Seminario Contaminación atmosférica producida por buques

5/14/2018 Seminario Contaminaci n atmosf rica producida por buques - slidepdf.com

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SEMINARIO-Contaminación

atmosférica producida por buques

Héctor de los Ojos Barroso



SEMINARIO-Contaminación atmosférica producida por buques Héctor de los Ojos Barroso

1

Índice1. IntroducciónPágina 2

1.1. Datos estadísticos de emisiones.Página 3

1.1.1. Contribución de los buques en emisionesPágina 71.1.2. Datos estadísticos de emisiones en buques según normativaPágina 8

1.2. Comparación energética de sistemas de transportePágina 10

1.2.1. Comparación energética en sistemas de transporte de personasPágina 10

1.2.2. Comparación energética en sistemas de transporte de cargaPágina 12

2. Composición de los contaminantes de los gases de exhaustación y efectos sobre el medio

ambientePágina 13

2.1. NOXPágina 15

2.2. SOX

Página 162.3. CO2Página 17

2.4. COPágina 18

2.5. Partículas y humoPágina 18

2.6. Hidrocarburos totales (THC) y compuestos orgánicos volátiles (COV)Página 19

3. Técnicas y estrategias para reducir las emisiones de los buquesPágina 20

3.1. Medidas operacionalesPágina 20

3.1.1. Empleo de combustibles sin azufre o con bajos niveles del mismoPágina 20

3.1.2. Reducción de la velocidad del buquePágina 20

3.1.3. Comercio y compensación de emisionesPágina 213.2. Medidas tecnológicasPágina 23

3.2.1. Reducción de SOXPágina 24

3.2.1.1. Seawater ScrubbingPágina 24

3.2.2. Reducción de NOXPágina 26

3.2.2.1. Variación en la inyecciónPágina 26

3.2.2.2. Introducción de agua en la cámara de combustión.Página 27

3.2.2.2.1. Direct Water Injection (DWI)Página 27

3.2.2.2.2. Vapor en aire de barridoPágina 29

3.2.2.2.3. Emulsiones (FWE)Página 31

3.2.2.3. Recirculación de gases de escape (EGR)Página 32

3.2.2.4. Reducción catalítica selectiva (SCR)Página 35

3.2.2.5. Reducción catalítica no selectiva (SNCR)Página 38

3.2.2.6. Plasma no térmico (NTP)Página 38

3.2.2.7. Inyección de ozonoPágina 38

3.2.2.8. Materiales absorbentes de NOXPágina38

3.2.3. Reducción de óxidos de Carbono, Partículas e inquemadosPágina 40

3.2.3.1. Convertidor catalíticoPágina 40

3.2.3.2. Filtro de partículasPágina 41

3.2.4. Combinación de varios sistemasPágina 42

4. BibliografíaPágina 43




2

IntroducciónContaminación atmosférica es la presencia en la atmósfera de sustancias en una cantidad que

implique molestias o riesgos para la salud humana y el resto de seres vivos.

Pueden tener diversos orígenes aunque los principales emisores de contaminación atmosféricason los procesos industriales en los que realicen combustión, medios de transporte,

calefacciones, etc…Los cuales generan monóxido y dióxido de carbono, azufre, óxidos de

nitrógeno, hidrocarburos producto de combustión incompleta, entre otros.

Otro origen de estos contaminantes es el origen natural, como en el caso de erupciones

volcánicas, que producen dióxidos de azufre, así como cenizas. Pudrición de materia orgánica,

que genera metano, o incendios forestales.

Esta contaminación puede tener efectos locales o globales. Efectos comúnmente conocidos

son la lluvia ácida, la niebla tóxica o SMOG o efecto invernadero que evita que una parte delcalor recibido desde el sol deje la atmósfera y vuelva al espacio.

Los contaminantes atmosféricos se pueden clasificar en:

Contaminantes primarios son los que se emiten directamente a la atmósfera como

el dióxido de azufre, o el NO.

Contaminantes secundarios son aquellos que se forman mediante procesos

químicos atmosféricos que actúan sobre los contaminantes primarios o sobre especies

no contaminantes en la atmósfera. Ejemplos de contaminantes secundarios son el

ozono, que se forma cuando los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno (NOX) secombinan en presencia de luz solar; el NO2, que se forma cuando se combina NO con

oxígeno en el aire; y la lluvia ácida, que se forma cuando el dióxido de azufre o los

óxidos de nitrógeno reaccionan con el agua.

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufre

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Proceso_qu%C3%ADmico




http://es.m.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_azufre

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera

http://es.m.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero




3

Datos estadísticos sobre emisionesLos contaminantes predominantes son el CO y el CO2, cuyo análisis nos sirve para ver cómo

han evolucionado las emisiones a lo largo de los dos últimos siglos, apreciando un crecimiento

exponencial desde la Revolución Industrial.

Variación de las emisiones globales por región y tiempo (fuente: Wikipedia)

Emisiones globales de CO2 en millones de toneladas (anuales)




4

A continuación se muestra la cantidad emitida en % de los diferentes contaminantes, según el

sector ( fuente: http://www.cne.es)




5

Año 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Transporte carretera 633 607 631 632 596 497 414 261 261 237 172 157 140 137

Ferrocarril 20 16 15 14 13 14 12 10 9 8 7 7 7 6

Navegación (nacional) 185 193 185 180 181 170 176 174 188 193 170 178 146 166

Navegación (internacional) 967 915 897 973 934 954 989 1094 1188 1112 1172 1193 1166 1267

Aviación civil (doméstica) 6 6 6 6 6 5 6 6 6 7 7 7 7 6Aviación civil (internacional) 21 21 26 27 29 25 29 35 33 37 41 42 40 41

Datos estadísticos de la evolución de emisiones de SO2 producidas por diferentes transportes en

Europa (miles de toneladas/anuales) (fuente: http://www.eea.europa.eu )

Año 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Transporte carretera 7.216 7.174 7.196 6.973 6.760 6.547 6.382 6.113 5.946 5.704 5.420 5.186 4.899 4.666

Ferrocarril 185 168 157 154 149 148 148 138 136 129 129 124 120 115

Navegación (nacional) 387 401 384 380 376 348 362 364 372 382 347 355 357 435

Navegación (internacional) 1.298 1.233 1.254 1.322 1.297 1.344 1.413 1.551 1.646 1.539 1.610 1.621 1.573 1.663

Aviación civil (doméstica) 74 71 74 74 73 78 83 86 91 97 98 104 95 88

Aviación civil (internacional) 269 268 295 313 327 346 363 392 413 448 467 460 450 458

Datos estadísticos de la evolución de emisiones de NO X producidas por diferentes transportes

en Europa (miles de toneladas/anuales) (fuente: http://www.eea.europa.eu )

http://www.eea.europa.eu/











6

Comparativa de emisiones de CO2 producidas por diferentes transportes en Europa en 2000 y

2005 (Millones de toneladas/anuales) (fuente: http://www.eea.europa.eu )




http://www.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/co2-emissions-from-passenger-transport/con122_fig6-4.eps/image_original





7

Contribución de los buques con las emisiones (datos del año 2000)

• 5 % del consumo mundial de petróleo y derivados (140 millones de toneladas).• 5 % de la producción de CO2 por consumo de petróleo y sus derivados.• 450 millones de toneladas anuales de CO2 en todo el mundo.

• 2-3 % del consumo total mundial de combustibles fósiles.• 13 % de la producción mundial de NOX basada en combustibles.• 3-5 % de las emisiones globales de SOX –el contenido medio en azufre de los combustiblesnavales es de un 2,8 % de la masa.

Emisiones de SO X y NO X procedentes de las industrias de los países europeos comparadas con lacontribución del tráfico marítimo en las zonas Mediterráneas, Báltica y Nordeste del Atlántico.

Emisiones de CO2 de la industria europea y estadounidense comparada con el CO2 global

procedente del tráfico marítimo internacional (1994).




8

Datos estadísticos de emisiones de buques según las normativasEn el anexo VI del MARPOL se establecen las siguientes restricciones:

Respecto a los óxidos de nitrógeno, en el capítulo III, regla 13, se recoge que en todo motor

diesel de una potencia mayor de 130 kW, en buques de nueva construcción o transformados apartir del 1 de enero de 2000, tienen que acogerse a los siguientes límites de emisiones, en

tres fases, según la fecha:

Fase I: Comienzo desde 01-01-2000

n (rpm) NOX (g/kWh)

<130 rpm 17 g/kWh

130-2000 rpm 45·n(-0,2) g/kWh

>2000 rpm 9,8 g/kWh

Fase II: Comienzo desde 01-01-2011

n (rpm) NOX (g/kWh)

<130 rpm 14,4 g/kWh

130-2000 rpm 44·n(-0,2) g/kWh

>2000 rpm 7 g/kWh

Fase III: Comienzo desde 01-01-2016* en

áreas de control de emisiones

n (rpm) NOX (g/kWh)

<130 rpm 3,4 g/kWh

130-2000 rpm 9·n(-0,2) g/kWh

>2000 rpm 2 g/kWh

*esta fecha de entrada en vigor se revisará en 2012.




9

Respecto a los óxidos de azufre en este mismo anexo, en la regla 14, se especifican los límites

de emisiones en motores diesel en zonas de control de emisión, especificando el contenido de

azufre en el combustible:

Niveles de azufre máximo en combustible

Fecha Zonas de control de emisión (SECA) Global

2000 1,50%4,50% julio de

2010 1%

20123,50%

20150,10%

2020* 0,50%

*esta fecha base revisada en 2018. La fecha alternativa es 2025




10

Comparación energética de los diferentes sistemas de transporteA continuación, se muestran dos estudios diferentes: uno para transporte de personas y otro

para el transporte de carga.

Comparación energética de sistemas de transporte de personas (fuente: Good

magazine)Estimación del consumo en litros de combustible por 100km recorridos (obtenido de este

estudio, mediante cambios de unidades-posteriormente se adjunta la imagen original del

mismo)

Pasajeros Total Por pasajero

Buque de crucero 2.915 34.100 11,7

Tren (Amtrak) 300 613 2,04

Boeing 737 175 678 3,87

Autobús 50 56,7 1,13

Todoterreno 5 13.56 2.71

Turismo 4 10,45 2.61

Híbrido 4 6,21 1.55

Motocicleta 1 4,8 4,8

Bicicleta 1 0,28 0,28

Andando 1 1,4 1,4

Los consumos en bicicleta y andando son una estimación realizada a partir de cálculos

calóricos.

Conclusión

La mayor eficiencia energética por lo tanto (sin tener en cuenta andando o en bicicleta) se

obtiene en el autobús, seguido del coche híbrido y del tren. Cerca de estos se encuentra el

avión. Según este estudio, el medio de transporte de menor eficiencia energética es el buque.

A continuación, se muestra la imagen original de este estudio.




11




12

Comparación energética de sistemas de transporte de carga (fuente: SwedishNetwork for Transport and the Environment)

Según otro estudio para carga, realizado por NTM (Swedish Network for Transport and theEnvironment) y en cual estudian la eficiencia en el transporte de personas, según las emisiones

de CO2 por tonelada de peso y kilómetro, el transporte más eficaz es el buque de más de8000dwt con 15 g de CO2 por tonelada y kilometro y el menos eficaz el avión con 540 g de CO

2 por tonelada y kilómetro

Estudio realizado por la NTM




13

Composición de los contaminantes de losgases de exhaustación y efectos sobre el

medio ambientePara analizar los contaminantes de los gases de escape, en primer lugar, se describirán los

componentes del aire seco natural y en segundo lugar los de los gases de escape.

Los componentes del aire seco natural, se encuentran en la siguiente concentración:

Nitrógeno (N2): 78,08%

Oxígeno (O2): 20,95%

Dióxido de Carbono (CO2): 350 ppm

Argón (Ar): 0.934%

En los gases de escape de un motor diesel, se encuentran los siguientes componentes y en los

rangos de concentración que siguen (en % de volumen):

Nitrógeno (N2): 75-77%

Oxígeno (O2): 11,5-15,5%

Dióxido de Carbono (CO2): 4-6,5%

Agua (H2O): 4-6%

Argón (Ar): 0,8%

Componentes minoritarios de estos gases de escape (rangos de concentraciones típicos en

partes por millón de volumen):

Óxidos de Nitrógeno (NOX): 1000-1500 ppm (generalmente 95% de NO y 5% de NO2)-

Relativamente alto a menos que se controle.

Óxidos de Azufre (SOX): 30-900 ppm – Depende de la elección del combustible.

Monóxido de Carbono (CO): 20-150 ppm – Relativamente bajo debido a una buena

combustión.

Hidrocarburos totales (THC): 20-100 ppm - Relativamente bajo debido a una buenacombustión.

Compuestos orgánicos volátiles (VOC): 20-100 ppm- Relativamente bajo debido a una

buena combustión.

Partículas (PM): 20-100 mg/m3 seco al 15% O2 a 0ºC y 1 atm- Relativamente bajo

debido a una buena combustión. Influenciado por las cenizas del combustible y el

contenido de azufre.

Humo: Relacionado con cargas bajas, arranque y aumento rápido de la carga.

Por lo tanto, realizando una comparación, los contaminantes principales son en primer lugar el

dióxido de carbono, seguido de los óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre, monóxido decarbono, hidrocarburos totales, compuestos orgánicos volátiles y partículas.




14

A continuación se analizarán estos contaminantes individualmente, explicando también el

efecto que tienen sobre el medio ambiente.




15

Óxidos de nitrógeno (NOX)

Definiciones y características

Los óxidos de nitrógeno están compuestos de monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de

nitrógeno (NO2).

En los NOX, encontramos típicamente un 95% de NO y un 5% de NO2

El monóxido de nitrógeno es un gas incoloro.

El dióxido de nitrógeno es un gas de color marrón rojizo que cambia a marrón

amarillento cuando empieza a condensar y es un gas tóxico.

Las emisiones de NOX son relativamente altas en los motores diesel debido a

temperaturas de combustión elevadas, por lo que a mayor temperatura habrá mayor

formación de este tipo de óxidos. una regla aproximada indica que un aumento de

temperatura de combustión de 100 °C triplica la formación de NOX.

En la atmósfera el NO se oxida pasando a ser NO2 en unas horas.

Según un estudio de técnico para la Unión Europea, las emisiones de estos óxidos,

desde buques en aguas europeas, supusieron 3,6 millones de toneladas en el año

2000. Aproximadamente el 56% de esa cantidad se produce por la relación entre

puertos de la unión europea, un 35% por buques que llegan o salen de puertos de la

Unión Europea y un 7% por buques que pasan por aguas de la Unión Europea sin tocar

sus puertos.

Un estudio ENTEC para la Unión Europea, nos indica los valores típicos de emisiones de

NOX en buques según su máquina propulsora (g/kWh):

Impacto medioambiental

Lluvia ácida asociada a una acidificación del medio.

Fertilización excesiva de lagos, tierras etc. Formación de nieblas tóxicas de ozono en capas bajas de la mocedad, con posibilidad

de daño a la vegetación y a la salud humana.




16

Óxidos de azufre (SOX)Definiciones y características

Los óxidos de azufre se componen de dióxido de azufre SO2 y de trióxido de azufre SO3.

Todo el azufre que entra en la cámara de combustión del motor se quema formando

óxidos de azufre, que son liberados a la atmósfera con los gases de escape. La cantidadde azufre absorbido por el lubricante es insignificante, por lo que las emisiones de

azufre del motor son prácticamente proporcionales al contenido de azufre del

combustible y al consumo del motor.

Generalmente en los óxidos de azufre producidos en los gases de escape se encuentra

un 95% de dióxido de azufre y un 5% del trióxido de azufre.

Cabe destacar que las emisiones de azufre a la atmósfera debida a la navegación de los

buques suponen en la actualidad aproximadamente un 4% de las emisiones totales de

azufre en la atmósfera.

Cálculo de las emisiones específicas de óxidos de azufre


Lluvia ácida, y con ello acidificación del medio.

Los óxidos de azufre se combinan rápidamente con el amoníaco existente en el aire,

creando sulfato armónico, lo que origina una neblina que reduce la visibilidad, así

como que produce un aumento de la cantidad de luz solar reflejada de vuelta al

espacio, es decir aumenta el albedo terrestre, produciendo enfriamiento en ciertas

zonas del planeta.

Deterioro de la vegetación, de la salud humana (irrita las fosas nasales y pulmones),

animales y los edificios.

Las emisiones de óxidos de azufre son generalmente consideradas insignificantes en el

mar, en zonas alejadas de la costa, debido a la alcalinidad del agua de mar y al que los

óxidos de azufre se transportan en cortas distancias (entre 10 y 100 km). aunque

también cabe destacaren los últimos años, la lluvia ácida se ha convertido en un

problema medioambiental de gran importancia en determinadas zonas, como es elcaso del mar Báltico y el mar del Norte.




17

Dióxido de carbono (CO2)


Es el principal producto de la combustión de los combustibles basados en el carbono.

Es un componente natural del aire, así como un gas incoloro, inodoro y no tóxico.

Casi todo el carbono que entra la cámara de combustión del motor se oxida formando

CO2, que se libera a la atmósfera con los gases de escape. Por lo tanto las emisiones de

CO2 son prácticamente proporcionales al contenido de carbono del combustible y al

consumo.

Cálculo de las emisiones específicas de dióxido de carbono

Impacto medioambiental A pesar de tratarse de un gas no tóxico, es en las que más contribuye al efecto

invernadero, y con ello al calentamiento global de la atmósfera, como se muestra en la

tabla siguiente:

Produce cambios en las condiciones agrícolas.




18

Monóxido de carbono (CO)


Es el resultado de la combustión incompleta de combustible son carbono.

Es un gas tóxico, incoloro e inodoro

En la atmósfera, el monóxido de carbono se oxida, pasando a ser dióxido de carbono

en unas horas.

La formación de CO en la cámara de combustión es el resultado de una mezcla pobre

de aire combustible y de temperaturas locales bajas.

Generalmente las emisiones de monóxido de carbono de los motores diesel marinos

no son causa de preocupación, debido a que son reducidas comparadas con otras

fuentes, debido al eficiente proceso de combustión y a la elevada tasa de aire-

combustible.


Contribuye a formación de nieblas tóxicas de ozono en las capas bajas de la atmósfera.

En concentraciones elevadas, es tóxico, debido a que bloquea la capacidad pulmonar

para absorber oxígeno.

Partículas y humo


En el proceso de la mezcla de aire y combustible durante la combustión, se producen

partículas de hollín en la zona rica en combustible del rociado. Algunas de estas

partículas no se oxidan durante la combustión, absorben hidrocarburos de alto peso

molecular del combustible y aceite de lubricación. Éstas partículas pueden adquirir

mayor tamaño debido a una oxidación de una pequeña parte de azufre formando

sulfatos o porque hayan absorbido agua.

Al usar Fuel oil pesado, las cenizas del combustible contribuyen en gran medida a la

emisión de partículas (generalmente más del 50% de las partículas están formadas por

componentes de ceniza del Fuel oil pesado).

El humo es visible por definición (generalmente de color blanco, gris, azul, negro,marrón o amarillo).

Emisiones relativas de partículas frente al contenido de cenizas y azufre. Método de

medida ISO 9096




19


Algunas partículas son cancerígenas.

Las partículas comprendidas entre 0,02 y 0,2 mm se consideran que puede penetrar en

los pulmones humanos, mientras que partículas de mayor tamaño son de menorimportancia para la salud humana ya que el sistema respiratorio las elimina

eficientemente.

Las partículas pequeñas pueden ser transportadas con facilidad por el aire, por lo que

sus efectos pueden encontrarse largas distancias del origen de las mismas.

El humo en sí, no genera un impacto medioambiental, sino que más bien genera

impacto visual

Hidrocarburos totales (THC) y compuestos orgánicos volátiles (VOC)


Debido a la variada composición de los diferentes hidrocarburos es difícil cuantificar

las emisiones.

Los compuestos orgánicos volátiles son un tipo de hidrocarburos no metánicos.

La formación de THC y VOC en la combustión es el resultado de:

o Combustión incompleta producida por un exceso de aire, temperatura o de

uniformidad de la mezcla aire-combustible.

o Evaporación de combustible no quemado y aceite lubricante (el HFO forma

menos emisiones de hidrocarburos que el Fuel oil ligero debido a su menor

evaporación).

o Al emplear combustibles líquidos, los THC producidos en el escape de los

motores diesel son reducidos en comparación con otras fuentes.

Impacto ambiental

Los hidrocarburos ayudan a la formación de nieblas tóxicas de ozono en las capas bajas

de la atmósfera.

Algunos hidrocarburos son cancerígenos.

Algunos hidrocarburos, sobre todo el metano, contribuyen al efecto invernadero.




20

Técnicas y estrategias para reducir lasemisiones de los buques de navegación

marítimaMedidas operacionales

Empleo de combustibles sin azufre o con bajos niveles del mismoEl empleo de combustibles sin azufre, como es el caso del gas natural licuado (LNG) o del gas

natural comprimido (CNG). Los motores de fuel oil para el empleo de este tipo de gases,

necesitan complejas modificaciones para funcionar y un elevado coste económico.

El empleo de combustibles de bajo contenido de azufre. Podría considerarse una medida

tecnológica, ya que se crean mediante tres posibles vías:

o Mezcla de Fuel oil con destilados de bajo contenido en azufre: este

procedimiento no se puede realizar en casos de 0,1% o menos de azufre

debido a la inexistencia de residuos aptos dedicados a estos usos. En líneas

generales, existe una producción limitada de este tipo de combustible, en

concreto en la Unión Europea, no se podría crear más de un 13% de la

demanda total.

o Procesamiento de crudos dulces (bajos en azufre): es el método más efectivo,

aunque también tiene una limitación de producción de crudos dulces

(aproximadamente 700Mt/año – un 18 por ciento de la producción), la cual

aún tiende a disminuir.

o Hidrodesufuración de residuos: este procedimiento incluyen la obtención de

hidrógeno, y que éste reaccione con el azufre del combustible para formar

sulfuro de hidrógeno, el cual se vuelve a procesar obteniendo ácido sulfúrico

bien azufre elemental, así como sulfato cálcico (yeso).

Este último procedimiento es el único a día de hoy que puede generar una oferta

suficiente de Fuel bajo el azufre, así como que tiene la ventaja de que el azufre

recuperado puede sustituir al obtenido en las minas o aprovechar el yeso obtenido.Tiene la desventaja de que es el método más caro y un proceso energéticamente

intensivo con grandes emisiones de dióxido de carbono.

Reducción de la velocidad del buqueUna reducción de velocidad del buque de un 10%, reduce las emisiones en aproximadamente

un 20% por término medio, en algunos buques incluso un 30%. Sin embargo para transportar

la misma cantidad de carga en el mismo periodo de tiempo, se requeriría el empleo de más

buques.




21

Comercio y compensación de emisionesDebido a las nuevas normativas de emisiones y las restricciones aplicadas a los buques, en los

buques existentes generarán mayores costes y dificultades que en buques de nueva

construcción.

Comparativa del empleo de este sistema en un Ferry y en un Bulk Carrier en buques de más de

10 años.

La organización SEAaT (Shipping Emissions Abatement and Trading) propone la combinación

del uso de buques que empleen combustibles de bajo contenido de azufre o sistemas dedepuración de gases hasta niveles inferiores a los exigidos por la normativa, con un sistema de

comercio compensación de emisiones.

El sistema consiste en que un grupo de buques, de una misma o de varias empresas que

colaboren entre sí consigan en conjunto de niveles de emisiones iguales inferiores a los

alcanzados si todos ellos empleasen un combustible de bajo contenido en azufre.




22

El comercio de emisiones sólo se realiza en determinadas zonas:

Zonas competencia de SEAaT para el comercio y compensación de emisiones




23

Medidas tecnológicasEntre las medidas tecnológicas, en primer lugar cabe destacar la evolución de los materiales,

así como la mejora de las técnicas de construcción y diseño del buque, lo que ha permitido en

los últimos años reducir considerablemente el peso y con ello el consumo de combustible y

con este las emisiones.

También el empleo de nuevas formas de energía, como la energía nuclear, el viento,

propulsión diesel-eléctrica, o el hidrógeno como combustible, como en el buque experimental

Hydrogen Challenger reducen considerablemente las emisiones.

Las mejoras en el diseño hidrodinámico el buque, también han contribuido a reducir el

consumo de combustible.

Hay otras medidas tecnológicas más específicas, dependiendo del tipo de contaminante a

eliminar, las cuales afectan a la estructura del motor, el escape…Las cuales se describen a

continuación.

Esquema de reducción de emisiones mediante diferentes mecanismos.




24

Medidas tecnológicas para reducir los SOX

Scrubber - Seawater scrubbing (SWS)Al poner en contacto los gases de escape con el agua de mar, se produce una reacción rápida y

eficaz entre los óxidos de azufre (SOX) y el carbonato cálcico que contiene el agua de mar

(CaCO3), dando lugar a sulfato cálcico (yeso) y CO2. Esta reacción neutraliza la acidez del SOX y

acidificar el agua de mar.

Los equipos para tratar los gases de escape mediante este procedimiento, son compactos y

logran una eficacia en la reducción de entorno al 95% del azufre y un 80% de las partículas.

El inconveniente de este sistema es que retorna al azufre al mar, aunque aún se desconocen

los efectos que puede tener esto sobre el medio marino y su biodiversidad, pero se está

investigando activamente en este campo.

Estos equipos deben disponer de un sistema de tratamiento de aguas, que eliminen laspartículas sólidas contenidas en esta.

Actualmente estos equipos sustituyen totalmente el silenciador del escape, ya que además

realizan la función de este.

Instalación de scrubber en un buque

Un ejemplo de este sistema, se muestra continuación (Hamworthy Krystallon), y según las

especificaciones técnicas de este fabricante, este sistema puede eliminar más del 98% del

azufre, así como partículas de un Fuel de 3,5% de azufre. Además puede trabajar a

temperaturas superiores a 450 °C:




25




26

Medidas tecnológicas para reducir los óxidos de nitrógenoPara la reducción de los óxidos de nitrógeno producidos, los métodos pueden agruparse en

dos categorías:

Métodos primarios: actúan sobre la combustión dentro del motor. dentro de este

grupo, se encuentran métodos como la modificación en la inyección o de la cámara de

combustión para reducir los contaminantes y la reducción de la temperatura máxima

de combustión mediante la introducción de agua en el cilindro, mediante inyección

una pulseada con el combustible. Con estos métodos se consiguen reducciones de

óxidos de nitrógeno de entre el 10 y el 50%

Métodos secundarios: actúan sobre los gases de escape y hay varios métodos como

los convertidores catalíticos con inyección de amoníaco o urea o convertidores de

ozono entre otros. con estos métodos se pueden reducir estas emisiones hasta un

95%.

Variación de la inyecciónLas primeras medidas de este tipo que se tomaron, fueron la reducción de la relación de

compresión, la cual rebaja la presión y temperaturas máximas de combustión, que aunque

además de reducir los óxidos de nitrógeno, también reducen la potencia y el rendimiento

térmico del motor.

Actualmente se han desarrollado para ciertos motores de cuatro tiempos unas modificaciones

que reducen las emisiones de óxidos de nitrógeno sin deteriorar el rendimiento y la potencia

máxima, mediante una combinación de aumento de relación de compresión y una variación

en la inyección y su caudal éstas modificaciones también puede realizarse en motores nuevos,

y la inversión realizada es de rápida recuperación.

Al aumentar la relación de compresión, esto se compensa con un retardo en la inyección, así

con un cambio de la tobera de inyección con perfil especial así como un árbol de levas nuevo.

Con este sistema pueden alcanzarse reducciones de entorno al 25% de las emisiones de los

óxidos de nitrógeno.

Este retardo en la inyección tiene como consecuencia que la temperatura máxima creado por

la llama se reduzca y por lo tanto se reduzca la formación de óxidos de nitrógeno.

Otra modificación de la inyección es un incremento de la atomización del combustible, lo que

provoca una mejor combustión, un incremento de la eficiencia térmica y una reducción de

emisiones de óxidos de nitrógeno y partículas. Una mejora de las agujas del inyector o un

incremento de la presión de inyección, pueden realizar esta mejor atomización.

La última mejora de este tipo, es la realización de una pre-inyección de combustible:

inyectando una pequeña cantidad de combustible antes de la inyección normal, la ignición de

esta inyección principal será facilitada y la cantidad de combustible premezclado puede ser

reducida. Este sistema además permite el empleo de los combustibles, empleando en lapreinyección un combustible de mayor calidad que la inyección normal. Unas pruebas




27

realizadas por Steyr en este aspecto en un motor diesel de alta velocidad, muestra reducciones

de las emisiones de óxidos de nitrógeno de entre un 12 y un 25% empleando que inyección.

Introducción de agua dentro de la cámara de combustión para la reducción de NOX La introducción de agua dentro de la cámara de combustión, es una técnica muy conocida para

la reducción de óxidos de nitrógeno. Un problema potencial de este proceso puede suceder

cuando las gotas de líquido golpean contra el cilindro, lo que elimina la capa lubricante aunque

estas evapore inmediatamente. Ahí básicamente tres sistemas para añadir agua al proceso de

combustión del motor:

Inyección directa (DWI)

Humidificación del aire de barrido.

Emulsión de agua y combustible.4

Inyección de agua (Direct Water Injection- DWI)Este sistema reduce los picos de temperatura durante la combustión mediante la inyección de

agua, por lo que reduce eficazmente la producción de NOX (aproximadamente entre un 50 y un

60%) sin afectar negativamente a la potencia del motor.

Para este sistema es necesario instalar ciertos equipos adicionales para acondicionar y filtrar el

agua, así como una bomba de alta presión (de entre 200 y 400 bar.).

Después de ser el agua filtrada y propulsada por la bomba citada y regulada la presión

mediante una válvula reguladora, es inyectada a la cámara de combustión mediante unos

inyectores especiales.

El agua inyectada se encuentra en un rango de entre 40 y el 70% del volumen de combustible.

Un motor que tenga instalado este sistema, puede trabajar sin inyección de agua cuando no

sea precisa, variando de un modo a otro instantáneamente y en cualquier situación de carga.

Cabe destacar que el sistema ocupa poco espacio y tiene un coste reducido y se puede instalar

fácilmente en buques existentes sin mucha demora.




28

Inyectores de un motor Wärtsilä con el sistema DWI y disposición de los mismos

Diagrama de apertura de las agujas de inyección de combustible y agua según el ángulo de

giro del cigüeñal

Efecto de la inyección de agua en las emisiones de NOx y en el consumo específico de fuel




29

Inyección de vapor en el aire de barridoConsiste en la inyección de vapor en el aire de admision (CASS- Combustion Air Saturation

System en Wärtsila o HAM-Humid air motors en MAN), después del turbocompresor, en lugar

de directamente en el cilindro como en el caso del DWI. La alta temperatura de este aire hace

que el agua se vaporice inmediatamente y entre en el cilindro como vapor, rebajando la

temperatura de combustión.

Este sistema requiere de un intercambiador de calorpara producir el vapor que va ser

introducido en el aire de admisión.

Con este sistema se consiguen unas reducciones de hasta el 65-75% de las emisiones de óxidos

de nitrógeno(dependiendo del modelo y el fabricante) y un aumento del consumo de agua

hasta aproximadamente el doble que el del combustible.

Una desventaja de este sistema, aparte del incremento del consumo de aguaes que se necesita

un incremento de la presión del turbo.

Sistema CASS de Wärtsilä




30

Esquema simplificado del motor con el sistema HAM

Disminución de emisiones de óxidos de nitrógeno con el sistema HAM en el buque Mariella

Comparación de las temperaturas en el interior de un motor con sistema HAM y sin él según el ángulo de giro del cigüeñal




31

Emulsiones de combustible con agua (FWE- Fuel water emulsion injection)Algunos fabricantes de motores marinos, emplean la tecnología de emulsión de agua en el

combustible inyectado en combinación con una temporizar que variable de inyección, para

reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno en más de un 30%.

Este método requiere menor cantidad de agua que otros métodos para igual producción deNOx, además de reducir la formación de partículas sólidas.

Para el fabricante Wärtsilä, existen dos tipos de emulsiones de combustibles con agua, que

pueden ser empleados en sus motores:

Emulsión de agua en combustible, que contiene gotas de agua en el combustible y

recibe el nombre de FWE W/O.esta emulsión tiene como propósito reducir las

emisiones de óxidos de nitrógeno. La viscosidad de este tipo de emulsión es

ligeramente superior que la del Fuel sin emulsionar.

Emulsión de combustible en agua que contiene gotas de combustible en el agua, yrecibe la denominación de FWE O/W.Este combustible está diseñado para la utilización

de combustibles pesados residuales de las refinerías de petróleo, los cuales tienen una

elevada viscosidad y no pueden ser empleados mediante calentamiento. Estas

emulsiones reducen considerablemente la viscosidad para poder ser empleados.

Por lo que para el tema tratado de reducción de óxidos de nitrógeno, se emplearía la primera

de las emulsiones citadas (FWE W/O)

El inconveniente de este sistema, es que resulta difícil de mantener estas emulsiones estables,

lo que hace recomendable realizar la mezclar esta emulsión justo antes de su uso.

sistema de emulsificación de agua en combustible




32

Módulo de emulsificación de agua en combustible.

Reducción de elementos contaminantes en un

motor MTU con combustible (0% agua) y con emulsión agua-combustible.

Recirculación de los gases de escape (EGR- Exhaust Gas recirculation)Es otro sistema empleado para reducción de óxidos de nitrógeno. En este sistema una porción

de los gases de escape son recircular dos de nuevo al motor mediante el aire de admisión, lo

que reduce la temperatura máxima de la cámara de combustión. Este sistema consigue

reducciones de óxidos de nitrógeno de entre el 10 y el 30%, llegando en algunos casos hasta el

40%, con un pequeño incremento del consumo de combustible. Mayores reducciones de

emisiones de óxido de nitrógeno generalmente provocan grandes incrementos del consumo

(se puede llegar incluso a reducciones del 80% de NOX).

Este sistema no es muy empleado en grandes barcos debido a las complicaciones causadas

por el incremento del consumo de combustibles residuales. Estos problemas son causadas

principalmente por depósitos ácidos de hollín, los cuales dañan el turbo e incrementan las

emisiones de humo. Este problema puede ser solventado mediante el uso de combustibles de




33

mayor calidad o mediante el empleo de filtros de eliminación de partículas, lo cual incrementa

los costes.

Este sistema es comúnmente empleado en motores rápidos, que emplean combustibles de

bajos niveles de azufre. En la mayoría de los casos, el intercooler reduce la temperatura de losgases recirculados. Estos gases que contiene menos oxígeno que él aire, reduce la temperatura

de combustión en el motor y con ello la reducción de óxidos de nitrógeno. Los filtros de

partículas son generalmente parte del sistema de baja presión del sistema EGR, asegurándose

que la gran mayoría de las partículas no sean recirculadas al motor




34

Comparativa de emisiones empleando un motor sin EGR, empleando sólo EGR y empleando

diversos filtros de partículas.

Este sistema tiene mucha efectividad en la reducción de óxidos de nitrógeno en motores de

gas natural, obteniendo reducciones de 8g/kWh hasta menos de 2g/kWh.

Reducción de contaminantes mediante el empleo de la circulación de gases de escape en un

motor de gas




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Reducción catalítica selectiva (SCR – Selective Catalytic Reduction)Este sistema reduce las emisiones de óxidos de nitrógeno a sustancias no dañinas que

generalmente se encuentran en el aire.

Ese sistema más eficaz, reduciendo los óxidos de nitrógeno entre el 85 y el 95%, por lo que

resulta óptimo para cumplir los requisitos más exigentes para la navegación, pudiendoalcanzar niveles de hasta 2g/kWh.

Reducciones de óxidos de nitrógeno obtenidas por el sistema SCR.

Este sistema, generalmente viene combinada con un silenciador en un diseño compacto, lo

que facilita instalación.

Disposición del sistema SCR en un buque




36

Se inyecta una solución acuosa de urea o de amoniaco en el flujo de gases de escape, a una

temperatura entre 290 y 450 °C. Esta urea, se descompone el amoníaco que mediante un

proceso catalítico convierte los óxidos de nitrógeno, en nitrógeno y agua.

El consumo de urea (en solución de agua al 40%) de este sistema está en torno a los 15 g/kWh,

por lo que el tamaño del tanque hebrea depende del tamaño del motor, y a la frecuencia con

que se visiten zonas de recarga de urea: Pentóxido de vanadio sobre dióxido de titanio y




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adicionalmente con trióxido de tungsteno y trióxido de molibdeno para optimizar las

propiedades catalíticas. Estos catalizadores reciben el nombre de catalizadores de contacto

completo. El rango de temperaturas de funcionamiento del catalizador es muy diverso, en

función del material que emplee.

Los costes de este sistema provienen del consumo de urea y del reemplazo de los catalizadores(de óxido de titanio o Wolframio generalmente) cada 3-5 años en el caso de combustibles

líquidos y más tiempo en el de combustibles gaseosos.

SCR de la casa Wärtsilä




38

Reducción catalítica no selectiva (SNCR – Selective Non Catalytic Reduction)Al igual que en el anterior procedimiento en este sistema se inyecta un agente reductor en la

corriente de gases de combustión. La diferencia entre ambos procedimientos radica en que en

el procedimiento SCR, la reducción se produce con ayuda de un catalizador a temperaturas de

entre 300 y 400 °C, mientras que en el procedimiento SNCR, la conversión se produce a

temperaturas aproximadas de 900-1000 °C sin emplear ningún catalizador.

En este sistema se logran reducciones de los óxidos de nitrógeno de entre un 40 y un 50%.

Plasma no térmico (NTP- Non Thermal Plasma)

este sistema consiste en emitir descargas eléctricas, mediante una barrera dialéctica, una

corona de descargas o un haz de electrones, lo que genera este plasma no térmico, el cual

oxida el NO a NO2 y N2O5 y simultáneamente genera átomos de O, o radicales OH que oxidan

los hidrocarburos presentes en las emisiones generalmente a aldehídos. Éstos reaccionarán en

un catalizador con los óxidos de nitrógeno para dar lugar a N2 y CO2.

Por lo que el plasma no térmico tiene la principal función de activar los óxidos de nitrógeno y

los hidrocarburos para proveer a estos de una baja temperatura de conversión.

Inyección de ozonoLa inyección de ozono en el flujo de escape, contribuye con la eliminación de los óxidos de

nitrógeno. Esta inyección produce una reacción química que dan como resultado moléculas de

nitrógeno y oxígeno.

Para este sistema es necesario llevar a bordo un generador de ozono, el cual consume grandes

cantidades de energía eléctrica, por lo que el sistema no es muy favorable económicamente.

Materiales absorbentes de óxidos de nitrógenoLos absorbentes de NOx son una de las nuevas tecnologías que están siendo desarrolladas

para el control de las emisiones de óxidos de nitrógeno en motores diesel. Este sistema estaba

originalmente desarrollado para mezclas pobres y motores de gasolina, pero no estaba

adaptada para el uso de motores diesel. Estos absorbentes están incorporados dentro de una

capa de catalizador y se unen químicamente a los óxidos de nitrógeno durante el

funcionamiento normal del motor.




39

Cuando la capacidad absorbente satura el sistema, éste se regenera. Los óxidos de nitrógeno

liberados se reducen durante un corto periodo de tiempo empleando un convertidor catalítico

de tres vías, en el cual se producen las siguientes reacciones:

Reducción de óxidos de nitrógeno a nitrógeno y oxígeno: 2NOx → xO

2+ N

2

Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

Oxidación de hidrocarburos no o parcialmente quemados a dióxido de carbono y agua:

CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O.

En el absorbente, el monóxido de carbono es absorbido y químicamente se une con el

carbonato de bario BaCO3 para formar nitrato de bario Ba(NO3)2. A lo largo de la regeneración,

los gases de escape son ricos en monóxido de carbono e hidrocarburos inquemados. Estos

productos reducen el nitrato de bario de nuevo a carbonato de bario en un proceso que libera

óxidos de nitrógeno, los cuales según la primera reducción indicada anteriormente, se reduce

a N2 en el catalizador de tres vías mediante los gases de escape ricos en oxígeno.

El proceso de regeneración típicamente dura unos pocos segundos.

Este sistema puede conseguir eficiencias en conversión de óxidos de nitrógeno en torno al

90%.

http://es.wikipedia.org/wiki/Redox

http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%93xidos_de_nitr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Ox%C3%ADgeno

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

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http://es.wikipedia.org/wiki/Redox




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Reducción de óxidos de carbono, partículas e inquemados

Filtro catalítico/convertidor catalítico (DOC- Diesel Oxidation Catalyst)

Tienen una estructura de panal de abejas y su composición típica es platino, rodio y paladio.

Su rango de funcionamiento está comprendido entre 170 y 510ºC.

Pueden ser de dos o de tres vías, según las reacciones que se produzcan en ellos (el de tres vías

se explica en los materiales absorbentes de óxidos de nitrógeno).

En un convertidor catalítico de doble vía, que es el que se emplea comúnmente en los motores

diesel, ocurren dos reacciones simultáneas:

Oxidación de monóxido de carbono a dióxido de carbono: 2CO + O2 → 2CO2

Oxidación de hidrocarburos no quemados o parcialmente quemados a dióxido de

carbono y agua: CxH2x+2 + [(3x+1)/2] O2 → xCO2 + (x+1) H2O

En los motores diesel de este tipo, los óxidos de nitrógeno se eliminan con la recirculación de

gases de escape-EGR.

Su eficiencia para la eliminación de hidrocarburos no quemados y de monóxido de carbono es

superior al 90%, así como para la eliminación de la fracción orgánica de las partículas diesel.

También oxida el dióxido de azufre a dióxido de azufre.

Convertidor catalítico

Son poco aplicables a buques por su elevada sensibilidad al azufre del combustible, como se

aprecia en la siguiente imagen (MAN):




41

Filtro de partículas diesel (DPF)Se emplean en motores, generalmente diesel rápidos de 4 tiempos que emplean combustibles

con bajo contenido de azufre, debido a que los conductos pueden obstruirse fácilmente por las

impurezas presentes en el Fuel oil pesado y en bunker oils.

Filtro de partículas de un motor diesel marino

Están compuestos de un material poroso en el cual se depositan estas partículas.

Tiene una eficiencia en la eliminación de partículas de entorno al 90%.

Estos filtros generalmente se emplean combinados con otros sistemas, logrando eficiencias

superiores que con uno de ellos, generalmente, las combinaciones empleadas son:

Filtro de partículas + EGR Filtro de partículas + SCR




42

Combinaciones de sistemasAl igual que los casos citados del filtro de partículas (Filtro de partículas + SCR y Filtro de

partículas + EGR), existen muchas otras combinaciones de estos sistemas, con lo que eliminan

mayor cantidad y diversidad de contaminantes que con su empleo individualizado. Entre otros

destacan:

Combinación de Scrubber y SCR (Wärtsilä)

Combinación de EGR y Scrubber




43

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Riviera Maritime Media- http://www.rivieramm.com

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Documents

Seminario Contaminación atmosférica producida por buques