Un ingegnere capo che utilizza un gruppo ausiliario a quattro tempi da 6.000 kW ha due numeri davanti a sé. Il prezzo del carburante sul suo percorso è circa due terzi dell'olio combustibile a bassissimo contenuto di zolfo, e la testata che ha appena ritirato dal servizio ha 12.000 ore di funzionamento con le sedi delle valvole di scarico usurate. Questi due numeri spiegano quasi tutto del motore a doppia alimentazione.
La risposta breve è semplice. Un motore a doppia alimentazione è un motore diesel che può funzionare a gas come carburante principale, utilizzando una piccola quantità di carburante liquido come fonte di accensione e che può tornare al carburante liquido ogni volta che l'operatore ne ha bisogno. La testata è molto importante perché la modalità gas modifica la pressione, il rilascio di calore e il caricamento della valvola all'interno della camera di combustione, e la testa è il luogo in cui arrivano tutti e tre. Ciò che segue copre i due percorsi di combustione, il costo reale del carburante pilota, il modo in cui il tasso di sostituzione diminuisce con il carico e i dettagli delle parti che decidono se una testa sostitutiva sopravvive alla modalità gas.
Cosa fa di diverso un motore Dual Fuel
Un motore a doppia alimentazione inizia la sua vita come un motore diesel. Il monoblocco, l'albero motore, le bielle e la potenza nominale rimangono della stessa classe, mentre il motore mantiene il principio di accensione per compressione che ha reso affidabile il diesel. Ciò che cambia è il sistema di alimentazione del gas, il design della camera di combustione, il software di controllo e, nella maggior parte delle conversioni a quattro tempi, la testata stessa.
Nella modalità a gas il motore brucia gas naturale e in alcuni impianti gas di petrolio liquefatto o metanolo come principale fonte di energia. Una piccola quantità di diesel o gasolio marino viene iniettata come carburante pilota e fornisce l'energia di accensione. Poiché è la fiamma pilota ad accendere il gas e l'aria anziché il contrario, il motore mantiene la stessa fascia di efficienza del funzionamento diesel pur non producendo quasi ossidi di zolfo. Quando l'erogazione del gas viene interrotta o quando l'imbarcazione è in manovra e l'operatore desidera una risposta immediata, il motore ritorna alla modalità diesel entro pochi cicli di combustione.
Gli operatori scelgono la doppia alimentazione per tre ragioni pratiche. Il primo è la conformità: la modalità gas riduce gli ossidi di azoto di circa l’85%, rispettando i limiti IMO Tier III senza un’unità di riduzione catalitica selettiva. Il secondo è il costo: su molte rotte il divario di prezzo tra il gas naturale liquefatto e l’olio combustibile a bassissimo contenuto di zolfo copre entro pochi anni i maggiori costi di capitale del motore e del serbatoio del gas. La terza è l'opzionalità: lo stesso motore può bruciare qualunque carburante il mercato e le normative rendano più economico quel mese.
Per i motori principali a due tempi di grandi dimensioni, un approccio ampiamente utilizzato inietta il gas nella fase finale della corsa di compressione ad alta pressione, mantenendo intatto il ciclo di combustione diesel originale ed evitando la perdita di metano incombusto nello scarico.
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Due percorsi di combustione, due serie di carichi
La maggior parte delle discussioni sulla doppia alimentazione si riducono a quale ciclo utilizza il motore in modalità gas, perché tale scelta imposta la pressione del gas, la quantità di carburante pilota, il livello di scorrimento del metano e i carichi che raggiungono la testata.
| Parametro | Modalità gas a bassa pressione | Modalità gas ad alta pressione |
|---|---|---|
| Ciclo di combustione | Otto, carica premiscelata | Diesel, fiamma a diffusione |
| Pressione di alimentazione del gas | Circa 5-6 bar | Circa 300-350 bar |
| Punto di ammissione del gas | Corsa di aspirazione, miscelata con aria | Compressione tardiva, diretta nel cilindro |
| Condivisione del carburante pilota a pieno carico | Circa l'1%. | Circa dal 3 al 5%. |
| Scivolata di metano | Misurabile, più alto a basso carico | Trascurabile |
| Rapporto di compressione | Si applica il limite inferiore di detonazione | Livello diesel standard |
| Dovere tipico | Motori principali ausiliari e a media velocità a quattro tempi | Grandi motori principali a due tempi |
| Caratteristiche della testa da verificare | Porte di ammissione del gas, sedi temprate, passaggi di raffreddamento | Foro dell'iniettore del gas, adattamento del manicotto, durezza del piano antincendio |
Nessuno dei due percorsi è migliore in termini assoluti. Il percorso a bassa pressione domina i motori ausiliari a quattro tempi e a media velocità, dove il sistema del gas è più semplice e lo spazio macchine ha spazio per esso. Il percorso ad alta pressione viene utilizzato sui grandi motori principali a due tempi, dove la perdita di metano non è accettabile e un compressore del gas fa già parte dell'installazione.
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La modalità a gas aumenta la pressione di picco della bombola e modifica la forma della curva di rilascio del calore, pertanto il piano antincendio, le sedi delle valvole e le gabbie delle valvole subiscono un ciclo più duro rispetto al servizio diesel diretto. Nelle conversioni a iniezione, la testa è dotata anche di valvole di ammissione del gas, il che significa fori aggiuntivi, superfici di tenuta aggiuntive e un secondo percorso per le perdite. Chiunque voglia conoscere lo sfondo della parte stessa può leggere come è costruita una testata e cosa fa ciascuna superficie .
- Durezza e angolo della sede della valvola, poiché la modalità gas fa funzionare le valvole di scarico più calde a carico parziale.
- La gabbia della valvola e la guida si adattano, perché le guide usurate provocano il disallineamento della valvola e distruggono la sede.
- Pulizia del passaggio di raffreddamento, perché un passaggio parzialmente ostruito si trasforma in un ponte tagliafuoco fessurato.
- Fori delle valvole di ammissione del gas sui motori convertiti, che devono corrispondere alle specifiche del kit di conversione.
La conseguenza pratica è che non è possibile acquistare una testata sostitutiva per un motore a doppia alimentazione basandosi solo sulla dimensione del foro. La versione del motore, la classificazione della modalità gas e il kit di conversione cambiano il disegno a cui deve corrispondere la testa.
Quota di carburante pilota: quanto diesel è ancora necessario
Il carburante pilota è la parte della bolletta del carburante che gli operatori dimenticano e non è un numero fisso. Il grafico seguente mostra le tipiche condivisioni pilota per cinque configurazioni.
Il grafico mostra quanta energia totale deve ancora provenire dal combustibile liquido in cinque configurazioni comuni. Un motore a quattro tempi a bassa pressione e a pieno carico necessita solo dell'1% circa di carburante pilota, motivo per cui gli operatori considerano la modalità a gas come se fosse alimentata quasi completamente a gas. Spingendo lo stesso motore a un quarto del carico, la quota di pilotaggio sale a circa l'8%, perché la miscela diventa troppo magra per accendersi in modo affidabile senza più energia diesel. I motori a due tempi ad alta pressione funzionano a circa il 3% a pieno carico, mentre i retrofit da diesel a gas si avvicinano al 5% perché i loro sistemi di ammissione e controllo del gas sono meno precisi di quelli di un motore appositamente costruito. A basso carico la percentuale di retrofit può raggiungere il 15%, il che è sufficiente per modificare il calcolo del costo del carburante per una nave che trascorre lunghi periodi di manovra in porto.
Il tasso di sostituzione diminuisce prima che il motore si esaurisca
Il tasso di sostituzione è la quota di combustibile liquido che il gas effettivamente sostituisce e non è costante nell’intervallo di carico.
La curva rossa mostra un motore a doppia alimentazione a bassa pressione appositamente costruito che mantiene circa il 40% di sostituzione a un quarto di carico e raggiunge circa il 95% a pieno carico. La curva blu mostra un motore diesel convertito al funzionamento a gas, che inizia a circa il 25% a un quarto di carico e sale a circa il 90% a pieno carico. Il divario tra le due curve è più ampio a carico parziale, che è esattamente il luogo in cui i traghetti, le imbarcazioni portuali e le navi di supporto offshore trascorrono la maggior parte delle loro ore di funzionamento. Una flotta che calcola i risparmi in base ai dati riportati sulla targa a pieno carico li sovrastimerà ogni volta che il ciclo di lavoro è dominato dal carico parziale. Questo è il motivo per cui il profilo di carico, non la potenza del motore, dovrebbe guidare la scelta tra un motore dual-fuel di serie e una conversione.
Effetti della modalità Gas sulle emissioni
La modalità a gas riduce ogni inquinante regolamentato rispetto al funzionamento a combustibile liquido, ma non con lo stesso margine.
Gli ossidi di zolfo diminuiscono di circa il 99% perché il gas naturale non contiene quasi zolfo, che da solo soddisfa il limite globale dello 0,50% e i limiti dello 0,10% all’interno delle aree di controllo delle emissioni. Il particolato diminuisce di circa il 95% e gli ossidi di azoto di circa l'85%, abbastanza per raggiungere il livello III senza alcun dispositivo di post-trattamento. L’anidride carbonica diminuisce solo del 22% circa, perché il risparmio deriva dal rapporto idrogeno/carbonio del carburante piuttosto che dalla tecnologia di combustione. Il grafico mostra anche perché la modalità a gas è spesso descritta come uno strumento di conformità piuttosto che una soluzione climatica: i guadagni di ossido di azoto e zolfo sono ampi e immediati, mentre il guadagno di carbonio è moderato. Con l’inasprimento delle norme sull’intensità delle emissioni di carbonio, il funzionamento a doppia alimentazione aiuta una flotta a rimanere conforme, ma non garantisce da sola una profonda decarbonizzazione.
Motore a doppia alimentazione appositamente costruito o conversione
Entrambe le opzioni funzionano a gas, ma non si comportano allo stesso modo, e il confronto radar riportato di seguito le classifica in base ai sei criteri valutati più spesso dagli operatori.
Alle due forme viene assegnato un punteggio da zero a cento in base a sei criteri e una forma più grande è migliore. Il motore appositamente costruito è leader in termini di flessibilità del carburante, margine di ossido di azoto e vantaggi in termini di anidride carbonica, poiché la sua camera di combustione, la fasatura delle valvole e le mappe di controllo sono state progettate per il gas fin dall'inizio. La conversione ottiene un punteggio più alto in termini di facilità di retrofit, poiché mantiene in servizio un motore esistente invece di sostituirlo, e rimane competitiva in termini di risparmio sui costi del carburante. L'area più debole per entrambi è la durata dei componenti di fascia alta, poiché la modalità gas aumenta la pressione di picco e modifica il rilascio di calore, quindi le sedi delle valvole, le gabbie delle valvole e il piano antincendio della testata lavorano di più rispetto al servizio diesel puro. Una conversione riduce ulteriormente tale margine, motivo per cui le teste sostitutive per i motori convertiti dovrebbero sempre essere verificate rispetto alle specifiche della modalità gas anziché al disegno diesel originale.
Approvvigionamento di teste di cilindri per una flotta a doppio carburante
L’approvvigionamento di motori a doppia alimentazione è per lo più un problema di corrispondenza. La stessa famiglia di motori può esistere nelle versioni diesel, gas a bassa pressione e gas ad alta pressione e la testata differisce tra loro in modi piccoli ma critici: diametro del manicotto dell'iniettore, materiale della sede della valvola, porte di ammissione del gas e disposizione del passaggio di raffreddamento. Una testa adatta alla versione diesel di un motore potrebbe essere fissata fisicamente alla versione a gas e comunque guastarsi presto, poiché il materiale e la durezza della sede non sono mai stati specificati per la pressione di picco più elevata.
La lista di controllo prima di ordinare è breve. Conferma il modello del motore e la versione di costruzione, non solo la noia. Verificare se il motore funziona in modalità gas a bassa pressione o ad alta pressione. Verificare se la testa necessita di fori per la valvola di ammissione del gas. Confermare l'angolo della sede della valvola e i requisiti di durezza. Quindi confermare il lead time e la posizione delle scorte, perché una nave in attesa di un carico è una nave che non guadagna.
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La gamma completa, comprese le unità per motori diesel domestici, è elencata nel Catalogo ricambi testata , dove in ogni pagina è indicata la famiglia di motori con cui la testa è compatibile.
Il numero che alla fine decide se la doppia alimentazione ripaga non è la distribuzione del carburante in sé, ma l'intervallo di manutenzione di fascia alta dietro di esso. Un motore che funziona in modalità gas per 6.000 ore all'anno sottopone la sua testata a più cicli termici rispetto a un motore diesel con lo stesso compito, e la testata è un materiale di consumo in questo calcolo. Pianificare le sostituzioni in base alla versione del motore, alle specifiche della modalità gas e al profilo di carico reale mantiene una flotta a doppia alimentazione conforme e disponibile senza trasformare il risparmio di carburante in una sorpresa per la manutenzione.
