Αεριομηχανές, οι μηχανές του 21ου αιώνα

Η ναυτιλία αναζητεί επειγόντως νέες τεχνολογίες για να αντιμετωπίσει τα όρια εκπομπής καυσαερίων του ΙΜΟ. Πλοία μεταφοράς υγροποιημένου αερίου χρησιμοποιούν εδώ και καιρό πρόωση βασισμένη στο φορτίο τους, αλλά ο στόχος είναι η επέκταση σε όλους τους τύπους πλοίων. Το φυσικό αέριο έχει μηδενικές εκπομπές οξειδίων θείου και σημαντικά μειωμένες εκπομπές οξειδίων του αζώτου. Ταυτόχρονα, το κυριότερο αέριο του θερμοκηπίου, το διοξείδιο το άνθρακα, είναι μειωμένο κατά 20 με 25% όπως προκύπτει από την αντίδραση καύσης του μεθανίου. H τιμή του ανά θερμίδα παρεχόμενης ενέργειας είναι χαμηλότερη από τις συνεχώς ανερχόμενες τιμές των παραδοσιακών καυσίμων.

Ξεκινώντας από εφαρμογές στην ξηρά, οι κατασκευαστές (Mitsubishi, Wartsila, MAN Diesel & Turbo, Rolls Royce, Caterpillar) μεταφέρουν τη γνώση αυτή στη θάλασσα. Ο βαθμός ενεργειακής απόδοσης στις μηχανές φυσικού αερίου είναι περίπου ίδιος με αυτόν των μηχανών με παραδοσιακά πετρελαϊκά καύσιμα. Η εναλλαγή καυσίμων γίνεται χωρίς απώλεια ισχύος ή ταχύτητας. Οι νηογνώμονες έχουν εισαγάγει κανονισμούς για πλοία που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο ως καύσιμο. Η ανάπτυξη των αεριομηχανών παρουσιάζει μια σειρά από προκλήσεις αλλά και προβλήματα. Το φυσικό αέριο απαιτεί περισσότερο χώρο αποθήκευσης και ειδική υποδομή στα λιμάνια για τη διανομή του. Έχει όμως υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα (ενέργεια ανά κιλό) από τα πετρελαϊκά καύσιμα, αλλά χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο εκφραζόμενο σε ενέργεια ανά κυβικό μέτρο. Ως καύσιμο εξασφαλίζει καθαρότερη λειτουργία (χαμηλότερος αριθμός ατόμων άνθρακα), μειωμένη φθορά και περιορισμένη κατανάλωση λιπαντέλαιου.

Υπάρχουν δύο τύποι αεριομηχανών. Αυτές που λειτουργούν μόνο με αέριο και η ανάφλεξη γίνεται με σπινθηριστή/μπουζί. Είναι τετράχρονες και λειτουργούν με χαμηλό/φτωχό σε καύσιμο θερμοδυναμικό κύκλο Otto, φτάνοντας μέχρι τα 7 MW. Έχουν χρόνο ανταπόκρισης παρόμοιο με τις παραδοσιακές ντιζελομηχανές με χαμηλή πίεση εισαγωγής στον κύλινδρο. Είναι απλούστερες και υψηλής απόδοσης. Αυτές οι μηχανές με αποκλειστικά φυσικό αέριο καύσιμο παρουσιάζουν συμμόρφωση με τον κανονισμό IMO Tier III χωρίς καθαρισμό/επεξεργασία των καυσαερίων.

Και οι διπλού καυσίμου (1) με πιλοτικό καύσιμο ντίζελ και φυσικό αέριο σε χαμηλή πίεση και (2) πιλοτικό καύσιμο ντίζελ και φυσικό αέριο σε υψηλή πίεση. Είναι τετράχρονες μεσόστροφες ή δίχρονες αργόστροφες. Στηρίζονται στην ανάφλεξη λόγω συμπίεσης και πιθανώς να απαιτηθεί καθαρισμός των καυσαερίων για συμμόρφωση με τον κανονισμό Tier III του ΙΜΟ. Αυτές οι μηχανές έχουν γίνει πλέον μέρος των προδιαγραφών των ναυπηγούμενων πλοίων και αποτελούν μία από τις πιθανές επιλογές για τη μηχανή πρόωσης.

Το φυσικό αέριο εισάγεται στο σύστημα εισαγωγής πριν από τον κύλινδρο. Η περίσσεια αέρα είναι περίπου 180% και ρυθμίζεται στα μεταβλητά ακροφύσια εισαγωγής του στροβίλου. Η παροχή του αέρα ελαττώνεται στο ξεκίνημα της μηχανής καθώς και σε χαμηλά φορτία. Το μείγμα αέρα-φυσικού αερίου πηγαίνει στον κύλινδρο όπως σε μια μηχανή με ανάφλεξη με σπινθηριστές/μπουζί, αλλά με χαμηλότερη αναλογία αέρα-καυσίμου. Προς το τέλος της συμπίεσης του μείγματος ακολουθεί έγχυση καυσίμου ντίζελ για να γίνει ανάφλεξη.

Μια μηχανή διπλού καυσίμου μπορεί να λειτουργήσει με 100% ντίζελ ή με μείγμα ντίζελ και φυσικό αέριο. Δεν μπορεί να λειτουργήσει μόνο με φυσικό αέριο. Η πιλοτική έγχυση πετρελαίου παίζει το ρόλο πολλαπλών αναφλεκτήρων/μπουζιού. Απαιτείται ηλεκτρονική ρύθμιση της έγχυσης του πετρελαίου και της εισαγωγής φυσικού αερίου στον κύλινδρο. Όταν η παροχή αέριου καυσίμου είναι κάτω από το επιτρεπόμενο όριο και στα χαμηλά φορτία, η ηλεκτρονική ρύθμιση επιτρέπει την αποκλειστική χρήση πετρελαίου. Η καύση του μείγματος αέριου καυσίμου και αέρα ακολουθεί τον θερμοδυναμικό κύκλο του Otto (εικόνα 3), με τη συνδρομή πιλοτικού καυσίμου ντίζελ ή, εναλλακτικά, ντίζελ με αέρα και τον θερμοδυναμικό κύκλο Diesel cycle (εικόνα 4).
Το φυσικό αέριο μπορεί να υποθηκευθεί υπό πίεση ή υπό χαμηλή θερμοκρασία σε κρυογενικές συνθήκες. Ο συνολικός απαιτούμενος όγκος αποθήκευσης υγροποιημένου φυσικού αερίου είναι περίπου 2,5 με 3 φορές μεγαλύτερος του όγκου που απαιτείται για πετρέλαιο ίσης ενέργειας. Μεταφορά σε πρισματικές μεμβρανικές δεξαμενές αναμένεται να μειώσει το λόγο αυτό στο 2. Φυσικό αέριο υπό πίεση (CNG) καταλαμβάνει όγκο πέντε φορές μεγαλύτερο.

Σε κάποιες περιπτώσεις, υπάρχουσες ντιζελομηχανές μπορούν να μετατραπούν σε μηχανές διπλού καυσίμου. Σε μια τέτοια μετατροπή το μεγαλύτερο κόστος είναι αυτό των δεξαμενών αποθήκευσης, οι σωληνώσεις -συνήθως διπλών τοιχωμάτων- και διάφορα συστήματα ασφαλείας στο πλοίο λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητας διαχείρισης του φυσικού αερίου. Με τις σημερινές συνθήκες και κόστος, ο χρόνος επιστροφής της επένδυσης για μετατροπή σε φυσικό αέριο καύσιμο υπερβαίνει τη δεκαετία. Κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν τον χρόνο είναι η χρήση του πλοίου σε ετήσια βάση, οι τιμές των καυσίμων και το κόστος των μετατροπών.

Ένα μειονέκτημα της χρησιμοποίησης φυσικού αερίου σαν καύσιμο στα πλοία είναι η παρουσία άκαυστων υδρογονανθράκων στα καυσαέρια. Ο λόγος είναι η χαμηλή θερμοκρασία καύσης λόγω του χαμηλού λόγου φυσικού αερίου προς αέρα, συγκρινόμενη με HFO ή ντίζελ. Η χαμηλή θερμοκρασία είναι ο λόγος χαμηλών εκπομπών οξειδίου του αζώτου. Κάποια ποσότητα άκαυστου μεθανίου θα περάσει τελικά στην ατμόσφαιρα, αυξάνοντας την εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου. Τίποτα δεν μπορεί να σταματήσει όμως την επανάσταση του καυσίμου του μέλλοντος, με εγγυηση την αφθονία του στη φύση. Μετατροπές υπαρχόντων πλοίων μπορεί να δώσουν το φιλί της ζωή στα ελληνικά ναυπηγεία, που μπορούν να προσφέρουν αξιόπιστες και ποιοτικές εργασίες στην κατασκευή των ειδικών δεξαμενών, την τοποθέτηση των συστημάτων ασφαλείας κ.ά. Η ελληνική ναυτιλία, πάντα σε παγκόσμια πρωτοπορία, έχει να επιδείξει την παραγγελία φορτηγού πλοίου kamsarmax με φυσικό αέριο καύσιμο στα ναυπηγεία της Cosco για τη ναυτιλιακή εταιρεία Golden Union. Το παράδειγμα της Golden Union αναμένεται να ακολουθήσει πλειάδα ελληνικών ναυτιλιακών εταιρειών.

Eπιμελημένο άρθρο του Ιωάννη Κοκαράκη, Head of Technical Services Hellenic & Black Sea Region Bureau Veritas, με τίτλο « Αεριομηχανές, οι μηχανές του 21ου αιώνα», Ναυτικά Χρονικά, Ιούνιος-Ιούλιος 2013, 74-77