
superare il 1,5%, con la possibilità di usare, in alternativa, sistemi di abbattimento degli
SOx (scrubbers) in grado di garantire emissioni non superiori a 6 g/kWh.
La
normativa
recentemente
approvata
invece
riduce, fuori delle SECA, la suddetta
percentuale al 3,5 % a partire dal 1°Gennaio 2012 e allo 0,5% dal 1°Gennaio 2020.
Entro le SECA la percentuale attuale e' dell’ 1,0%, con prevista ulteriore riduzione allo
0,1% a partire dal 1° Gennaio 2015.
Questi ultimi limiti come si può notare sono piuttosto restrittivi e, a parte i costi molto
elevati per produrre combustibili a così basso tenore di zolfo, l’industria petrolifera ha
già espresso i suoi fondati dubbi sulla reale possibilità di poterli fornire per le date
suddette e in quantità tali da soddisfare le esigenze del trasporto marittimo.
Di seguito si riporta la tabella riassuntiva dei limiti imposti da IMO ed EU riguardo il
contenuto di zolfo.
Figura 8 – Limiti emissioni di zolfo ed Aree ad Emissione Controllata ECA
15
Allo
stesso
tempo
,dal
1°Gennaio
2010
e
come
si
evince
dalle
precedenti
tabelle,limitatamente all'Unione Europea e secondo la normativa 2005/33/CE ,dovranno
essere utilizzati combustibili con appena lo 0,1% in massa di zolfo per i motori delle navi
che effettuano navigazione interna e per tutti i diesel generatori e caldaie a combustibile di
tutte le navi,quando queste sono all'ormeggio nei porti comunitari. Sono esentati da
quest'ultima norma tutte le navi:
•
che,in base ad orari pubblicati,effettuano soste in porto non superiori a due ore;
•
che non fanno uso di motori in porto e che utilizzando corrente elettrica fornita da
terra
Per i dettagli di tale normativa si rimanda alla Gazzetta Ufficiale L191/59 del 22/07/2005.
I.5 Le emissioni di CO2 e la relativa implementazione dell'annesso IV
Fino
a
questo
punto
si
è
parlato
solo
di
norme contenute
nell’Annesso
VI
riguardanti le emissioni principalmente di NOx ed SOx ;
Durante il susseguirsi dei MEPC negli ultimi anni sono stati ,e lo sono tutt'ora,oggetto di
studio metodi atti a fornire lo shipping internazionale di strumenti mirati alla riduzione del
volume di CO2 emesso dalle navi,
come
gas
partecipante,
assieme
ai
clorofluorocarburi, al metano, all’ossido di azoto e all’ozono troposferico, all’aumento del
fenomeno denominato “effetto serra”, consistente nella capacità che hanno questi gas ad
assorbire il calore che, irradiato sulla superficie terrestre, tenderebbe a sfuggire poi verso
lo spazio.
Basti considerare che per la CO 2, che è il principale “gas
serra”, l’80% della sua
produzione proviene dalla combustione del carbone, del petrolio e del metano,come visto
nel capitolo precedente.
Gli elementi chiave di questo studio sono noti con gli acronimi EEDI (Energy Efficiency
Design Index) e SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan)e rappresentano i due
principali strumenti che formano il pacchetto di misure tecniche mirate alla riduzione delle
emissioni di gas serra.
Il primo è un indice in base al quale affrontare il problema dell'efficienza energetica in fase
di progetto e costruzione della nave,mentre il secondo è una misura operativa che mira a
migliorare l'efficienza energetica della flotta esistente attraverso la gestione e la
pianificazione corretta delle operazioni inerenti il mezzo nave,sia in termini commerciali
che in termini di consumi.
In altre parole l'EEDI è un numero legato alla quantità di CO 2 prodotta per tonnellate16
miglio di merce trasportata,quindi più alto risulta l'EEDI più questo sarà indice di scarsa
efficienza energetica della nave sotto il profilo costruttivo.
Dal momento che l'efficienza energetica può essere collegata alle emissioni di CO 2 ,
impostando un EEDI massimo e poi gradualmente operando la riduzione (il 10% entro il
2020, il 20% entro il 2025 e il 30% dopo il 2025 sono alcuni dei passi di riduzione
proposti),l'IMO spera di ridurre le emissioni di gas serra provenienti dai trasporti marittimi.
Per quanto concerne il SEEMP esso permette di estendere quanto appena esposto alle navi
esistenti
giacchè
risulterebbero
improbabili
eventuali
modifiche
costruttive
e
di
conseguenza l'inapplicabilità dell'EEDI.
Le
misure
che
potrebbero
essere
incluse
nel
SEEMP
sarebbero
per
esempio
l'
ottimizzazione del viaggio, progetti di risparmio energetico e l'ottimizzazione dell'asseto
delle navi,programmi di manutenzione e monitoraggio delle performance.
Figura 9 – Riduzione EEDI in fase di costruzione della nave
La tabella precedente si riferisce alle possibili misure che potrebbero essere adottate in
fase di costruzione,per ridurre l'EEDI da assegnare alla nave e quindi attribuirle maggiore
efficienza energetica già dall'inizio del suo esercizio.
17
La tabella che segue,infine, analogamente a quanto fatto per l'EEDI evidenzia le possibile
misure adottabili in fase di pianificazione e gestione ottimale del mezzo nave e quindi per
ciò che riguarda il SEEMP.
Figura 10 – Riduzione EEDI per navi esistenti (SEEMP)
18
CAPITOLO II
LE LNG CARRIER,IL CONTENIMENTO DEL CARICO E I BOG
II.1 Introduzione
Per trasporto alla rinfusa si intende il trasporto di merci a diretto contatto delle lamiere
delle cisterne o serbatoi della nave adibiti al carico.
Il trasporto dei gas liquefatti e dei prodotti chimici alla rinfusa è regolato,a livello
internazionale,rispettivamente dal IGC code (International Gas Carrier Code) e dall'IBC
(International Bulk Chemical Code).
Le norme di questi due codici sono applicabili a tutte le navi di qualsiasi grandezza che
trasportano gas liquefatti o prodotti liquidi alla rinfusa aventi una tensione di vapore
superiore a 2.8 bar,alla temperatura di 37.8°C , e altri prodotti elencati negli ultimi capitoli
dei codici.
Con questi codici l'IMO si prefigge di assicurare uno standard internazionale di sicurezza
alle gasiere e alle cosiddette navi chimiche,dettando norme per quanto riguarda la
progettazione e la costruzione nonché l'equipaggiamento che queste navi devono avere
per minimizzare i rischi all'equipaggio,all'ambiente e alle navi stesse.
Le navi che soddisfano alle norme dettate dai codici hanno un certificato internazionale di
idoneità al trasporto valido cinque anni e sul quale sono elencate tute le sostanze che
essono possono trasportare.
II.2 GPL e GNL : tipi di trasporto via mare
I carichi gassosi interessati a trasporto marittimo si dividono in :
•
gas di pretoli liquefatti (GPL) ,proveniente dai processi di raffinazione del greggio e
tra i quali ricordiamo il propilene,propano,butano etc.
•
gas naturali liquefatti (GNL),come il metano e l'azoto.
I gas sono trasportati allo stato liquido per il notevole rapporto che esiste, a parità di peso
tra il volume del gas e quello del liquido corrispondente.
Il trasporto può essere effettuato in tre modi differenti,tutti di pendenti dalla tecnica usata
per mantenere il gas alo stato liquido:
•
totalmente pressurizzato,in cui il gas è liquefatto a temperatura ambiente agendo
con elevate pressioni;
•
totalmente refrigerato,in cui il gas è portato alla sua temperatura di ebollizione e
19
quindi liquefatto alla pressione atmosferica;
•
semi-pressurizzato,una via di mezzi tra i suddetti.
Per quanto detto le navi gasiere possono essere raggruppate in cinque categorie diverse a
seconda del carico trasportato e delle sopracitate condizioni di trasporto.
•
Navi gasiere completamente pressurizzate;
•
Navi gasiere semi-pressurizzate;
•
Navi adibite al trasporto di etilene;
•
Navi adibite al trasporto di GPL completamente refrigerato;
•
Navi adibite al trasporto di LNG o metaniere;
Le prime tre tipologie di navi sono generalmente di piccole dimensioni e sono impiegate
per viaggio di breve durata e per il trasporto di piccole quantità di GPL o sostanze
chimiche allo stato gassoso.
Inoltre l' IGC Code divide ulteriormente le suddette tipologie di navi in quattro categorie
ovvero :tipo 1G, 2G, 3G e 2PG, con riferimento alla pericolosità dei carichi trasportati e
per i quali è certificata la nave.
Della prima categoria fanno parte le navi che trasportano i gas più pericolosi e dunque
dotate del massimo grado di protezione.
A seguire le restanti categoria vedono livelli di protezione decrescenti con riferimento ai
rischi che tratteremo nel prossimo paragrafo.
Si sottolinea i fatto che la presente trattazione si occuperà delle LNG Carrier,
comunemente note con il nome di metaniere.
Prima di analizzare nel dettaglio questa ultima tipologia di navi e per comprendere meglio
in quale le sopracitate modalità con cui vengono trasportati i gas è opportuno introdurre
alcuni parametri che ne caratterizzano lo stato termodinamico.
II.3 Le LNG Carriers e cenni sui sistemi di contenimento del carico
Le metaniere sono navi specializzate nel trasporto di gas naturale progettate
contenere
per
consistenti volumi di carico al suo punto di ebollizione (-162 °C) e quindi
totalmente refrigerato.
Vari sistemi di contenimento del carico con diversi configurazioni, materiali e strutture
idonei a contenere il GNL,sono stati sviluppati nel tempo e attualmente adottati.
Le cisterne del carico devono essere progettate in modo da garantire un elevato
isolamento termico e minimizzare oltre all’evaporazione del carico trasportato anche i
rischi precedentemente esposti.
20
L’isolamento del serbatoio della nave può avvenire secondo due diverse modalità :
•
isolando la superficie interna del serbatoio: in questo caso il serbatoio è realizzato
dalla stiva stessa e pertanto partecipa alla robustezza globale della nave. I sistemi
di contenimento così realizzati sono noti anche come sistemi a membrana in quanto
i materiali isolanti sono resi stagni e separati dal liquido mediante opportune
membrane, generalmente metalliche. Le tecnologie a membrana vengono
sviluppate da Gaz Transport & Technigaz.
•
isolando la superficie esterna del serbatoio: questa soluzione implica la
realizzazione di un serbatoio indipendente dalla nave da isolare esternamente;
serbatoio indipendente significa che lo stesso è sostenuto e contenuto dalla nave,
ma le sue strutture non concorrono alla robustezza globale di quest’ultima. I sistemi di
questo tipo vengono a loro volta suddivisi in funzione della soluzione geometrica adottata
per la cisterna;in particolare si individuano così sistemi sferici e prismatici.
•
I primi sono quelli noti col nome di sistema Moss-Rosenberg,mentre i secondi sono
noti come sistema IHI SPB Self-Supporting Prismatic IMO type B.
Descriveremo brevemente i sistemi di contenimento de carico nel dettaglio
II.3.1 Le cisterne a membrana
Le cisterne a membrana si differenziano tra loro per le diverse soluzioni costruttive che le
caratterizzano con particolare riferimento alla struttura ed al materiale usato.
La tecnologia Gaz Transport utilizza come sistema isolante strati di perlite racchiuse in
apposite strutture in legno. Lo strato isolante è reso stagno mediante due barriere: la
barriera primaria direttamente a contatto con il carico e la barriera secondaria che funge
da sigillante all’altro lato della strato isolante.
Le barriere sono realizzate in lamiera di lega d’acciaio al 36% di nickel (Invar),
caratterizzate da un coefficiente di dilatazione termico inferiore di circa venti volte
rispetto all’acciaio inossidabile, con la capacità di resistere ad ogni tipo di azione corrosiva
da parte delle sostanze trasportate,in tutte le usali condizioni di lavoro.
Le membrane, costituite da strisce di lamiera della larghezza di 500mm e di lunghezza
pari a quella della cisterna, appositamente assemblate, risultano totalmente appoggiate e
sostenute dalle strutture in legno per l’isolamento e non supportano carichi idrostatici.
Per quanto riguarda invece il sistema di contenimento
Technigaz Mark III,questi è
caratterizzato da una barriera primaria in acciaio inossidabile AISI 304L, da una barriera
secondaria realizzata da un materiale composito denominato Triplex (costituito da un
21
foglio di alluminio inserito tra due fogli di tessuto di fibra di vetro) e da strati isolanti di
schiuma poliuretanica rinforzata con fibre di vetro.
Il sistema di contenimento è costituito da
elementi modulari completi di sistemi di
isolamento primario, secondario e barriera secondaria. I singoli moduli vengono
installati garantendo la continuità della barriera secondaria mediante incollaggio e
sovrapposizione di tessuto Triplex. La membrana metallica primaria, per fare fronte ai
fenomeni di dilatazione termica, ha la superficie corrugata secondo un caratteristico
disegno “Waffles Design” che è in grado di assorbire le dilatazioni termiche per mezzo
delle deformazioni elastiche locali delle corrugazioni.
Figura 11 – Cisterna a membrana di tipo NO.96
Figura 12 – Cisterne a membrana di tipo MARK III
22
II.3.2 Le cisterne indipendenti sferiche e prismatiche (Type - B)
Le cisterne indipendenti di forma sferica offrono a parità di superficie il massimo volume e
non hanno la necessità di rinforzi esterni in quanto ogni sollecitazione sulla loro superficie
si tramuta in uno stato tensionale di pura trazione o compressione.
Il sistema di contenimento Moss - Rosemberg consiste in una cisterna sferica senza alcun
rinforzo collegata
lungo il suo perimetro equatoriale ad una struttura cilindrica,
denominata gonna, che lo sostiene; la parte inferiore di questo cilindro è saldata alle
strutture della nave. I serbatoi sono tipicamente realizzati utilizzando una lega di Alluminio
A 5083 o acciaio al Nickel (9%). La gonna di sostegno solitamente è realizzata con due
materiali: la metà superiore a contatto con la sfera è in alluminio, mentre la parte inferiore
è in acciaio idoneo alle basse temperature.
Alcune varianti prevedono la realizzazione di tre strati utilizzando un intermedio strato di
acciaio inossidabile allo scopo di ridurre la conducibilità termica e particolare attenzione è
posta nelle zone di giunzione tra alluminio ed acciaio. Il serbatoio può essere direttamente
coibentato sulla superficie esterna senza necessità di barriera secondaria. Una struttura
denominata “ghiotta” posta sotto il polo inferiore del serbatoio sferico funge comunque da
seconda barriera di contenimento in caso di rottura.
Per quanto riguarda il sistema di isolamento delle sfere ,questo e' costituito di pannelli
prefabbricati sulla superficie esterna della sfera e sulla parte superiore della gonna.
Ciascun pannello è costituito da due strati, quello a contatto con la sfera è in resina
fenolica; quello superiore è in schiuma di poliuretano. Tra i due strati è interposta una rete
metallica sottile che funge da armatura del pannello stesso. La superficie esterna è
ricoperta da sottilissimo lamierino che serve da barriera per il vapore. I giunti tra i pannelli
sono riempiti mediante schiume poliuretaniche.
Figura 13 – Cisterne sferiche di tipo Moss Rosemberg
23
Per quanto riguarda,invece,le cisterne indipendenti di tipo prismatico attualmente
utilizzabile è quello di più recente ideazione e denominato SPB (self supporting prismatic
IMO type B).
Tale sistema è stato sviluppato all’inizio degli anni ‘80 dal cantiere giapponese
Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co.Ltd.
Il sistema consiste in una cisterna realizzata in alluminio A 5083-0 avente forma
prismatica con elementi strutturali di rinforzo interni alla cisterna stessa. Il serbatoio così
realizzato è posto all’interno della stiva della nave e dalle strutture di quest’ultima è
supportato tramite una serie di appoggi aventi 1 o 2 gradi di vincolo.
I serbatoi al loro interno presentano una divisione sul piano longitudinale, mediante
paratia stagna, ed una divisione sul piano trasversale realizzata con una paratia forata.
La presenza delle paratie serve per ridurre i moti e quindi gli effetti di sbattimento del
carico, permettendo al tempo stesso di non avere limiti operativi inerenti il riempimento
delle cisterne.
Il sistema di isolamento è realizzato mediante pannelli prefabbricati in schiuma di
poliuretano ricoperti sulla faccia esterna da PVC.
Figura 14 – Cisterne di tipo SPB
Per concludere si vuole sottolineare come nel paragrafo ci si sia limitati a trattare cisterne
indipendenti di tipo B;per completezza si tenga presente che esistono altre due classi di
sistemi di contenimento del carico indipendenti ovvero le classi Type – A e Type – C;
Queste non sono state riportate nella trattazione poiché utilizzate nelle LPG Carrier e nelle
LNG Carrier totalmente pressurizzate e semi-pressurizzate con cisterne
esulano dalla nostra trattazione.
24
“bi-lobe”,che
II.3.3 Confronto tra le tipologie di sistemi di contenimento del carico
I sistemi Moss e i sistemi SPB offrono notevoli vantaggi in merito al tempo necessario per
la
consegna
della
nave.
I
serbatoi,
infatti,
possono
infatti
essere
costruiti
indipendentemente dallo scafo e successivamente installati al suo interno, essendo le due
strutture indipendenti l’una dall’altra.
Questo non è possibile per una nave a membrana, i cui serbatoi devono essere costruiti
all’interno dello scafo quando questo è già praticamente ultimato.
Per quanto riguarda il costo dei materiali necessari per la costruzione, il serbatoio sferico
utilizza una quantità di leghe metalliche pari approssimativamente a 10 volte quella
necessaria per un serbatoio a membrana,ma poiché la sua forma permette ai moduli
isolanti di non dovere sopportare carichi,questo permette di scegliere materiali isolanti più
leggeri ed economici; al contrario, in un serbatoio a membrana, l’isolante deve anche
sopportare il carico del liquido e gli sono quindi richieste caratteristiche meccaniche molto
più severe.
I vantaggi offerti ancora dai sistemi di contenimento sferici derivano, inoltre : dalla
possibilità di operare una facile ispezione degli isolanti, dal momento che questi sono
esterni;da maggior quantitativo di carico pompabile dovuto alla forma sferica e alla minor
sensibilità del sistema alle variazioni di pressione.
Gli svantaggi sono legati alla maggior gravosità delle operazioni di raffreddamento e
carico per evitare shock termici elevati e alla maggior quantità di volumi
morti di stiva che contiene il serbatoio. Ulteriore punto a sfavore del serbatoio sferico è la
sua incompatibilità con gli scafi più efficienti dal punto di vista della
navigazione,in
particolare per ciò che concerne la resistenza all'avanzamento che l'aria esercita sulle
notevoli superfici sferiche e sovrastrutture che,necessariamente devono sovrastarle.
Di recente gli ordini di nuove navi si stanno spostando piuttosto decisamente
sul sistema a membrana, anche se il sistema a serbatoio sferico tiene ancora il passo per
l'economicità di realizzazione che lo contraddistingue.
II.4 Il Boil off gas (BOG)
Abbiamo già accennato come il gas naturale venga trasportato sulle navi metaniere
totalmente refrigerato ed alla temperatura di -162°C e pressione atmosferica.
Questo favorisce la quantità di LNG trasportabile poiché il volume dello stesso allo stato
liquido risulta 600 volte più piccolo rispetto al volume in fase gassosa.
Il metano viene liquefatto con azoto liquido nei terminal di liquefazione a terra e pertanto
arriva in cisterna già allo stato liquido alla suddetta temperatura.
La coibentazione,di cui sono costituiti i sistemi di contenimento del carico, provvederà a
25
mantenere lo stesso alla fase liquida e durante tutta la durate del viaggio,poiché
caratterizzata da materiali termicamente isolanti.
Con riferimento alle cisterne del carico definiremo livello di riempimento ottimale, quel
livello al quale corrisponde ,stabilito il carico da imbarcare riscaldato e lasciato espandere
sino a temperatura e pressione di vapore saturo tali da attivare le valvole di sicurezza (di
cui si darà cenno in seguito), circa il 2% del volume totale della cisterna.
Pertanto,per poter contenere le variazioni di pressione dovute alla dilatazione del fluido ed
alla sua naturale evaporazione,le cisterne non vengano mai caricate al massimo della loro
capacità ma ad un valore percentuale pari a circa 98,8%
Nonostante l'altissima efficienza dei materiali di cui sono costituite le barriere dell'isolante
termico nelle cisterne,inevitabilmente,una quantità di gnl evapora naturalmente.
In particolare,lo strato più soggetto a tale fenomeno è quello di separazione tra il fluido
contenuto in cisterna e l'atmosfera presente nella parte non caricata della stessa;infatti è
proprio qui che il fluido risente maggiormente delle variazioni di temperatura che
inevitabilmente dall'esterno della cisterna(irraggiamento solare e variazioni di zone
climatiche)si propagano all'interno della cisterna.
Inoltre il moto ondoso a cui potrebbe essere soggetta la nave con conseguenti fenomeni di
Sloshing potrebbe favorire tale evaporazione.
Il fluido così passato dallo stato liquido allo stato gas prende il nome di BOIL OFF GAS
(BOG) e le sue caratteristiche e quantità giornaliera dipendono fortemente dalla
composizione chimica del metano da cui deriva e dalla pressione all'interno delle cisterne.
La trasformazione liquido-vapore avviene a temperatura e densità costante e in
conseguenza di tale fenomeno la pressione all'interno della rimanente parte “vuota” o
volume libero della cisterna,aumenta e dovrà quindi essere contenuta entro certi limiti.
Chiaramente sistemi di contenimento del carico più efficienti riducono tale quantità di BOG
,come anche lunghi periodi di navigazione in zone climatiche calde ne favoriscono
l'incremento.
Sperimentalmente si è dimostrato che la percentuale media in volume di lng che passa
allo stato vapore e quindi a formare BOG può essere assunto mediamente pari allo
0,015%(1) del volume di carico totale imbarcato ed è pertanto che in seguito sarà assunto
tale valore .
Per completezza di trattazione e come già accennato in precedenza la pressione nelle
cisterne non deve mai superare un massimo valore ammissibile detto comunemente
MARVS (Maximum Allowable Relief Valve Setting).
Per mantenere la pressione entro i limiti stabiliti le navi dispongono di un sistema di sfogo
costituito da un collettore munito di valvole di sicurezza regolate a pressione inferiore al
MARVS e che risulta dipendente dal gas trasportato e mediamente pari a 0,7 bar.
(1) Il dato di riferimento è stato tratto dall' International Journal of Engineering and Technology Vol.2,2010 e comunemente utilizzato.
26
Il sistema viene progettato in modo da evitare che i gas rilasciati in atmosfera
si
accumulino o interagiscano in qualche modo con le zone destinate all'equipaggio e
pertanto.
Accanto al sistema di sfogo esiste un impianto che consente di prelevare i BOG che si
formano nella parte alta delle cisterne per sottoporli a riliquefazione in un apposito
impianto con successivo reinvio in cisterna oppure inviandoli all'impianto di propulsione
per l'utilizzo quale combustibile.
In tale trattazione assumeremo la seconda ipotesi di utilizzo dei BOG e si riporta di
seguito uno schema in cui si evidenzia il recupero dei BOG in entrambe in casi.
Figura 15 – Impianto di recupero BOG
E' importante sottolineare come le metaniere di capacità inferiore a 150.000m 3
con
sistema di contenimento del carico di tipo sferico difficilmente sono equipaggiate con
impianti di riliquefazione dei BOG poiché la potenza da fornire all'impianto risulta spesso
superiore al risvolto economico che avrebbe la riliquefazione dei BOG stessi da reinviare
eventualmente in cisterna.
Pertanto tale tipo di soluzione è largamente adottata nelle metaniere con cisterne di tipo a
membrana e capacità di carico notevoli ovvero sia con quantità di BOG da recuperare
elevati.
I BOG nel caso in cui vengono utilizzati come combustibile e in assenza di impianto di
riliquefazione (caso di nave che prenderemo in esame successivamente nell'elaborato)
27
vengono compressi da compressori LD (Low Duty) a stadi multipli e portati alla
temperatura di circa 45°C e pressioni di circa 300 bar
(2)
.
Tali valori,si tiene a precisare,possono variare in funzione della tipologia e tecnologia
utilizzata dall'impianto di propulsione con il quale la nave in esame è equipaggiata.
II.5 Cenni sull'impianto di riliquefazione
Il sistema di riliquefazione permette il recupero dei BOG provenienti dalle cisterne del
carico che, una volta riliquefatti, vengono inviati nuovamente in esse.
Gli
impianti
di
riliquefazione
basano
il
loro
principio
di
funzionamento
su
cicli
termodinamici di differenti caratteristiche e da questi, derivano le diverse modalità con cui
i BOG possono essere riliquefatti.
Un esempio di tale sistema è il tipo Moss RS ,che descriveremo brevemente, e
comunemente istallato su navi metaniere di notevoli capacità di carico.
La riliquefazione dei BOG in tale sistema,si basa su un ciclo chiuso ad espansione di
nitrogeno attraverso il quale si sottrae calore ai BOG.
Da tale sistema derivano i seguenti vantaggi principali:
•
la quantità di nitrogeno contenuto nei BOG viene separato durante la riliquefazione
e perciò non inviato nuovamente in cisterna;ciò permette un maggiore controllo
della pressione nelle cisterne durante il viaggio (poiché via via si riduce la quantità
di nitrogeno presente in LNG).
•
l'impianto è relativamente semplice,l'ingombro è contenuto,possiede un sistema di
controllo automatico della riliquefazione e non è perciò richiesto personale
specializzato per la condotta.
•
l'impianto può essere arrestato nel caso in cui risultino operative le pompe del
carico,riducendo così la richiesta di potenza elettrica.
•
durante i viaggi in zavorra il sistema permette di mantenere la temperatura
all'interno delle cisterne utilizzando spray di gas riliquefatto all'interno di esse.
•
il livello di ridondanza dell'impianto è complessivamente elevato.
I BOG vengono estratti dalle cisterne del carico da un compressore centrifugo a due stadi
simile al tipo LD e da qui,vengono inviati in uno scambiatore criogenico di calore chiamato
(2)Le caratteristiche fisiche dei BOG inviati alla apparato motore dipendono dalla tipologia di motore trattato e come verrà specificato in seguito
28
Cold Box ove vengono raffreddati e condensati.
In tale Box gli incondensabili (in particolare nitrogeno) vengono separati,rimossi e inviati
in un oxydizer,mentre il condensato viene restituito per differenza di pressione
nell'impianto,alle cisterne del carico.
Si riporta di seguito uno schema del sistema.
Figura16 – MOSS LNG Reliquefaction System
Figura 17 – Impianto di riliquefazione a bordo di una metaniera da 250.000m 3
Data l'importanza che riveste la gestione dei BOG a bordo delle navi metaniere,numerose
case costruttrici operano continuamente per cercare nuove soluzioni tecnologiche ed
applicazioni tali da poter rendere quanto più versatili possibili tali impianti in termini
d'istallazione.
Per concludere si evidenzia un fatto importate.
29
I moderni motori termici primi Diesel Dual Fuel per la loro tecnologia sono caratterizzati da
bassi consumi di combustibile,pertanto nelle navi in cui sono istallati e in assenza di
impianto di riliquefazione non tutti i BOG proveniente dalle cisterne vengono utilizzati per
come combustibile.
Per tale motivo il surplus deve necessariamente essere inviato ad opportuni bruciatori
(GCU “Gas Combustion Unit”nella figura 13) e da qui smaltiti con evidente perdita
economica.
Questo è alla guida degli studi che le case costruttrici di impianti conducono in merito al
recupero dei BOG non utilizzabili quali combustibile ed in assenza di impianti di
riliquefazione.
30
CAPITOLO III
GLI IMPIANTI DI PROPULSIONE NELLE NAVI METANIERE
III.1 Introduzione
Nei capitoli iniziali abbiamo discusso l'importanza che oggi i gas naturali stanno
assumendo nello scenario energetico globale ed in particolare il loro utilizzo quali
combustibili per la propulsione navale.
Questa crescita è alla guida di un riesame continuo dei sistemi di propulsione per le navi
metaniere e non solo per esse,che vede un continuo sviluppo di tecnologie i cui obiettivi
principali risiedono nella ricerca di efficienza e sopratutto eco sostenibilità.
In questo capitolo esamineremo gli aspetti tecnici ed economici delle alternative di
propulsione più promettenti per il futuro delle LNG Carriers.
Il costo iniziale, i costi operativi, l'affidabilità, la manutenzione e la conduzione di tali
sistemi di propulsione sono stati e sono tutt'ora parametri che influenzano la gestione
delle navi metaniere e per tale ragione presenteremo pro e contro di ogni opzione
propulsiva.
Per oltre quarant'anni le navi metaniere hanno rappresentato una porzione ridotta del
naviglio mercantile mondiale ma nonostante ciò gli standard di sicurezza ed affidabilità di
tali mezzi è risultato sempre tale da far registrare il minor numero di incidenti legati al
trasporto di metano e per tale tipologia di nave.
Ad enfatizzare tale aspetto di affidabilità per ciò che concerne i sistemi propulsivi è stata la
scelta degli impianti turbine a vapore che hanno caratterizzato la propulsione di quasi
tutte le metaniere sino a qualche tempo addietro.
Oltre alla sua affidabilità, uno dei principali vantaggi dall'utilizzo di propulsione a vapore
derivava dalla facilità con cui i gas
di BOG provenienti dalle cisterne potevano essere
direttamente inviati in caldaia e ivi bruciati come combustibile per la produzione di
vapore ,servendo così la turbina.
Con il passare del tempo però l'efficienza di tali impianti si è ridimensionata a causa delle
mutazioni dello scenario ambientale e tecnico in cui tali sistemi erano e sono tutt'ora
chiamati ad operare.
Attualmente i vantaggi che un tempo avevano visto la loro diffusione,stanno venendo
meno,scalzati dagli svantaggi i cui caratteri principali si evidenziano nella bassa efficienza
dell'impianto
(relativamente
alle
soluzioni
alternative
e
talvolta
più
competitive
attuaLmente disponibili),consumi elevati,emissioni di sostanze inquinanti elevate per gli
attuali standard Marpol ,un maggior spazio richiesto in sala macchine per la loro
istallazione,l'alto costo iniziale per l'istallazione e la difficoltà a reperire personale
qualificato per il loro funzionamento.
31
Quanto detto ha quindi recentemente incoraggiato l'ingegneria e la ricerca a trovare,per
tale tipologia di nave, delle soluzioni alternative più efficienti sotto ogni punto di vista.
Si sente adesso parlare per esse di sistemi COGAS ,DFDE,Diesel lenti con soluzioni di
riliquefazione dei BOG,propulsione Diesel-Elettrica, Turbine a Gas, sistemi CODAG, alcuni
dei quali largamente usati su unità militari.
III.2 La scelta dell'impianto di propulsione
Prima di presentare e discutere le alternative alla propulsione, è essenziale rivedere quali
sono i requisiti di una nave metaniera secondo le attuali esigenze di mercato.
Tutti questi parametri contribuiscono alla scelta ottimale dell'apparato motore.
Efficienza Operativa :intesa come efficienza dell'impianto ed efficienza nell'utilizzo dei
BOG.Tale aspetto è uno dei fattori critici più determinanti nella scelta della propulsione
poiché per un determinato dislocamento nave da esso dipendono gli spazi destinati al
combustibile e di conseguenza i restanti disponibili per il carico. Inoltre l'efficienza
dell'impianto influisce sui costi di esercizio della nave sia per ciò che concerne il costo del
combustibile,sia per ciò che riguarda la sua manutenzione.
La questione ambientale e la sicurezza :compatibilità ambientale ed ecologia è oggi una
delle principali preoccupazioni. Nuove tecnologie e applicazioni di ingegneria negli impianti
di propulsione hanno ottenuto risultati significativi riducendo al minimo e emissioni di
CO2,SOx e NOx.
Per quanto concerne il secondo aspetto i è da dire che l'industria del GNL ha un eccellente
garantito da sempre un record di sicurezza elevatissimo e ciò è il risultato di diversi fattori,
quali elevati standard di progettazione e costruzione, alti livelli di ridondanza e alti
standard di formazione del personale direttamente ed indirettamente operante in tali
impianti
Affidabilità e ridondanza :nell'ingegneria dell'affidabilità la ridondanza è definita come
l'esistenza di più mezzi per svolgere una determinata funzione, disposti in modo tale che
un guasto dell'intero impianto possa verificarsi solo in conseguenza del guasto
contemporaneo di tutti questi mezzi.
Dall'affidabilità del sistema di propulsione dipende l'affidabilità del trasporto relativamente
al tempo di trasporto e quindi alle fasi di caricazione e scaricazione; un'inefficienza nel
rispetto dei tempi conseguenza di una cattiva efficienza del trasporto potrebbe comportare
problemi tecnici ai terminal stessi,agli impianti di riliquefazione e regassificazione.
32
Manutenzione,flessibilità e dimensioni locale apparato motore :l'impianto di propulsione
deve essere progettato per richiedere una manutenzione minima e oltretutto operabile
eventualmente durante le soste nei terminal,porti di scalo senza che venga in alcun modo
compromesso lo schedule dei viaggi della nave stessa.
Per quanto riguarda la flessibilità del sistema di propulsione particolare importanza
assume il fatto che se al momento il commercio di GNL è in gran parte un progetto
specifico orientata al mercato in larga scala e condotto con navi adibite a viaggi a lungo
termine che operano su percorsi standard, il mercato spot e il cosiddetto ”commercio a
breve termine” (attualmente limitato al 5-10% del volume complessivo di LNG
trasportato) è previsto aumentare nel prossimo futuro e questo si presume richiederà navi
più flessibili in termini di dimensioni, fabbisogno di combustibile e attrezzature, e tale
flessibilità quindi dovrà essere in grado di far fronte alle difficoltà provenienti dal sempre
maggiore numero di terminal da servire,talvolta anche sprovvisti di infrastrutture per le
operazioni di bunkeraggio.
Infine per quanto concerne gli spazi destinati ad ospitare l'impianto di propulsione, la
progettazione mira sempre più alla massimizzazione degli spazi di carico che risulta essere
inoltre l'obiettivo principale degli armatori. Le tecnologie di propulsione disponibili hanno
differenti impatti su tale aspetto ed è per questo che il fattore ingombro derivante dalla
scelta di un sistema di propulsione piuttosto che un altro non deve essere trascurato.
A tal proposito si riporta uno schema nel quale si evidenziano le influenze che ha la scelta
dell'apparato motore nei riguardi dei spazi interni.
Figura 18 – Influenze della scelta impianto di propulsione sugli spazi interni
33
III.3 Le alternative a disposizione
Un numero significativo di alternative di propulsione sono state considerate nel corso degli
ultimi anni, come possibili candidate alla sostituzione della centrale a vapore tradizionale
sulle navi metaniere.
Queste coinvolgono diverse tipologie di motori primi, diversi gruppi di generatori di
potenza, o combinazioni di questi e molteplici configurazioni per l'utilizzo di combustibile di
varia natura e qualità e sopratutto, mezzi per l'utilizzo e la gestione dei BOG .
Qui di seguito riportiamo uno schema nel quale si evidenziate le caratteristiche peculiari
dei sistemi applicabili su tale tipologia di nave.
Figura 19 – Alternative propulsive e tipologie di motore primo
34
Con riferimento alle necessità di disporre di impianti il cui impatto ambientale sia ridotto a
tal punto da rientrare nei canoni previsti dalla MARPOL, si riporta di seguito uno schema
nel quale si evince come le alternative impiantistiche precedentemente introdotte,
incidano quantitativamente in merito agi agenti inquinanti che il loro utilizzo comporta.
Figura 20 – Livelli di emissioni per alternativa
III.4 Impianto di propulsione con turbina a vapore tradizionale
L'impianto di propulsione a vapore tradizionale verrà descritto in questo paragrafo più
nello specifico in quanto la nave metaniera,che verrà trattata durante l'analisi oggetto del
presente elaborato,è equipaggiata con tale impianto di propulsione.
Questo impianto a bordo comprende di solito due caldaie a recupero alimentate sia da
BOG che da HFO/IFO che servono vapore surriscaldato alla turbine di bassa e alta
pressione e che,attraverso un riduttore, rende disponibile potenza meccanica alla singola
elica a passo fisso calettata sull'asse.
Il vapore aziona anche turbogeneratori elettrici ,in numero sufficiente a coprire la richiesta
di potenza elettrica per l'alimentazione ausiliaria e i servizi di bordo ;sono previsti
eventualmente dei GenSet(termine con il quale si indica un gruppo che produce corrente
elettrica costituito dall'accoppiamento di un diesel 4T e un alternatore)di piccola potenza il
cui utilizzo è limitato a garantire elettricamente le fasi di manovre in porto a bassi regimi.
Il ciclo termodinamico
associato
prevede:vapore a 60÷80 bar, 510÷520°C,senza
risurriscaldamento con n°4 spillamenti e rigenerazione,così da permettere allo stesso di
garantire maggiore efficienza.
L'aliquota in eccesso di vapore ove presente viene fatta condensare e scaricato a
temperatura quasi ambiente in mare.
Compressori Low Duty (LD) centrifughi a stadio singolo convogliano i BOG dalle cisterne
alle caldaie e tali compressori sono inoltre dotati di palette d'aspirazione e variatori
elettrici di velocità per il controllo della quantità di BOG da inviare per la combustione.
35
Figura 21 – Impianto di propulsione con turbina a vapore tradizionale
Per potere,nei capitolo che seguono, fare un confronto con le nuove tecnologie Diesel Dual
Fuel che riteniamo rappresentino l'alternativa più valida alla propulsione delle navi
metaniere,si evidenziano di seguito i vantaggi e svantaggi dell'impianto appena descritto.
Vantaggi : impianto relativamente semplice e affidabile con efficace utilizzo dei BOG.
La potenza richiesta dai servizi in generale e per l'intera nave durante la fase di crociera,
supera l'energia che è ottenibile dalla combustione dei BOG, consentendo così il loro
completo utilizzo.
Inoltre garantiscono alta affidabilità,manutenzione ordinaria semplice,limitati livelli di
vibrazione dovuti alle alte velocità di rotazione della turbina e bassissimo consumo di oli
lubrificanti.
Svantaggi : limitata efficienza poiché sotto carico massimo questa risulta essere del 30%
e scende a di sotto per condizioni di carico inferiori con conseguenti elevati consumi,costi
di investimento per l 'istallazione dell'impianto elevati,scarsa reperibilità di personale
qualificato per la condotta di
tale tipologia di impianto,difficoltà di immediata disponibilità di elementi di turbina o di
caldaia in caso di malfunzionamenti di questi,elevate emissioni di inquinanti a causa
dell'elevato
volume
di
gas
combusti
in
uscita,grandi
spazi
richiesti
per
la
loro
istallazione,scarsa ridondanza dell'impianto poiché il layout dello stesso risulta piuttosto
36
semplice,a basse velocità o all'ancora, la potenza generata dalla continua combustione dei
BOG è più bassa rispetto a quella prelevabile dalla stessa combustioni e a regime ed in
questo ultimo caso il vapore in eccesso viene convogliato nel condensatore principale con
conseguente perdita di valore economico ottenibile dalla combustione dei BOG.
Per concludere,si sottolinea come per far fronte principalmente agli svantaggi derivanti dal
sistema tradizionale e al fine di migliorare l'efficienza del sistema di propulsione in
questione, è stato sviluppato ed introdotto nel mercato un nuovo concetto di sistema con
turbina a vapore per la propulsione navale ossia l'”Ultra Steam Turbine”.
In
questo
impianto
e
rispetto
al
sistema
tradizionale
è
stato
aggiunto
un
risurriscaldamento con conseguente aumento del rendimento d'impianto.
Il vapore ,a differenza del sistema tradizionale, prevede pressioni incrementate sino a
circa 100 bar con temperature simili al sistema tradizionale e stesso numero di spillamenti
ma,di contro,è stata aggiunta una turbina di media pressione con incremento di efficienza
dell'intero impianto ,rispetto al precedente,che ammonta a circa 15%.
III.5 Le tecnologie Diesel/Gas
Negli ultimi anni le società leader nella costruzione di motori marini come la Wartsila e la
MAN B&W hanno raggiunto tecnologie in grado di utilizzare nei motori termici primi ,come
combustibile, sia il fuel oil che il gas.
La ricerca di tali tecnologie deriva proprio da quanto è stato detto nei capitoli iniziali circa
la crescita di utilizzo del metano e circa la necessità di rientrare all'interno di uno scenario
normativo che con il tempo sta imponendo limiti ,alle emissioni di agenti inquinanti,
sempre più restrittivi.
Infatti è possibile far navigare le navi ,entro le zone ECA (Emission Control
Area),bruciando gas ed evitando la combustione con fuel oil,poiché notoriamente più
inquinante.
Questi
motori
sono
caratterizzati
dall'avere
elevati
rendimenti,talvolta
vicini
al
50%,consumi di combustibile notevolmente ridotti e sopratutto valori di emissione allo
scarico bassi.
I principi sui quali basano il loro funzionamento sono differente e sia Diesel 4T semiveloci
che Diesel 2T lenti possono operare con questa tecnologia duale.
Tutto ciò ha reso notevolmente più versatili gli impianti di propulsione e sopratutto tali
applicazioni hanno visto un veloce incremento proprio a bordo delle navi metaniere in cui il
gas da utilizzare è ,come si e' detto,proprio il BOG.
Nel funzionamento a gas dei motori la combustione è più pulita in termini di chimica in
gioco,proprio per la natura del CH 4 e ciò comporta una minore quantità di particolato allo
37
scarico,minore quantita di CO2 ed inoltre la miscela aria – gas (non in tutte le tecnologie
che presenteremo avviene miscelazione) produce una minore quantità di No x e infine la
quasi totale assenza di SOx a fine combustione.
Ciò lascia intuire quanto questi motori stiano avendo consensi da parte delle società
armatrici con commesse previste.
In questo paragrafo introdurremo le tecnologia dual fuel attualmente a disposizione
riservandoci la trattazione più dettagliata nei capitoli successivi.
A tal fine si sottolinea subito che il termine Dual Fuel nell'accezione della parola, verrà
utilizzato per descrive la caratteristica di funzionamento “alternato” ovvero sia con
combustione di Fuel oil o con combustione di gas e in particolare distingueremo il
cosiddetto funzionamento del motore in Diesel Mode e il funzionamento in Gas Mode.
Non tratteremo nello specifico il loro funzionamento in Diesel Mode perchè il motore segue
un normale ciclo Diesel e pertanto noto.
In realtà nell'analisi che faremo ci si renderà conto che anche nel funzionamento in Gas
Mode di un motore GD o DF (non nei motori con tecnologia SG), una seppure piccolissima
quantità di fuel oil verrà comunque utilizzata.
Distingueremo pertanto le tre tecnologie principali di motori ovvero sia:
•
Spark Ignited Gas Engine (SG)
•
Gas/Diesel Engine (GD)
•
Dual Fuel Diesel Engine (DF)
che deriva sostanzialmente dal modo con cui il gas viene introdotto in camera di
combustione,dai parametri caratteristici del combustibile iniettato (pressione sopratutto),
dal modo con cui il gas partecipa alla combustione e del ciclo di funzionamento seguito
durante il funzionamento.
Si tenga presente che da ora in avanti i motori potranno venire indicati solamente e per
comodità con le sigle sopracitate.
Tra queste tre tecnologie di funzionamento nei prossimi capitoli ci occuperemo solamente
dei motori Gas/Diesel (GD) e dei motori Dual Fuel Diesel (DF), poiché le soluzioni che
adotteremo nell'analisi finale sono solamente motori (GD) e (DF).
I primi,ovvero quelle il cui funzionamento si basa sulla tecnologia spark ignited,sono
motori 2T in cui avviene l'iniezione di gas all'interno del collettore di aspirazione e in cui
,alla fine della fase di compressione, la miscela aria – gas viene accesa da una candela.
Spark Ignited Pure Gas Engine (SG) infatti significa proprio motori con accensione a
scintilla in cui il combustibile è solo il gas.
Si nota una chiara affinità con i motori ad accensione comandata ed inoltre tali motori
seguono un Ciclo Otto durante il funzionamento a gas e l'immissione di gas avviene a
38
pressioni non elevate.
Figura 22 – Spark Ignited Pure Gas Engine (SG)
La seconda tipologia di motori sono i Gas/Diesel (GD) ovvero motori Diesel 2T in cui il gas
viene iniettato finemente polverizzato attraverso degli iniettori a doppio spillo,direttamente
in
camera di combustione
e
sopratutto
contemporaneamente
al
cosiddetto
Pilot
Fuel,piccola quantità di MDO/MGO il cui compito è proprio quello di innescare la
combustione.
Da qui l'utilizzo di iniettori a doppio spillo ed inoltre la quantità di combustibile pilota è
equivalente a circa il 5% del combustibile di alimentazione totale introdotto in camera e a
pieno carico.
Affinchè l'iniezione del gas nella camera di combustione sia efficiente,a differenza di
quanto accadeva per i motori SG ,il gas deve raggiungere pressioni elevate e di circa
150/200 bar prima dell'immissione e durante tutte le fasi di funzionamento il motore
segue un ciclo Diesel sia ne funzionamento in Gas Mode che in Diesel Mode.
Figura 23 – Gas/Diesel High Pressure Engine (GD)
39
Infine l'ultima tecnologia e' largamente diffusa sui motori Diesel 4T ,caratterizzati
anch'essi dal poter funzionare alternativamente in Diesel Mode e in Gas Mode.
Il gas ,in essi,è iniettato attraverso una elettrovalvola nel collettore di aspirazione.
Pertanto alla fine della fase di compressione la miscela aria – gas verrà accesa anche
stavolta con una piccola quantità di pilot fuel ma stavolta senza la contemporanea
iniezione di gas poiché già precedentemente addotto.
Figura 24 – Dual Fuel Diesel Engine (DF)
In questi motori a differenza dei precedenti,viene seguito un ciclo Otto durante il
funzionamento in Gas Mode e ,al contrario, un ciclo Diesel durante il funzionamento in
Diesel Mode.
Per avere un primo quadro delle caratteristiche costruttive dei motori che sfruttano le
suddette tecnologie si riportano le testate di tre motori che evidenziano le differenti
caratteristiche.
40
Figura 25 - Sezione testate cilindri per e tre soluzioni
Come i motori Diesel 2T lenti e i Diesel 4T semiveloci abbiamo efficienze elevate è
chiaramente visibile nel seguente schema in cui la MAN B&W evidenzia le efficienze
termiche in funzione della potenza erogabile,per le alternative trattate nel presente
capitolo.Tale efficienza viene incrementata con l'utilizzo di tecnologia Dual Fuel.
Figura 26 - Efficienza termica degli impianti di propulsione
Condotta questa introduzione vediamo nel dettaglio i motori (GD) e (DF) perchè,oltre a
rappresentare le soluzioni più quotate alla richiesta di impianti di propulsione a gas per le
navi metaniere,rappresentano le soluzioni alternative sulle quali abbiamo basato l'ipotesi
di conversione che verrà eseguita nel successivo capitolo.
Dopo questa breve descrizione si riporta uno schema con le possibilità di trasmissione
della potenza meccanica all'elica e nelle due configurazioni più diffuse ovvero Dual Fuel
Diesel Elettrica (DF-DE) e Dual Fuel Diesel Meccanica DF-ME).
Si ritenga limitatamente allo schema che segue,con il termine dual fual, tutte le tecnologie
viste in precedenza e questo,per comodità di trattazione.
41
Figura 27 – Tipologia di trasmissione del moto
Il primo schema di riferisce alla propulsione DF-DE e il secondo alla configurazione DF-ME
ed in particolare :
(a) Single-screw direct drive
(b)Single-screw medium speed reduction gear
(c)Twin-screw (skeg) direct drive
(d) Azimuthing Podded Drive
Il secondo schema (e,f,g) ripete la nomenclatura del primo ad esclusione della propulsione
con Pods non applicabile nella propulsione di tipo meccanico.
42
CAPITOLO IV
I MOTORI CON TECNOLOGIA DUAL FUEL
IV.1 Introduzione
In questo capitolo tratteremo più nel dettaglio i Dual Fuel Diesel Engine (DF) e i Gas Diesel
Engine (GD) seguendo uno schema espositivo comune ad entrambe le applicazioni,per
rendere la trattazione quanto più chiara possibile.
Verrà dapprima richiamato in breve e per entrambe, il ciclo di funzionamento dei suddetti
motori e successivamente verrà trattato il funzionamento nella sola modalità Gas Mode
poiché il funzionamento in Diesel Mode per entrambe i motori è quello classico e noto.
Prima di passare alla descrizione è opportuno chiarire il modo con cui il BOG si rende
disponibile ai motori ovvero sia, quale percorso e a quali modifiche deve essere sottoposto
affinchè si presenti ai motori in condizioni ottimali.
IV.2 I BOG,dalle cisterne del carico ai motori,attraverso il circuito di
alimentazione
Il sistema di alimentazione del gas può essere concettualmente suddiviso in due parti.
La prima parte a monte è relativa al circuito che dalle cisterne del carico e attraverso varie
trasformazioni termodinamiche,convoglia i BOG e li rende disponibili ai motori per la
combustione.
La seconda parte invece si riferisce al circuito di alimentazione a valle di quello appena
introdotto e fortemente dipendente dalla tipologia di motore che si ha in analisi.
In questo paragrafo ci limiteremo a descrivere il circuito che convoglia i BOG dalle cisterne
ai motori,tralasciando l'ultimo tratto che verrà trattato nello specifico.
I BOG prima di potere essere utilizzati come combustibile poiché all'uscita dalle cisterne si
trovano a valori di pressione e temperatura lontani da quelli richiesti per l'utilizzo come
combustibile,allora dovranno essere trattati e convogliati.
Ad esempio per un motore Gas Diesel 2T lento,questi devono essere disponibili ad una
pressione di circa 0,55 Mpa e pertanto dapprima dovranno essere compressi attraverso
compressori a due stadi e affinchè questi possano operare in modo efficiente i gas deve
giungere all'imbocco del compressore ad una temperatura di circa -100°C;pertanto sarà
prima raffreddato in un cosiddetto precooler.
All'uscita del compressore il gas si trova ad una temperatura di circa 100°C e troppo
elevata per essere inviato ala combustione poiché per i motori Gas Diesel 2T il range
accettabile di temperatura oscilla attorno a 0÷100°C
Per ridurre la temperatura del gas allora lo si invia ad un cosiddetto after coolers e per
43
mantenerla entro i suddetti range accettabili per il motore,un riscaldatore è posto a valle
dell'after cooler
Figura 28 – Circuito alimentazione BOG
Si nota in figura che a valle dei due after cooler vi è una linea per il recupero dei
condensati eventualmente formatisi e che ne permette il reinvio in cisterna.
Si precisa come esistano differenti tipologie di sistemi di alimentazione.
IV.3 Il Dual Fuel Diesel Engine (DF)
Il motore DF utilizza una tecnologia detta Lean Burn,termine che letteralmente significa
"combustione magra"ovvero una tecnologia che permette di alimentare i cilindri con
miscele aria-carburante a titolo molto più magro (in eccesso d'aria)di quello che può
essere utilizzato nei motori di tipo convenzionale.
Tali motori dunque sono progettati per operare alternativamente a gas o fuel oil ove per
gas ,data la trattazione, intenderemo BOG e dove per fuel oil intenderemo combustibili
liquidi pesanti tipo HFO.
Sono motori 4T che,in linea di massima,sono dotati delle caratteristiche note ai comuni
Diese 4T semiveloci e brevemente :
•
ingombri ridotti per l'assenza di testa croce con conseguente assenza di
incastellatura e ,inoltre,possibilità di raggiungere elevate potenze disponibili
costituendo apparati plurimotori ed elevati numeri di giri (400÷550 rpm)
•
rapporti c/D compresi tra 1.1÷1.4,velocità media pistone di 10 m/s(favoriscono
il
ricambio
allo
scarico),alesaggi
compresi
raggiungibili per cilindro sino a 2000kW;
44
tra
550÷640
mm,potenze
•
pressioni medie effettive che raggiungono valori compresi tra 25÷26 bar e
pressione di combustione vicine ai 200 bar con conseguenti accorgimenti
progettuali circa gli spessori delle pareti dei cilindri,testa dei pistoni e sopratutto
sistemi di raffreddamento di cilindro,pistone e testata ottimizzati per la presenza
di temperature elevate e di tipo bore cooling;
•
l'assenza di testacroce vede la presenza di un meccanismo di distribuzione per
l'apertura e chiusura valvole di ciascun cilindro
Tutti i motori di questo genere analogamente ai Diesel 2T lenti sono sovralimentati con
turbosoffianti a gas di scarico (rapporti di compressione sino a 4) e vedono la presenza di
un refrigeratore intermedio per ottimizzare le prestazioni del gruppo turbosoffianti.
Inoltre l'impianto costituito da diesel 4T comprensivo di riduttori( se propulsione
meccanica e non elettrica)pompe,scambiatori,refrigeratori e quant'altro,presenta una
riduzione di peso che può ammontare anche a 30% in meno rispetto ad un impianto
costituito da Diesel 2T.
Qui di seguito si riporta il diagramma polare che evidenzia le fasi del ciclo e gli angoli
misurati in giri di albero di manovelle;a fianco verrà inoltre riportato il diagramma polare
di un motore ad accensione comandata il cui funzionamento segue un ciclo otto.
Questo è fatto poiché ,come precedentemente accennato il DF durante il funzionamento in
Gas Mode segue un ciclo Otto e durante il funzionamento in Diesel Mode un segue un ciclo
Diesel.
Figura 29 – Diagrammi polari relativi ad un motore 4T ad accensione
comandata (a sinistra) e ad accensione spontanea (a destra)
45
Prima di descrivere le differenze costruttive che rendono il DF differente da un comune
Diesel 4T è opportuno descrivere nel dettaglio il ciclo di funzionamento con particolare
riferimento al funzionamento in Gas Mode.
In prima approssimazione d'analisi,tali motori sono dotati di doppia valvola di aspirazione
e doppia valvola di scarico,possiedono inoltre condotti e camere di combustione studiati
con estrema accuratezza dal punto di vista fluidodinamico e in grado di impartire alla
carica fresca una elevata turbolenza per favorire l'uniforme combustione e rendendo così
quanto più omogenea possibile la miscela aria-gas all'interno della camera.
Il motore DF è inoltre dotato di un sistema di alimentazione di backup il quale, in caso di
interruzione dell'alimentazione
a gas, commuta la modalità di funzionamento da Gas a
Fuel Oil in qualsiasi condizione di carico della macchina,istantaneamente ed in modo
automatico.
IV.3.1 Le fasi costituenti il ciclo di funzionamento di un motore DF
Riportiamo di seguito gli schemi relativi al funzionamento del DF suddivisi rispettivamente
secondo le fasi:aspirazione,compressione,combustione/espansione,scarico
Fig.30 – Fasi ciclo in Gas Mode di un motore DF
46
Durante la fase di aspirazione e una volta che è avvenuta l'apertura delle valvole di
aspirazione, il gas viene miscelato con l'aria e la carica fresca viene così introdotta nel
cilindro.
Il gas in particolare viene introdotto nel condotto di aspirazione,per mezzo di una valvola
elettronica in grado di fornire una pronta ed accurata iniezione
della giusta quantità di
gas.
A
miscelazione
avvenuta
e
quindi
ultimata
l'adduzione
della
carica
fresca
nel
cilindro,chiuse le valvole di aspirazione, comincia la fase di compressione nella quale il
pistone comprime e scalda la miscela.
Poco prima che il pistone raggiunge il PMS, la miscela gas-aria introdotta viene accesa da
una piccola quantità di LFO (Light Fuel Oil tipo MDO/MGO) detta Pilot Fuel,innescando la
combustione.
L'energia che si sprigiona con l'accensione tramite LFO e mille volte più grande rispetto ad
una qualunque altra modalità di accensione.
A questo punto a combustione avvenuta la fase di espansione produce la corsa del pistone
verso il PMI e poco prima del suo raggiungimento si ha l 'apertura delle valvole di scarico.
Dallo schema si nota un'importante fondamentale differenza questa volta tra i motori DF e
i motori GD (2T) visti nel capitolo precedente ovvero l'iniezione del gas che nei DF avviene
in miscelazione con aria durante l'aspirazione,laddove invece nei GD avviene direttamente
in camera di combustione.
Il sistema con il quale il gas è introdotto nel condotto d'aspirazione è normalmente situato
direttamente sul motore e costituito da un Common Rail che serve tutti i cilindri e la cui
funzione è quella di convogliare il gas e renderlo disponibile in pressione in prossimità di
ogni cilindro.
Per ottenere un'elevata efficienza e produrre livelli di emissioni inquinanti bassi ogni
cilindro è controllato e può essere regolato singolarmente al fine di ottenere la giusta
stechiometria tra aria e gas.
Inoltre sensori di detonazione regolano i tempi di combustione sulla base della qualità del
gas utilizzato.
Una stabile e controllata combustione,inoltre, riduce i carichi meccanici e termici sui
componenti di cui è costituito il motore.
Alcune case costruttrici tra cui la Wartsila hanno progettato dei sistemi di controllo
centralizzati che controllano gli aspetti della regolazione appena visti ed il cui compito è
quindi di mantenere il funzionamento di ogni cilindro entro delle finestre d'operatività
ottimale.
Si riporta di seguito un diagramma in cui vengono riportate le aree di funzionamento in cui
potrebbe trovarsi a lavorare un cilindro ed in cui vengono rappresentati gli andamenti di
efficienza termica,emissioni,consumi.
47
Figura 31 - Diagramma condizioni di funzionamento dei cilindri,efficienza ed emissioni
A questo punto introdotte le prime caratteristiche dei DF analizziamo più nel dettaglio i
componenti principali di un motore DF prendendo come esempio una delle soluzioni
applicative che al momento risulta la più efficace per la propulsione diesel elettrica di navi
metaniere di ultima costruzione e di costruzione prevista,ovvero sia il Wartsila 50DF
prodotto nelle configurazioni 6,8,9 cilindri in linea e nella versione 12,16,18 cilindri a V.
IV.3.2 Il motore Wartsila 50DF
Si ricorda che la scelta di prendere ad esempio un motore Dual Fuel Wartsila dipende dal
fatto che ,come è già stato detto,le case costruttrici specializzate nella costruzione di tali
tipi di motori sono la Wartsila per l'appunto e la MAN B&W.
Nella trattazione dei Gas Diesel verrà trattato invece un motore prodotto dalla MAN B&W.
La scelta de 50DF è legata inoltre alla soluzione d'impianto che e' stata fatto durante
l'analisi di conversione di nave metaniera e che verrà trattato in seguito.
Per cominciare la sigla 50DF è indicativa dell'alesaggio e del fatto che si tratti di un motore
Dual Fuel.
Il Wartsila 50DF è un dual fuel 4T non reversibile,sovralimentato,con intercooler(per ciò
che riguarda la sovralimentazione),ad iniezione diretta per l'alimentazione fuel oil e
iniezioni indiretta per ciò che riguarda il gas.
Si riporta di seguito uno schema con le caratteristiche principali che fornisce un quadro
degli elementi caratterizzanti i motori Dual Fuel:
48
Figura 32 – Wartsila 50DF caratteristiche principali (tabella) e
vista laterale del modello 12V50DF
Si noti nella tabella come oltre alle potenze erogabili alla velocità di rotazione pari a 514
rpm (consigliata dalla casa costruttrice in caso di propulsione meccanica,quindi con motore
collegato a riduttore) è riportata l'applicazione elettrica nelle due possibili frequenza di
lavoro del generatore accoppiato ovvero 50Hz o 60 Hz.
Si fa presente che in caso di accoppiamento con generatore,come in uscita da questo ci
sarà una perdita di potenza rispetto a quella erogabile dal motore e calcolata considerando
un rendimento dello stesso generatore pari al 96.5%.
Si evidenzia ancora come le caratteristiche geometriche del pistone,corsa,potenza
nominale pistone,velocità di rotazione e velocità media pistone siano comuni a tutti la
serie 50DF.
49
IV.3.3 Sistema di alimentazione del combustibile
Il sistema di alimentazione del motore è stato diviso in tre parti fondamentali:una
afferente al gas,una per il fuel oil (che da questo momento ipotizzeremo per semplicità
HFO)e infine un sistema separato per il pilot fuel (che da questo momento in poi diremo
LFO).
Il motore viene normalmente avviato in Diesel Mode usando sia HFO, che LFO e viene
commutato in Gas Mode quando la combustione risulta stabile all'interno di tutti i cilindri.
Quando il motore funziona in Gas Mode la quantità di LFO iniettato nella miscela aria-gas è
meno dell'1% del consumo in condizioni di pieno carico de motore,mentre in Diesel Mode
l'LFO viene usato parallelamente all' HFO ed il suo compito è il raffreddamento
dell'iniettore.
Figura 33 - Dual Fuel Diesel Engine sistema di alimentazione
50
Per quanto riguarda l'adduzione di gas questa avviene attraverso un sistema di valvole
elettroniche,previo filtraggio per l'eliminazione di eventuali impurità, e controllate
elettronicamente per permette il giusto dosaggio della quantità di gas da immettere nel
condotto di aspirazione e poco prima della valvola omonima.
In questo modo si può controllare singolarmente ,oltre la stechiometria della miscela ariagas per ogni cilindro,anche la durata dell'adduzione e l'istante di iniezione, consentendo la
separazione di gas combusti e miscela durante la fase di scarico ed ottimizzando cosi
l 'efficienza del ciclo di funzionamento.
La pressione del gas è controllata da una stazione valvole che ne determina il valore
ottimale in base al carico sul motore,in particolare questa ha il valore di circa 4 bar prima
dell'ingresso nel collettore di aspirazione e in condizione di pieno carico.
Le valvole in questione sono costituite da materiale altamente resistente alla corrosione e
permette quindi intervalli tra successive ispezioni molto lunghi.
Il sistema di adduzione del gas prevede ,ancora,delle Shut-Off Valves e Venting Valves per
garantire il mantenimento della pressione entro limiti di sicurezza.
Il gas ,prima di giungere alle elettrovalvole, corre all'interno di un flauto concosiuto come
Gas Rail Pipe al di sopra del motore stesso costituito da diversi branchetti ognuno dei quali
serve un elettrovalvola per l'adduzione del gas.
Il flauto è a doppia parete sferica come si vedrà più chiaramente in una sezione che verrà
riportata in seguito.
Figura 34 – Sezione completa testa cilindro
Per quanto riguarda,invece, le due restanti parti del sistema di alimentazione ovvero
51
quella relativa all' adduzione di LFO e quella afferente all' HFO bisogna sottolineare come
queste due parti siano costituite da linee differenti e separate.
Un'unità pompa di tipo alternativo,facente capo al circuito del LFO,ne regola la pressione
prima che questo sia inviato agli iniettori ed il tutto è controllato elettronicamente.
Si tratta di un sistema Common Rail che permette l'iniezione di LFO ad una pressione del
combustibile di circa 900 bar e l'istante e la durate dell'iniezione è controllata ,anche
questa volta,elettronicamente.
Tale unità pompa è nota con il nome di Fuel Pump.
Per quanto riguarda l'adduzione dell' HFO (nella sola modalità di funzionamento in Diesel
Mode )questa avviene sempre attraverso lo stesso iniettore che come si nota dalle
precedenti figure è di tipo Dual Needle (doppio spillo)e l'iniezione avviene previo
incremento di pressione da parte di una pompa d'iniezione comandata( come nei
tradizionali Diesel) dall'albero a camme (figura 28).
Tale unità pompa prende il nome di Injection Pump per distinguerla dalla precedente
(figura 28).
Per
quanto
riguarda
l'iniettore,la
valvola
di
diametro
maggiore
è
utilizzata
nel
funzionamento Diesel Mode per addurre LFO oppure HFO indistintamente,mentre la più
piccola è usata per l'iniezione del solo LFO durante il funzionamento in Gas Mode.
La progettazione ottimizzate per il funzionamento in entrambe le modalità permette un
controllo assoluto ed individuale della combustione in ogni cilindro e ciò riduce
drasticamente le emissioni inquinanti,rendendo costantemente stabile il funzionamento del
motore.
Lo schema che segue evidenzia il sistema di adduzione il sistema Common Rail per
l'adduzione del Pilot Fuel e il Gas Rail Pipe per l'adduzione del gas.
Figura 35 – Componenti sistema di alimentazione.
Si riporta per completezza di il circuito di alimentazione dell' HFO ed LFO rispettivamente
52
durante il funzionamento del motore Dual Fuel in Diesel Mode e Gas Mode e si precisa che
non è evidenziato il circuito di alimentazione de gas.
Figura 36 – Sistema di alimentazione LFO and HFO
IV.3.4 Commutazione del funzionamento da Gas Mode a Diesel Mode
Il funzionamento del motore può essere commutato automaticamente da Diesel Mode a
Gas Mode per valori di carico al di sotto dell' 80% e nella commutazione il carico non
subisce alcuna variazione di valore,mentre durante il passaggio da Diesel Mode a Gas
Mode è necessario circa un minuto nel quale avviene la graduale sostituzione del fuel oil
con il gas.
Fig.37 – Commutazione alimentazione
Per concludere si ritiene opportuno sottolinea dei fatti importanti.
53
Nei paragrafi precedenti si è data maggiore attenzione al sistema di alimentazione del
combustibile poiché è questo che rende la struttura del motore Dual Fuel differente da un
motore Diesel 4T semiveloce comune.
Il sistema di raffreddamento e di lubrificazione è concettualmente non dissimile da quello
di un comune Diesel 4T e pertanto non se ne è riportata descrizione.
Infine si evidenzia l'importanza che hanno i combustibile e le loro caratteristiche fisicochimiche sul buon funzionamento del motore.
Su ogni Product Guide relativo al motore sono riportati i valori entro i quali far oscillare tali
caratteristiche al fine di evitare danneggiamenti e funzionamento inefficienti del motore
stesso.
IV.4 Il Gas Diesel Engine (GD)
Abbiamo accennato nel capitolo precedente come questo motore differisca dai motori Dual
Fuel Diesel visti in precedenza per le caratteristiche di cui ci occuperemo nei successivi
paragrafi.
La tecnologia Gas Diesel è stata adottata storicamente dalla MAN B&W ed in particolare co
n l'applicazione ai motori Diesel 2T lenti.
Pertanto in prima approssimazione i motori Gas Diesel che tratteremo sono motori Diesel
2T lenti dalle caratteristiche non dissimili da quelli comunemente conosciuti e che possono
nascere con la possibilità di operare alternativamente a fuel oil e a gas o possono,in
moltissimi casi,essere adattati/convertiti a tale funzionamento con particolari accorgimenti
tecnici aggiuntivi.
Questi motori sono conosciuti con il nome di ME-GI Dual Fuel e sono caratterizzati da alti
valori di efficienza,semplicità di funzionamento,sono strutturalmente molto robusti e
sopratutto versatili in termini di utilizzo di combustibile,al di la della possibilità di poter
usare anche il gas.
Tali infatti sono le caratteristiche dei motori Diesel 2T lenti,ampiamente impiegati in
ambito navale proprio per tali caratteristiche.
Ricordiamo come i combustibili utilizzabili (oltre al gas)sono olio combustibile leggero, olio
pesante o greggio.
IV.4.1 Le fasi costituenti il ciclo di funzionamento di un motore GD
Riportiamo di seguito gli schemi relativi alla sola fase del ciclo di funzionamento del GD
relativa all'adduzione del gas all'interno del cilindro.
Gli schemi si riferiscono ad un Gas Diesel Engine 4T e pertanto ci si riferisca solamente
alla
modalità
con
cui
e'
addotto
il
gas
54
e
si
consideri,pertanto,l'adduzione
,indipendentemente dal motore riportato negli schemi.
Infatti tale tecnologia Gas Diesel ,come è stato accennato,la vedremo applicata ad un
motore
Diesel
2T
lento
le
cui
fasi
del
ciclo
notoriamente:compressione,ignizione,espansione,scarico
e
di
funzionamento
lavaggio,
con
una
sono
sola
rotazione dell'albero motore.
Figura 38 – Iniezione Gas/Diesel nei motori GD
La tecnologia Gas Diesel rispetto alla Dual Fuel vista in precedenza presenta notevoli
differenze a partire dalla fase di aspirazione.
In tale fase,e per i motori 2T, la carica fresca viene introdotta attraverso le luci di lavaggio
nella parte inferiore del cilindro ed è costituita da sola aria portata a pressione idonea
dalla turbosoffiante.
Questa è la prima differenza rispetto al DF poiché per esso già durante a fase di
aspirazione avveniva l'iniezione di gas.
Al termine della fase di compressione l'iniezione avviene attraverso l'iniettore ed in
particolare dapprima viene iniettato il pilot fuel (LFO)ed, una volta innescata la
combustione,viene addotto anche il gas.
Qui si nota la seconda differenza rispetto al DF;infatti il gas viene addotto direttamente in
camera di combustione.
Si fa presente come il tempo che intercorre tra l'iniezione di LFO e di Gas sia talmente
ridotto da poter considerare ai fini pratici la combustione contemporaneamente innescata
dai due combustibili.
Il motore GD in tutte le modalità di funzionamento segue un ciclo Diesel a differenza del
DF che, durante il funzionamento in Gas Mode,seguiva un ciclo Otto.
La quantità di combustibile pilota è equivalente a circa il 5% del combustibile di
55
alimentazione totale introdotto in camera e a pieno carico del motore.
Affinchè ,inoltre,l'iniezione del gas nella camera di combustione,con conseguente
miscelazione con l'aria di lavaggio,sia efficiente il gas deve raggiungere pressioni di circa
150/300 bar prima di essere addotto.
La pressione può variare in funzione del carico del motore e pertanto il circuito di
alimentazione visto ne paragrafo IV.2 deve tener conto di quanto appena detto.
L'impianto inoltre deve tener conto della quantità variabile di BOG disponibili per esempio
tra le condizioni di pieno carico (in cui i BOG sono in quantità maggiori) e la condizione in
zavorra (in cui i BOG devono essere forzati ad uscire dalle cisterne – FBOG Forced BOG)
IV.4.2 Il sistema di alimentazione del combustibile
Analizzeremo il sistema di alimentazione di un motore Gas Diesel con particolare
riferimento ai componenti aggiuntivi che,rispetto ad un Diesel 2T lento non a gas, devono
essere predisposti.
Per quanto riguarda il sistema di adduzione del gas questi,viene reso disponibile ad
elevate pressioni e al cosiddetto Gas Valve Block System,attraverso un condotto a doppia
parete sferica con relativi branchetti.
Figura 39 – Testata cilindro Gas Diesel Engine con tecnologia ME-GI
L'iniezione del gas è controllata elettronicamente dall'ELGI Valve (Electronic Gas Injection
Valve) che oltre a controllare la lubrificazione della valvola d'iniezione del gas controlla
l'istante di iniezione.
Poiché in questi motori si ha una doppia iniezione di combustibile ovvero il pilot fuel e gas
56
sono utilizzati a tale scopo differenti iniettori.
In particolare due valvole di iniezione sono presenti per ciò che riguarda il gas e due
valvole d'iniezione per ciò che riguarda il Fuel oil.
Dalla figura precedente si può notare la doppia valvola per l'adduzione del gas.
L'iniettore del fuel oil possiede le caratteristiche dei classici iniettori utilizzati nei comuni
Diesel 2T,mentre nell'iniettore destinato all'adduzione del gas,il gas stesso viene introdotto
nell'iniettore attraverso dei fori praticati nel coperchio testa cilindri.
Per evitare l'ingresso del gas all'interno de coperchio testa cilindri sono previste delle
guarnizione resistenti alle temperature e non sensibili ad agenti corrosivi.
Si riporta di seguito la sezione dell'iniettore di un motore Gas Diesel :
Figura 40 – Iniettore Gas
E' stato accennato come il controllo dell'iniezione del gas avviene attraverso la valvola
ELGI (figura 27),che tecnicamente agisce sull'apertura e chiusura dell'iniettore regolando il
tempo di apertura e l'istante di iniezione in base alle condizioni di carico del motore e
sopratutto in base alla qualità del gas utilizzato.
Per quanto riguarda il controllo dell'iniezione del fuel oil che avviene attraverso due
iniettori dedicati,questa è regolata dalla cosiddetta valvola FIVA (fuel injection valve
actuator)le cui caratteristiche operative non differiscono da quelle della valvola ELGI.
E' importante notare come sia la valvola FIVA che la ELGI lavorino in perfetto sincronismo
per garantire la giusta corrispondenza tra a quantità di fuel oil e di gas che deve essere
introdotta in camera di combustione a garanzia di un ottimale combustione.
Inoltre,sensori predisposti per ogni cilindro controllano le pressioni dell'aria di lavaggio e i
parametri di temperatura e pressione caratterizzanti la combustione, permettendo un
continuo controllo dell'efficienza del ciclo nei cilindri.
Nel caso in cui venisse rilevata una pressione alla combustione elevata,automaticamente
57
viene interdetta l'iniezione di gas nei cilindri e viene istantaneamente commutato il
funzionamento del motore da Gas Mode in Diesel Mode.
Per garantire ancora un regolare flusso di gas attraverso gli iniettori dedicati,sono
predisposti particolari sensori che rilevano un eventuale calo di pressione del gas
(ricordiamo attorno ai 300 bar),sintomo di malfunzionamento.
In tale ipotesi viene automaticamente interrotto il flusso di gas e convogliato gas inerte
alla pressione di circa 30 bar all'interno dell'iniettore e nella linea a monte di questo.
Tale tecnica prende il nome di Purging e fa capo ad un sistema dedicato.
Il purging è attutato,inoltre,allorquando il motore passa dal funzionamento in Gas Mode al
funzionamento Diesel Mode ed è in questo modo che si garantisce la sicurezza di tutta la
linea dedicata al gas quando quest'ultimo non è utilizzato.
IV.4.3 Commutazione del funzionamento da Gas Mode a Diesel Mode
Anche i motori Gas Diesel hanno la peculiarità che garantisce loro la massima flessibilità in
termini di utilizzo di combustibile e ciò è caratterizzato dalla possibilità di commutare il
funzionamento da Gas Mode a Diesel Mode automaticamente o manualmente.
In particolare i GD sono caratterizzati dal poter operare in tre differenti modalità di
funzionamento:
•
Fuel Oil Only Mode : caratterizzata da solo utilizzo di fuel oil e pertanto il motore
è considerato “Gas Safe”
•
Minimum Fuel Mode : è una modalità di funzionamento in Gas Mode e può
essere attivata solamente in modo manuale dall'operatore in Engine Control
Room;il sistema di controllo permette la miscelazione in qualunque proporzione
tra fuel oil e gas con valori minimi di default (5÷8%della quantità totale di
combustibile iniettato)per ciò che riguarda il fuel oil.
•
Specified Gas Mode :in tale modalità l'operatore può scegiere la quantità di gas
da utilizzare ed il sistema di controllo regolerà la quantità di fuel oil in funzione
della scelta ed in base al carico richiesto .
IV.5 Data sheet del Gas Diesel MAN B&W con tecnologia ME-GI (Gas Injection)
Si riportano le caratteristiche principali di un Gas Diesel Engine 2T lento della MAN B&W
con tecnologia ME-GI per avere un idea delle grandezze in gioco in questi motori.
58
59
60
CAPITOLO V
STUDIO CONVERSIONE DELL'APPARATO MOTORE DI UNA LNG CARRIER DA
145.000m3 PROPULSA DA IMPIANTO TURBINA A VAPORE.
V.1 Obiettivo e analisi di lavoro
L'obiettivo che ci si propone è l'analisi di massima di fattibilità della conversione
dell'impianto di propulsione di una LNG Carrier da 145.000m 3 attualmente motorizzata con
impianto turbina a vapore,in impianto di propulsione con motori Dual Fuel e quanto questa
conversione comporti guadagni in termini di consumo di Fuel Oil e BOG rispetto alla
motorizzazione di partenza.
Nell'impianto esistente la trasmissione della potenza erogata dalla turbovapore all'elica è
di tipo meccanico ovvero sia riduttore e una sola linea d'asse alla quale è calettata un'elica
a passo fisso.
La turbina a vapore principale eroga potenza solamente all'asse,attraverso un riduttore di
giri,mentre la potenza necessaria ai servizi di bordo è demandata a due turbogeneratori
alimentati a vapore e ad un motore diesel,le cui specifiche verranno a breve riportate.
I suddetti particolari hanno influenzato moltissimo la scelta dell'apparato motore poiché si
è tenuto conto della difficoltà di un eventuale sostituzione anche della parte propulsiva
(elica,linea d'assi) sia in termini economici che in termini tecnici (ipotesi scartata a priori)e
perciò si è cercato di scegliere l'apparato motore e il riduttore,in modo che questi
facessero lavorare la linea d'assi e l'elica, all'interno degli stessi range di funzionamento
che gli attribuiva la turbovapore.
Inoltre ,per quanto detto sulla parte destinata ai servizi, si è cercato di sostituire l'intero
gruppo turbogeneratori/diesel con due GenSet di caratteristiche quanto più possibile
aderenti alla configurazione esistente sia in termini di spazi che ovviamente di potenza.
Per quanto riguarda il Diesel di emergenza ,data la piccola potenza erogata,questo è stato
mantenuto inalterato.
Pertanto proposto,si è proceduto in questo modo:
•
con i dati caratteristici della nave e della quantità di carico trasportato si è
stimata ,sotto certe condizioni, la quantità di Boil Off Gas giornaliera che
nell'attuale configurazione propulsiva viene completamente bruciata in caldaia
per la produzione di vapore.
•
Si è preso atto della velocità di esercizio della nave e del numero di giri che
l'elica assume per mantenere tale andatura (NCR della turbovapore)e sopratutto
61
quanta potenza richiede l'elica in tali condizioni.
•
Si è stimato il valore dei rendimenti sia della parte propulsiva (riduttore,shaft)
che della parte destinata ai servizi (alternatori) e ciò è servito per fare una
stima di quanta potenza richiedere all'intero impianto,per garantire la giusta
potenza sia all'elica che ai servizi.
•
Alla luce della richiesta di potenza complessiva si è analizzata la prima soluzione
impiantistica che si ritiene idonea al caso in esame (Dual Fuel 4T)e si è fatta una
stima dei consumi di BOG da parte dei Dual Fuel scelti e nell'ipotesi che questi
garantiscano potenza necessaria all'andatura voluta.
•
Si è comparata ,dunque, la quantità di BOG disponibili e quella richiesta con un
evidente guadagno in termini di consumo di Fuel Oil supplementare.
•
si è ipotizzata una riduzione di 0.5 nodi della velocità di esercizio (attualmente
le metaniere della stessa classe viaggiano a velocità di esercizio tali e
,talvolta,inferiori per contenere i consumi) e si è ricondotta la stessa stima
valutandone gli effetti sul consumo totale.
•
Si è proceduto alla scelta di una seconda soluzione d'impianto costituito da un
Gas Diesel 2T e si è riproposto il calcolo del consumo complessivo di gas
dell'intero impianto.
•
Si è infine concluso affermando che con una velocità di esercizio di 19.0 nodi
entrambe le soluzioni sia DF 4T che GD 2T lavorano ad un carico pari a circa
l'85% dell'MCR (che per tali motori viene solitamente scelto come NCR),l'asse
lavora a regimi quasi pari a quelli relativi alla motorizzazione di partenza e che
la sostituzione operata permette il solo utilizzo di BOG e addirittura la presenza
di una surplus degli stessi BOG,cosa che invece non era possibile avere con
l'originario impianto con turbina a vapore. Inoltre entrambe i sistemi sono
caratterizzati da un risparmio di Fuel Oil consistente.
62
V.2 Dati di input di nave metaniera “Muscat LNG”
(specifiche tecniche tratte da “NIZWA LNG FormC” (nave gemella) – specifiche turbina a vapore tratte dal sito ufficiale Marine Steam Turbine/Kawasaki
Heavy Industries http://www.khi.co.jp/english/machinery/product/ship/ship.html)
63
Il layout dell'impianto di propulsione attualmente istallato sull'unità è in configurazione
classica ovvero doppia caldaia a vapore che serve sia la turbina collegata ad un
riduttore/asse,sia due turbogeneratori che erogano per i servizi insieme al Diesel e così
come riportato nella seguente.
Il layout dell'apparato motore è stato trattato III.4 figura 18.
Procediamo con la stima della quantità giornaliera di BOG disponibili per la propulsione
considerando,che in questa tipologia di nave ,come è stato precedentemente detto,se ne
rende disponibile al giorno una quantità pari allo 0,15% del carico imbarcato.
V.2.1 Stima della quantità giornaliera disponibile di BOG
Nell'ipotesi usale che i BOG e le cisterne siano caratterizzate come segue:
densità ρ LNG = 0,49 t/m3
quantità di LNG con cisterne caricate al 98.8% = 145.494m 3
allora risulterà rispettivamente la quantità di carico presente nelle cisterne espressa in
tonnellate e la quantità di BOG disponibili:
MCARICO = 145.494 x 0,49 =71.292 t
GBOG = 0,0015 x MCARICO= 106,9 t/giorno
V.2.2 Stima potenza richiesta dall'asse e dai servizi
La stima della potenza richiesta dalla propulsione è condotta con un'espressione empirica
utilizzata per questo tipo di nave,che fornisce,nell'ipotesi di velocità di esercizio pari a 19.5
nodi,quanto segue.
La si è utilizzata perchè non è stato semplice venire a conoscenza di tutte le specifiche
della parte propulsiva della nave in oggetto e da qui la scelta dell'espressione empirica che
però trova un riscontro positivo nella comparazione con i dati in nostro possesso e che
perciò la si ritiene abbastanza valida.
Infatti si sottolinea come il risultato dell'espressione empirica si avvicini in termini
quantitativi a quello riportato nelle specifiche della nave,nelle condizioni di velocità
richiesta.:
PE= (1,34571 + 0,00003091 x Dn) x V 3 = 27.706,6 kW
(1)
(1) L'espressione per il calcolo della potenza all'elica è proposta dal CIMAC e individuata nella sezione polacca in merito alla trattazione dei sistemi COGES.
64
dove:
Dn = 77.351t (Summer Deadweight);
V = velocità di esercizio;
Pertanto sarà questa la potenza che interesserà l'elica per mantenere la velocità richiesta.
Nell'ipotesi di rendimenti meccanici pari al 98% e relativi sia al riduttore che alla linea
d'assi,allora la potenza che i motori dovranno erogare ovvero potenza al freno P F,sarà:
PF= PE/0,96 =27.706,6/0,96 = 28.849 Kw
Per quanto riguarda la parte relativa ai servizi,l'impianto di propulsione originale prevede
due turbogeneratori ed un Diesel che erogano una potenza totale di 9.300 kW per una
richiesta di circa 8800 kW relativa alla fase di manovra ( e qui che si richiedono le potenze
maggiori);pertanto nell'ipotesi di rendimento pari al 95%,la nuova configurazione ausiliari
dovrà garantire :
PAUX = 8.800/0,95 = 9.263 kW
V.3 Stima potenza richiesta totale e analisi della prima soluzioni propulsiva
Alla luce della stima parziale fatta sulla richiesta di potenza da parte della propulsione e
dei servizi,l'intero impianto che nell'ipotesi dovrà sostituire quello esistente dovrà
garantire una potenza totale :
PR= PF + PAUX = 28.849 + 9.263 = 38.112 kW
Inoltre si sottolinea come la scelta delle soluzioni migliori per il nuovo impianto,dovrà
tenere conto oltre che della potenza appena stimata,dei pesi che non dovranno discostarsi
di molto da quelli che interessavano le turbine,il diesel e le caldaie;si dovrà tenere conto
degli spazi disponibili e si dovrà tenere conto della possibilità di utilizzare quanto più
possibile i BOG e attingere al fuel oil solo durante le fasi di manovra.
Inoltre si è tenuto conto delle ridotte possibilità di scelta di motori termici primi,poichè
legati strettamente alla soluzione Dual Fuel e alle elevate potenze in gioco.
65
La configurazione che alla luce delle considerazioni fatte appare interessante è la
seguente:
•
2 x Wartsila
(2)
16V50DF da 15.600 kW destinati alla propulsione e eroganti
all'asse,attraverso un riduttore di giri, una potenza complessiva pari a 31.200
kW
•
2 x Wartsila 9L34DF da 3.890 kW (potenza in uscita dall'alternatore accoppiato
e con corrente in uscita a 50Hz) destinati ai servizi ausiliari ed eroganti una
potenza complessiva di 7.780 kW.
•
1 x shaft generator (2.200 kW) collegato al PTO del riduttore e destinato ai
servizi (utilizzo limitato alla sola fase di richiesta di picco di potenza e in
aggiunta ai Genset cui sopra).
Si sottolinea come una propulsione di tipo DFDE (Dual Fuel Diesel Electric) avrebbe reso la
scelta molto più versatile sia in termini di potenza che in termini di configurazione.
E' quest'ultima,infatti, la scelta propulsiva che rappresenta l 'alternativa migliore per
questa tipologia di nave e tutto ciò è largamente confermato dalle caratteristiche delle
nuove unità e di quelle in costruzione.
Inoltre è importante sottolineare come la scelta sia stata condizionata dall'adeguamento
degli impianti di propulsione alla normativa vigente e prevista e in merito al rispetto di
quanto imposto dalla MARPOL 73/78,in particolare all'adeguamento all' IMO TIER II.
A seguire il layout relativo all'impianto di propulsione ipotizzato.
Figura 41 – Impianto di propulsione alternativo
(2) Le caratteristiche dei motori Wartsila sono state assunte dal sito ufficiale della Wartsila http://www.wartsila.com/en/engines/DF-engines )
66
Stima dei consumi della parte propulsiva
La stima dei consumi relativi ai due motori destinati alla propulsione è stata condotta con
riferimento ai dati assunti dalla Product Guide relativa al 16V50DF fornito dalla casa
costruttrice e ipotizzando un funzionamento in Gas Mode del motore per quel che
concerne i consumi specifici.
I due Wartsila 16V50DF come visto in precedenza devono erogare 28.890kW.
La potenza istallata è pari a 31.200 kW,pertanto :
%CARICO MOTORE =28.849 x 100 /31.200 =92,5 %
Consumi specifici
(3)
:
Cs di gas (100% carico) =7.258 kJ/kg
Cs di Pilot Fuel (100% carico) =1,0 g/kWh
Cs di gas (75% carico)
C s di Pilot Fuel (75% carico) =1,5 g/kWh
=7.429 kJ/kg
Alla luce dei consumi di cui sopra si determina il consumo specifico di gas relativo alla
condizione di carico pari al 92,5% attraverso l'interpolazione dei consumi:
R = (92,5 – 75)/(100 – 75) = 0,7
Cs di gas (92,5% di carico) = [R x (7.258 – 7.429) ] + 7.429 = 7.309,3 kJ/kWh
Il dato ottenuto può essere espresso in g/kWh tenendo conto del potere calorifico inferiore
del metano,ovvero sia Hi = 50.016 kJ/kg e pertanto il consumo specifico risulterà pari a :
Cs di gas = 7.309,3/50.016 = 146 g/kWh
Non resta che calcolare il consumo giornaliero di Gas alla potenza richiesta :
CPROPS =h x PF x Cs di gas = 24 x 28.849 x 0,146 = 101,1 t/giorno
E' tale dunque la richiesta di gas da parte della sola parte propulsiva per mantenere
l'andatura voluta,con un funzionamento dei motori in Gas Mode.
A breve, una volta fatta la stessa stima per la parte relativa ai servizi,procederemo al
confronto con i BOG disponibili traendo le conclusioni del caso.
(3) I consumi specifici sono stati ricavati dalle tabelle presenti nel Product Guide del motore e sono relativi all'ipotesi di configurazione propulsiva di tipo
meccanico;questo è precisato poiché sono presenti consumi leggermente differenti se i motori operano in una configurazione di propulsione elettrica.
67
Per quanto riguarda la trasmissione del momento torcente all'elica attraverso il riduttore si
sottolinea come a tale regime di velocità nave e per un valore di potenza da attribuire
all'elica dell'ordine visto in precedenza,nel vecchio impianto di propulsione, l'asse aveva
una rotazione di 85 rpm.
Adesso osservando il diagramma di layout del motore e confermando attraverso dei
semplici calcoli algebrici ,in tali condizioni, i motori hanno una rotazione albero pari a 476
rpm .Pertanto si dovrà predisporre un riduttore il cui fattore riduttivo sia opportunamente
stimato a tal punto da garantire una rotazione asse pari a quella che aveva l'elica quando
era propulsa con impianto TV.
Stima dei consumi della parte ausiliari
Per operare tale stima si è fatto riferimento ad un'analisi della Wartsila condotta su una
nave di caratteristiche simili e nella quale si ipotizzava verosimilmente una richiesta di
potenza destinata ai servizi,in navigazione e alla velocità di 19,5 nodi, pari a 2.000 kW.
Assumeremo pertanto come richiesta di potenza tale valore.
Procederemo con il calcolo della potenza che gli ausiliari dovranno erogare per fornire
quanto detto e considerando un rendimento della parte elettrica pari al 95%:
Pr= Pel /0,95 = 2.200/0,95 = 2.105 kW
Risulta evidente come la potenza richiesta risulti inferiore alla potenza massima erogabile
da una sola unità (3.890kW) per cui si ipotizzerà nella fase di navigazione l'utilizzo di un
solo GenSet.
Si fa presente che eventuale richieste di picco di potenza (se inferiore a 2.200 kW)
sarebbero gestibili con il solo eventuale ausilio dell'alternatore asse lasciando,così sempre
sganciato il secondo GenSet.
A questo punto e così come fatto per i motori destinati alla propulsione i procede con il
calcolo dei consumi e considerando il fatto che in quelle condizioni di potenza da erogare il
Diesel lavora in condizioni di carico pari al 54%,pertanto:
cs di gas (75% carico) =8.010 kJ/kg
cs di fuel oil (75% carico) =187 g/kWh
cs di gas (50% carico) =8.153 kJ/kg
c s di fuel oil (50% carico) =192 g/kWh
Alla luce dei consumi di cui sopra si determina il consumo specifico di gas relativo alla
condizione di carico pari al 54% attraverso l'interpolazione dei consumi:
R = (54 – 50)/(75 – 50) = 0,16
68
cs di gas (54% di carico) = [R x (8.010 – 8.153) ] + 8.153 = 8.130 kJ/kWh
Il dato ottenuto può essere espresso in g/kWh tenendo conto del potere calorifico inferiore
del metano,ovvero sia Hi = 50.016 kJ/kg e pertanto il consumo specifico risulterà pari a :
cs di gas = 8.130/50.016 = 160 g/kWh
Non resta che calcolare il consumo giornaliero di Gas alla potenza richiesta :
cAUX = h x Pr x cs di gas = 24 x 2.105 x 0,160 = 8,1 t/giorno
Analisi consumi di gas dell'intero impianto (DF) e BOG disponibili alla propulsione
Determinati i consumi giornalieri di gas dell'intero impianto di propulsione si procederà
adesso alla comparazione con la quantità di BOG giornaliera resa disponibile dalle cisterne.
Si consideri,inoltre, come il vecchio impianto aveva un consumo giornaliero di circa 170
t/giorno di Gas + Fuel Oil,poichè tutto il BOG veniva interamente bruciato.
Partendo da questo dato la quantità di Fuel Oil da aggiungere alla quantità di BOG
giornaliera disponibile (stimata in precedenza) per l'impianto originario,era:
CFUEL OIL ITV = CITV - GBOG =170 – 107 = 63 t/giorno
ove con ITV indicheremo la parte relativa al'impianto turbina a vapore.
Quindi oltre a tutto il BOG disponibile venivano bruciate anche 63 t/giorno di HFO.
Vediamo cosa accade con riferimento al nuovo impianto e nelle condizioni di esercizio
sopra descritte.
CTOTALE IMPIANTO = CPROPS + cAUX = 101,1 + 8,1 = 109,2 t/giorno
Si noti subito come risulta nettamente inferiore il consumo di combustibile del nuovo
impianto Dual Fuel rispetto al tradizionale impianto TV.
Questo è dovuto all'elevata efficienza dei motori Dual Fuel (rendimenti quasi del 48 %
rispetto ai 37% delle TV) e bassi consumi.
A questo punto,considerando il BOG disponibile e conducendo la stessa stima appena fatta
per l'impianto TV ,calcoliamo l'ammontare di Fuel Oil da aggiungere alla quantità di BOG:
C
FUEL OIL DUAL FUEL
= CTOTALE IMPIANTO
- GBOG = 109,2 – 107 = 2,2 t/giorno
69
In tale configurazione e in tali condizioni di regime per il motore e di andatura per la nave
risulta un risparmio sul fuel oil che ammonta a :
CRISPARMIO FUEL OIL = 63 – 2,2 =60,8 t/giorno
Dunque, a parità di configurazione sia per la propulsione che per l'andatura della
nave,rispetto all'impianto pre-esistente,il risparmio di combustibile risulta evidente.
E' questo il risultato che conferma la nuova tendenza d'oggi nella scelta dell'apparato
motore Dual Fuel per questa tipologia di nave.
V.4 Ipotesi di utilizzo di solo BOG e influenza sui regimi/velocità nave
Oggi l'aumento continuo del costo del combustibile ha costretto gli armatori alla riduzione
delle velocità di esercizio delle navi e sopratutto quelle la cui velocità era superiore ai 18,5
nodi poiché connesse a consumi elevati.
A fronte di un periodo di navigazione incrementato di qualche ora infatti so preferisce
contenere i consumi .
Per fare un esempio è stata fatta una stima sull'influenza che ha una riduzione di mezzo
nodo sula velocità di esercizio,su una tratta comune tra un terminal di liquefazione ed uno
di rigassificazione :
Figura 42 – Esempio di tratta coperta da una metaniera
70
La tratta in questione è tra il terminal di liquefazione di Damietta (Egitto) fino al terminal
di rigassificazione di Fos-Sur-Mer (Francia)
(4)
per un totale di circa 1.570 miglia nautiche.
E' stata condotta una stima di durata di navigazione alla velocità di esercizio di 19,5 nodi
che ,come visto precedentemente,implica un consumo giornaliero totale di 109,2 t/giorno
di combustibile (tra BOG e Fuel Oil)
ed inoltre è stata condotta la stessa stima
considerando una riduzione di velocità di 0,5 nodi rispetto alla velocità di esercizio.
Il risultato della stima fornisce tali periodi :
T (19,5) = 1.570 / 19,5 = 80,5 h di navigazione
T (19,0) = 1.570 / 19,0 = 82,6 h di navigazione
Quindi è evidente che una riduzione di mezzo nodo sulla velocità nave risulterebbe in 2,1
ore di navigazione in più a fronte di poco più di 3 giorni di navigazione in totale.
Supponendo che commercialmente sia concesso l'accesso in porto e la scaricazione
nonostante le ore in eccesso (rispetto dei Loadinng/Unloading Gates) vediamo come
varierebbero i regimi di consumi in tali ipotesi e se questo potrebbe risultare conveniente.
In pratica riformuleremo quanto fatto in precedente considerando la velocità nave di 19,0
nodi.
PE = (1,34571 + 0,00003091 x Dn) x V 3 = 25.630 kW
PF = PE /0,96 =25.630/0,96 = 26.698 KW
Saranno quindi queste le potenze da attribuire all'elica e quelle che i motori dovranno
erogare.
I motori eroganti tale potenza saranno sottoposto ad un regime di carico pari al 86%
(qualitativamente e quantitativamente migliore rispetto ai 92,5% e nei canoni del normale
carico scelto per questo tipo di motori),pertanto il consumo giornaliero sarà:
R = (86 – 75)/(100 – 75) = 0,44
Cs di gas (86% di carico) = [R x (7.258 – 7.429) ] + 7.429 = 7.353,8 kJ/kWh
Esprimendo il consumo in g/kWh questo sarà :
Cs di gas =147 g/kWh
(4)Notizie sugli impianti di liquefazione/riliquefazione ottenuti da http://www.lngplants.com/ - inoltre su tale sito sono discussi i vantaggi dei DF)
71
Non resta che calcolare il consumo giornaliero di Gas alla potenza richiesta :
CPROPS =h x PF x Cs di gas = 24 x 26.698 x 0,147 = 94,2 t/giorno
Quindi a fronte di un aumento di consumo specifico di carburante (giustificato dalla
riduzione di carico – tali motori a più alti regimi hanno consumo specifico inferiore) in
realtà la riduzione di potenza complessiva da erogare mi determina una riduzione del
consumo giornaliero rispetto all'andatura di 19,5 nodi,pari a :
CRISPARMIO COMBUSTIBILE = 109,2 – 94,2 =15 t/giorno
Poiché il consumo totale dell'impianto (compresi i servizi) risulterà anch'esso ridotto :
CTOTALE (19,0 NODI) = 94,2 + 8,1 = 102,3 t/giorno
allora con riferimento alla quantità di BOG disponibile giornalmente ,questi saranno
sufficienti a coprire il consumo giornaliero della nave alla velocità di 19,0 nodi ed evitando
l'utilizzo di Fuel Oil.
Inoltre avremo un surplus di BOG stimato a :
BOG
INUTILIZZATI
=107 – 102,3 = 4,7 t/giorno
Questo è quanto accade nelle attuali metaniere della stessa classe e con impianto di
propulsione Dual Fuel Diesel Elecrtic.
Inoltre a tali regimi di carico dei motori la rotazione asse corrispondente alla rotazione
albero di 442 rpm sarà di 84 giri e pertanto si rientrerà a pieno, nei range di
funzionamento che possedeva l'elica quando era propulsa da impianto TV (85 rpm a 19,5
nodi).
Per confermare la praticabilità di tale velocità è stata osservata attraverso i siti web che
tracciano il traffico mercantile via AIS (Automatic Identification Sistem)
(5)
la media fra le
andature delle metaniere di caratteristiche simili in navigazione attualmente e ,avendo
eliminato le unità in vicinanza dei porti (velocità basse per manovra) e avendo considerato
eventuali fattori meteorologici e influenza della lunghezza delle tratte,si è giunti alla
conclusione che le metaniere prese come campione assumono velocità di esercizio
comprese tra i 16,8 nodi e i 21,0 nodi.
Quindi una velocità di 19,0 nodi pare attuabile per tale tipo di nave e con notevoli vantaggi
economici.
(5) Il sito in oggetto consultato è http://www.marinetraffic.com/ais/ ed inoltre http://shipfinder.co/ )
72
Tale configurazione di impianto inoltre a tale velocità risulta lavorare in condizioni di carico
ottimali e pertanto sembrerebbe risultare efficace.
V.5 Soluzione alternativa – Gas Diesel Engine 2T lento
E'stata condotta un'analisi aggiuntiva affinchè la scelta più opportuna fosse basata su
alternative valide che dessero la possibilità di una soluzione ottimale.
La potenza erogabile dai 4T Dual Fuel Wartsila appena visti è limitata al massimo
ottenibile dal modello trattato ovvero il 16V50DF (15.600kW) e lo stesso vale per la serie
Dual Fuel 51/60 della casa costruttrice Man B&W.
La presenza di una singola linea d'asse ha perciò escluso la possibilità di utilizzo di un solo
motore Dual Fuel 4Tproprio per tali limitazioni di potenza ed è per questo che è stata
trattata precedentemente la configurazione con 2 motori Wartsila 4T destinati alla
propulsione.
Allora si è pensato di analizzare ,piuttosto che la soluzione Dual Fuel 4T,una seconda
soluzione che non nasce con la tecnologia Dual Fuel (lean burn technology e miscela ariagas introdotta in camera in fase di aspirazione)ma che tuttavia dato l'utilizzo alternato sia
di Fuel Oil che di Gas può essere ,nell'accezione della parola, considerato un motore Dual
Fuel.
Si tratta dei Gas Diesel Engines, motori 2T lenti che hanno la particolarità di poter essere
alimentati a Gas con iniezioni di gas direttamente in camera di combustione ed accensione
sempre da Pilot Fuel e così come visto nel capitolo precedente.
Tali motori hanno le caratteristiche di potenza dei normali Diesel 2T lenti e pertanto
singole unità riescono ad erogare potenze elevate.
Inoltre la soluzione che ci si propone di analizzare,permette l'eliminazione del riduttore
poiché come è noto il range di rotazione asse è dell'ordine degli 85 rpm circa.
La casa costruttrice Leader nella realizzazione di tali motori e alla quale faremo riferimento
è la Man B&W
riuscisse
a
(6)
ed è perciò che siamo andati alla ricerca di una soluzione operativa che
coprire
la
richiesta
di
potenza
per
un
andatura
della
nave
che
,precedentemente abbiamo visto,risulta essere di 19.0 nodi.
La soluzione scelta ha dovuto tenere conto oltre che della potenza richiesta al freno,degli
spazi,dei consumi e anche delle limitazioni del numero di giri asse esistente.
Ricordiamo che ,con l 'impianto turbina a vapore, l'asse aveva rotazioni di 85rpm per
garantire i 19,5 nodi,mentre la rotazione scendeva ad 80 rpm per mantenere la velocità di
19,0 nodi;pertanto si e' cercato di rimanere in tali range di utilizzo e questo ha influenzato
molto la scelta,forse ancor di più rispetto alla soluzione del DF 4T semiveloce perchè,in
quest'ultima soluzione,il riduttore ci è venuto incontro.
Per ciò che concerne gli ausiliari,sono stati scelti 3 GenSet Gas Diesel affinchè fosse
73
garantita la richiesta totale vista in principio ovvero sia di 9.300 kW.
La scelta che dunque si è rivelata interessante è la seguente (6):
•
1 x MAN B&W 7S80ME – C8.2 – GI (IMO TII) con Output Power all'MCR di
31.500 kw a 84rpm per la propulsione;
•
3 x MAN B&W 6S30ME – C9.3 – GI (IMO TII) GenSet con Output Power all'MCR
di 3.840 kw ciascuno e destinati ai servizi ausiliari.
Figura 43 – Layout impianto ME-GI
A questo punto procederemo al calcolo dei consumi in questa configurazione esattamente
come condotto per i Dual Fuel 4T.
Stima consumi parte propulsiva
La stima dei consumi relativi al motore destinato alla propulsione è stata condotta con
riferimento ai dati assunti dal Main Engine Room Data disponibile per ogni souzione
applicativa nel sito web http://77.243.130.110/ERD/ERD.aspx relativo al MAN B&W 7S80MEGIal fornito dalla casa costruttrice e ipotizzando un funzionamento in Gas Mode del motore
per quel che concerne i consumi specifici.
Questi deve erogare come visto in precedenza per mantenere un andatura di 19.0 nodi ,
26.698 kW.
(6)http://www.mandieselturbo.com/1017744/Press/Publications/Technical-Papers/Marine-Power/Low-Speed/ME-GI-Dual-Fuel-MAN-
BandW-Engines.html
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La potenza istallata con questa soluzione è pari a 31.500 kW,pertanto :
%CARICO MOTORE =26.698 x 100 /31.500 =84,7 %
così come confermato dal Layout Diagram del motore a quella potenza erogata.
Si riportano di seguito i consumi forniti dalla casa costruttrice e relativi a tale condizione di
carico:
Consumi specifici:
Cs di gas (85% carico)
=132,1 kJ/kg
C s di Pilot Fuel (85% carico) =9,4 g/kWh
Cs di gas (80% carico) =131,3 g/kWh
Cs di fuel oil
(80% carico) =9,7 g/kWh
Alla luce dei consumi di cui sopra si determina il consumo specifico di gas relativo alla
condizione di carico pari al 84,7% attraverso l'interpolazione dei consumi:
R = (84,7 – 80)/(85 – 80) = 0,94
Cs di gas (84,7% di carico) = [R x (132,3 – 131,3) ] + 131,3 = 132,2 g/kWh
Non resta che calcolare il consumo giornaliero di Gas alla potenza richiesta :
CPROPS =h x PF x Cs di gas = 24 x 26.698 x 0,1322 = 84,7 t/giorno
E' tale dunque la richiesta di gas da parte della sola parte propulsiva per mantenere
l'andatura voluta,con un funzionamento dei motori in Gas Mode.
Per quanto riguarda la velocità di rotazione asse ,osservando il diagramma di layout alla
potenza in gioco in questa condizione di carico,questa ruota ad 81 rpm in pratica 1 rpm in
più rispetto all'apparato motore visto in precedentemente.
Ciò ci lascia intendere che in ogni caso è rispettato il regime di rotazione che l'asse aveva
quando la nave possedeva impianto turbina a vapore e perciò in questa condizioni di
carico e rotazione di asse ci si ritrova esattamente in armonia di funzionamento con
quanto avveniva prima.
A questo punto operiamo lo stesso procedimento di calcolo per ciò che riguarda gli
ausiliari.
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Stima dei consumi parte ausiliari
Ricordiamo che durante la navigazione la richiesta di potenza, e così come visto in
precedenza, era stata assunta pari a 2.105 kW.
Risulta evidente, anche in questo caso,come la potenza richiesta risulti inferiore alla
potenza massima erogabile da una sola unità (3.840kW) per cui si ipotizzerà nella fase di
navigazione l'utilizzo di un solo GenSet.
A questo punto e così come fatto per i motori destinati alla propulsione i procede con il
calcolo dei consumi e considerando il fatto che in quelle condizioni di potenza da erogare e
come si evince dal diagramma di layout del motore,il GenSet lavora in condizioni di carico
pari al 54,8%,pertanto:
cs di gas (55% carico) =138 g/kWh
c s di Pilot Fuel (55% carico)
=13.1 g/kWh
cs di gas (50% carico) =137,9 g/kWh
c s di Pilot Fuel (50% carico) =14 g/kWh
Alla luce dei consumi di cui sopra si determina il consumo specifico di gas relativo alla
condizione di carico pari al 54,8% attraverso l'interpolazione dei consumi:
R = (54,8 – 50)/(55 – 50) = 0,96
cs di gas (54,8% di carico) = [R x (138 – 137,9) ] + 137,9 = 138 g/kWh
Non resta che calcolare il consumo giornaliero di Gas alla potenza richiesta :
cAUX = h x Pr x cs di gas = 24 x 2.105 x 0,138 = 7 t/giorno
Analisi consumi di gas dell'intero impianto (GD) e BOG disponibili alla propulsione
Determinati i consumi giornalieri di gas dell'intero impianto di propulsione si procederà
adesso alla comparazione con la quantità di BOG giornaliera resa disponibile dalle cisterne.
A richiesta giornaliera di gas dell'intero impianto è pari alla somma dei due consumi
parziali appena calcolati,ovvero:
CTOTALE
(19,0 NODI)
= 84,7 + 7 = 91,7 t/giorno
e analogamente e a quanto fatto per i Wartsila 4T anche in questo caso sarà disponibile
una quantità di BOG pari a 107 t/giorno per cui anche in questa soluzione con Gas Diesel
Engine c'è un surplus di BOG questa volta maggiore e pari a :
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BOGINUTILIZZATI = 107 – 91,7 = 15,3 t/giorno
E' evidente in conclusione oltre all'efficienza dell'impianto garantita dalla presenza del Gas
Diesel 2T ,rispetto alla soluzione precedente (altrettanto valida sopratutto in termini di
versatilità di gestione delle richieste di potenza e di mantenimento di velocità)il consumo
giornaliero di Gas e di conseguenza di combustibile risulta ridotto notevolmente proprio
per la presenza del 2T.
V.6 Gestione dei BOG in eccesso
Alla luce di quanto esposto in precedenza in merito alla quantità di BOG in eccesso e
poiché su queste navi non è presente un impianto di riliquefazione ,a differenza delle
metaniere di capacità superiori,allora si rende necessario smaltirlo inviandolo a degli
oxydizer che provvedono a bruciarlo.
In questi casi è evidente la perdita economica che c'è dietro a tale necessaria pratica.
L'istallazione di un impianto di riliquefazione del tipo Moss RS System visto nei capitoli
precedenti su navi di questa capacità,comporta spese elevate di investimento ma
sopratutto il ricavo economico derivabile dalla riliquefazione dei BOG e successivo reinvio
alle cisterne risulta contestualmente perso per l'elevata richiesta di energia da parte de
sistema stesso.
Questo è il motivo per cui tali sistemi sono istallabili su metaniere di capacità maggiore.
In realtà la GazTransport & Technigaz Sas ha al vaglio un nuovo impianto di semiriliquefazione studiato per operare su tale tipo di nave, ovvero sia in presenza di quantità
modeste di BOG (caratterizzanti gli impianti di propulsione Dual Fuel)e la cui spesa
energetica per il funzionamento è modesta a tal punto da renderli tecnicamente ed
economicamente efficaci.
Figura 44 – ParRel Plants della GazTransport & Technigaz SAs
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Conclusioni
Il lavoro ha portato alla luce quanto i motori Dual Fuel e quanto di Gas Diesel Engine
rappresentino e rappresenteranno una valida alternativa alla propulsione delle LNG Carrier
e non solo.
Sulla tipologia di nave presa in esame tale applicabilità ed efficacia risulta ancora
maggiore per la presenza dei BOG utilizzabili come combustibile,con enorme risparmio in
termini di costi di gestione.
In particolare,l'analisi condotta su andature differenti ha messo in risalto come un
aumento minimo del periodo di navigazione possa in realtà avere risvolti positivi in termini
operativi ed economici.
Infine le configurazioni impiantistiche scelte come già accennato in precedenza hanno
dovuto ottemperare e aderire quanto più possibile ad una propulsione esistente per tale
motivo la versatilità del layout dell'impianto ne ha risentito nel primo caso mentre nella
seconda soluzione la il numero di giri dell'asse esistente ha reso più difficoltosa la scelta
dell'apparato motore.
La scelta ottimale per tale tipo di nave oggi è l'impianto Dual Fuel Diesel Electric che oltre
ad essere caratterizzato da riscontri economici positivi,così come visti in precedenza,è
caratterizzato
da
una
maggiore
versatilità
nella
scelta
del
layout
dell'intero
impianto,consentendo talvolta una più attenta scelta propulsiva favorita oltretutto dalla
possibilità di dislocare le unità propulsive con maggiore oculatezza e ottimizzazione degli
spazi verosimilmente a favore del carico.
Per quanto riguarda invece la scelta delle soluzioni MAN B&W ME-GI si sta verificando la
tendenza alla costruzione di metaniere più grandi e con cisterne di tipo Mark III
equipaggiate con doppia linea d'assi e quindi con motorizzazione ME-GI distribuita su
entrambi gli assi.
Studi condotti in vasca hanno portato alla conclusione che per le classi di metaniere
Q-FLEX e Q-MAX rispettivamente di capacità pari a 200.000m 3 e 265.000m3 tali soluzioni
propulsive vedono un incremento di efficienza del moto di circa il 5% rispetto alle stesse
navi propulse da una sola elica.
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