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atmosférica producida por buques
Héctor de los Ojos Barroso
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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
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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.
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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)
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A continuación se muestra la cantidad emitida en % de los diferentes contaminantes, según el
sector ( fuente: http://www.cne.es)
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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 )
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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 )
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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).
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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A continuación se analizarán estos contaminantes individualmente, explicando también el
efecto que tienen sobre el medio ambiente.
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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.
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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
Impacto medioambiental
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.
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Dióxido de carbono (CO2)
Definiciones y características
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.
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Monóxido de carbono (CO)
Definiciones y características
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.
Impacto medioambiental
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
Definiciones y características
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
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Impacto medioambiental
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)
Definiciones y características
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.
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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.
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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.
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El comercio de emisiones sólo se realiza en determinadas zonas:
Zonas competencia de SEAaT para el comercio y compensación de emisiones
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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.
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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:
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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%.
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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):
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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
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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
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