Università degli Studi di Genova
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA NAVALE
PROGETTAZIONE E OTTIMIZZAZIONE DELLA GESTIONE OPERATIVA DI UN IMPIANTO DI PROPULSIONE NATURAL
GAS – ELETTRICO PER CRUISE - FERRY
A.A. 2019 – 2020
Relatore : Prof. Ing. Ugo Campora
Lorenzo Figoli
Indice
Introduzione ... 4
Capitolo 1: Inquinamento da combustibili fossili ... 6
1.1 Premessa ... 6
1.2 Combustibili fossili e sostanze inquinanti ... 6
1.3 Normative MARPOL ... 11
Capitolo 2: LNG: il combustibile del prossimo futuro ... 18
2.1 Proprietà del natural gas ... 18
2.2 Gestione e utilizzo ... 19
Capitolo 3: Propulsione elettrica navale ... 23
3.1 Introduzione ... 23
3.2 Propulsione meccanica ... 23
3.3 Propulsione elettrica ... 25
3.3 Sistemi di controllo della propulsione elettrica ... 30
3.4 Possibili varianti ... 32
3.5 Vantaggi della propulsione elettrica navale ... 34
Capitolo 4: M/N La Suprema ... 36
4.1 Premessa ... 36
4.2 La nave ... 36
4.3 Le caratteristiche tecniche ... 37
4.4 Attuale configurazione del sistema di propulsione ... 40
4.5 Fabbisogno elettrico e termico ... 41
Capitolo 5: Panoramica sugli impianti di propulsione di nuova concezione per navi RORO -
pax ... 44
5.1 Premessa ... 44
5.2 Caratteristiche di alcune RORO - Pax Ferries a propulsione elettrica ... 44
5.3 Sistemi di propulsione recentemente studiati per La Suprema ... 54
Capitolo 6: Impianto di propulsione proposto ... 58
6.1 Premessa ... 58
6.2 Curva di potenza ... 58
6.3 Scelta motori a combustione interna ... 62
6.4 Richiesta elettrica e vapore saturo ... 70
6.5 Sistemi di recupero energetico ... 71
6.6 Rendimento impianto ... 80
Capitolo 7: Ottimizzazione della gestione dell’impianto di propulsione ... 84
7.1 Premessa ... 84
7.2 Lo Script ... 84
7.3 Risultati ... 91
Capitolo 8: Indice EEDI e EEOI ... 99
8.1 Premessa ... 99
8.2 Indice EEDI ... 99
8.3 Indice EEOI ... 107
Capitolo 9: Analisi economica e payback time ... 114
9.1 Premessa ... 114
9.2 Costo del combustibile per miglio nautico ... 114
9.3 Payback time ... 116
Capitolo 10: Comparazione tecnica ed economica con altri impianti di propulsione ... 123
10.1 Premessa ... 123
10.2 Confronto rendimento dei motori senza e con i recuperi energetici ... 123
10.3 Confronto dell’indice EEDI ... 133
10.4 Confronto economico ... 135
Conclusioni ... 136
Bibliografia ... 140
Ringraziamenti ... 143
Introduzione
La riduzione dell’inquinamento ambientale e del consumo di combustibile sono da anni argomento di studio e di investimenti nell’ambito navale. Gli armatori, anche grazie alle normative sempre più stringenti adottate dai governi di molti paesi e nell’intento di ridurre i costi di esercizio delle navi, stanno ricercando molteplici strade per migliorare le prestazioni degli impianti navali al riguardo di questi due aspetti. I finanziamenti per l’ideazione di nuove soluzioni impiantistiche e il miglioramento di quelli esistenti stanno evolvendo drasticamente la tecnologia a bordo delle navi negli ultimi anni. L’ emissione delle sostanze inquinanti nell’atmosfera è strettamente correlata alla quantità di combustibile bruciato, pertanto la tendenza è quella di massimizzare il rendimento globale dei sistemi, in particolare quelli riguardanti la propulsione, essendo questi ultimi i più impattanti per quanto riguarda i costi di esercizio e la quantità di sostanze inquinanti emesse durante la vita della nave.
Tra gli elementi che consentono questo tipo di evoluzione si possono citare, oltre ai rendimenti dei macchinari stessi, anche la qualità dei combustibili, il tipo di trasmissione, i recuperi dell’energia posseduta dai gas di scarico ma anche alcune scelte sul tipo di impianto e la gestione dell’energia. Si può prevedere l’installazione di particolari impianti per il trattamento dei fumi di scarico utilizzati per diminuire la concentrazione di sostanze inquinanti, come NOX e SOX, prima di essere rilasciati nell’ambiente. Esistono anche tecnologie più avanzate che, negli ultimi anni, stanno iniziando ad essere installate a bordo delle navi. L’adozione di batterie in un impianto di propulsione elettrico, ad esempio, può soddisfare l’esigenza di aumentare i rendimenti durante la navigazione, oltre a diminuire, fino ad annullare, le emissioni per limitati intervalli di tempo.
Le navi da crociera e i traghetti effettuano soste in porti turistici o baie naturalistiche dove la salvaguardia dell’ambiente è una priorità. Per queste tipologie di navi adottare le misure tali per cui le emissioni vengano ridotte al minimo assume un’importanza maggiore.
Questa tipologia di navi ha una grande richiesta di energia elettrica di hotel che è molto variabile nel corso della giornata e nelle diverse stagioni dell’anno. Per questo motivo, oggigiorno, la maggior parte di queste navi possiedono un impianto di propulsione full - electric in modo da poter utilizzare i motori sia per la propulsione che per alimentare i carichi elettrici di bordo. Inoltre, tale tipo di impianto consente di avere una maggior libertà di posizionamento dei macchinari all’interno della sala macchine non essendo presente la caratteristica linea d’asse. Dal punto di vista economico i consumi risultano essere inferiori per la possibilità di frazionare la produzione di energia tra i vari motori, ottimizzandone l’utilizzo.
Questo studio è finalizzato analizzare gli aspetti derivanti da un repowering di una nave traghetto esistente in termini di fattibilità economica e prestazioni operazionali. Verranno confrontate le caratteristiche dello schema di propulsione originale della nave (di tipo
‘’meccanico’’) con quelle derivanti da questo studio e da recenti Tesi di Laurea dell’Università degli Studi di Genova. L’impianto originale verrà rinnovato con uno, espressamente concepito per questa Tesi di Laurea, di moderna concezione di tipo natural gas – elettrico, composto da motori a combustione interna dual fuel, alimentati da gas naturale.
Verranno analizzati quindi, nei diversi casi, le grandezze principali riferite alla capacità
‘’green’’ della nave, come ad esempio gli indici EEDI e EEOI. Verranno poi studiati gli aspetti economici riguardanti gli investimenti e i risparmi conseguenti all’aumento dei rendimenti anche sulla base dei recuperi energetici adottati. Si calcolerà il Payback Time simulando alcune delle rotte principali della nave in esame tenendo in considerazione la diversa frequenza dei viaggi e le differenti richieste elettriche durante l’intero anno. Sarà quindi importante che le prestazioni del sistema di propulsione sviluppato in questa Tesi di Laurea, in termini di efficienza energetica e ambientale, siano le migliori possibili in un ampio range di velocità in modo da poter trarre vantaggi per la maggior parte delle rotte attuali e future della nave. Quest’ultimo requisito è stato espressamente richiesto dall’armatore della nave modello qui considerata.
Capitolo 1: Inquinamento da combustibili fossili
1.1 Premessa
In questo capitolo si descriveranno le proprietà fisiche e chimiche dei combustibili maggiormente utilizzati per la propulsione navale. Per i principali di questi verranno analizzati i pregi e i difetti dal punto di vista tecnico e ambientale.
Il primo aspetto assume un’importanza di rilievo dal punto di vista economico, sia per l’efficienza dell’impianto e sia per i costi operazionali dell’esercizio della nave stessa.
L’aspetto relativo alla salvaguardia dell’ambiente, invece, negli ultimi anni sta assumendo un’importanza sempre più marcata, lo testimonia la quantità e varietà di normative emanate dalle autorità competenti, che di anno in anno, stanno diventando sempre più severe.
1.2 Combustibili fossili e sostanze inquinanti
La produzione di energia con fonti non rinnovabili determina, a seconda della tipologia, un inquinamento generato dalla dispersione nell’ambiente di sostanze nocive, oppure sostanze che naturalmente sono presenti nell’atmosfera, ma che vengono prodotte in quantità troppo elevate. Questi aspetti dipendono fortemente dalla composizione chimica del combustibile e dal loro corretto utilizzo e possono provocare degli effetti nel lungo periodo disastrosi.
Le principali sostanze inquinanti prodotte dall’ossidazione dei combustibili fossili sono:
• CO2: L’anidride carbonica è un gas formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più importanti tra quelli presenti nell’atmosfera terrestre, in quanto è utilizzato dalle piante per produrre ossigeno in un processo chiamato fotosintesi clorofilliana. Dal momento che esseri umani e animali dipendono dalle piante per nutrirsi, tale processo è indispensabile per la sopravvivenza della vita sulla Terra.
Tuttavia, una quantità di CO2 troppo elevata non riesce ad essere smaltita dai processi naturali del pianeta accumulandosi nell’atmosfera. Un aumento della percentuale di questo gas nell’atmosfera fa sì che si instauri il fenomeno dell’effetto serra, che provoca, oltre a danni alla salute dell’essere umano, un surriscaldamento del pianeta che può modificarne il clima. Nella Figura 1.1 si può vedere in quali zone questo incremento delle temperature è più presente [1]. Tale innalzamento sta determinando
un’accelerazione di un fenomeno naturale che consiste nello scioglimento progressivo dei ghiacciai, soprattutto nelle zone in corrispondenza del Polo Nord, causando, tra i molti effetti, anche un progressivo innalzamento del livello del mare.
Figura 1.1 – Innalzamento della temperatura negli ultimi 50 anni
L’ anidride carbonica costituisce la prima tipologia, per quantità, di emissioni inquinanti dei motori navali. Essa deriva dal corretto processo di ossidazione del carbonio contenuto in tutti i combustibili. Si fa tuttavia osservare che il contenuto di carbonio nella formulazione chimica dei suddetti combustibili è variabile, di conseguenza quelli che contengono una minore quantità percentuale di carbonio nelle loro molecole produrranno una minore quantità di anidride carbonica, secondo la nota reazione chimica:
𝐶 + 𝑂2−> 𝐶𝑂2
Al riguardo si rimanda alla Tabella 1.1 (pubblicata in una normativa IMO [2]), che riporta il contenuto di carbonio e la massa di CO2 [t] prodotta dalla combustione di una massa unitaria [t] di combustibile bruciato. Detta tabella comprende tutte le tipologie di combustibili navali impiegati. In essa CF è il conversion factor, che esprime le tonnellate di CO2 prodotte per tonnellata di combustibile bruciato (CF = [t-CO2/t-Fuel]).
Tabella 1.1 - Contenuto di carbonio e massa di CO2 prodotta per unità di massa di combustibile bruciato relativi alle tipologie di combustibili navali impiegati
• NOX: gli ossidi di azoto, formati dall’ossidazione dell’azoto, presenti abbondantemente nell’atmosfera, vengono prodotti in rari fenomeni naturali, come fulmini o eruzioni vulcaniche. Oggigiorno, però, questi gas sono presenti in grandi quantità nell’atmosfera in quanto vengono prodotti principalmente dai motori a combustione interna (MCI).
L’azoto che si trova in natura sottoforma di molecole N2 è un gas inerte, ma ad elevate temperature si scinde in due particelle di N che sono altamente reattive con quelle di ossigeno. La quantità prodotta di ossidi di azoto dipende fortemente dalla temperatura a cui avviene la combustione aumentando con essa. Come mostrato in Figura 1.2, se detta temperatura è troppo bassa si potrà avere una non corretta combustione con una conseguente formazione di CO in eccesso [3]. Pertanto, per la giusta temperatura della zona di combustione si sceglie un corretto compromesso tra le due quantità di sostanze inquinanti, anche facendo uso di tecnologie che diminuiscano o ‘’puliscano’’ i gas di scarico, come i catalizzatori, in modo da soddisfare le normative richieste per tali emissioni.
Figura 1.2 – Emissioni di CO e NOX in funzione della temperatura della camera di combustione
• SOX: Dalla combustione dei materiali contenenti zolfo vengono prodotti ossidi di questo elemento: anidride solforosa o biossido di zolfo (SO2) e anidride solforica o triossido di zolfo (SO3).
L’SO2 presente nell’aria deriva sia da fonti naturali (61%), quali le strutture vulcaniche, sia da fonti antropiche e in particolare per il riscaldamento di uso domestico, la produzione di energia dall’impiego di combustibili fossili, attività industriali e traffico autoveicolare.
La quantità di ossidi di zolfo emessi dipende quasi unicamente dalla quantità di zolfo contenuto nel combustibile. Diventa quindi molto importante utilizzare dei combustibili che contengano la minor concentrazione possibile di tali sostanze.
La formazione di SOX è rappresentata principalmente dalle seguenti reazioni chimiche:
𝑆 + 𝑂2−> 𝑆𝑂2 2𝑆𝑂2+ 𝑂2−> 2𝑆𝑂3
La quantità di SO3 prodotta è generalmente sempre molto modesta, poiché in presenza di vapore acqueo questo si trasforma facilmente in acido solforico (H2SO4). Nella propulsione navale questo fenomeno è molto pericoloso, in quanto se i fumi di scarico raggiungono temperature troppo basse si può formare del vapore acqueo in
conseguenza alla condensazione e quindi alla formazione di acido solforico o altri acidi che possono corrodere e danneggiare la struttura del fumaiolo.
SOX e NOX contribuiscono, inoltre, alla formazione del fenomeno delle piogge acide formando acido solforico (H2SO4) e acido nitrico (HNO3) che, essendo trasportate dal vento, possono rovinare monumenti storici e risultare dannosi per la flora e la fauna, anche a migliaia di chilometri di distanza rispetto alla fonte che ha generato tali inquinanti. Tali sostanze, tramite il ciclo dell’acqua, possono poi raggiungere le falde acquifere inquinandole oltre che a contribuire al fenomeno dell’acidificazione dei mari [4].
• Particolato: questo composto è formato principalmente da ceneri, esso deriva da una non corretta combustione e dal tipo di combustibile utilizzato. La temperatura di esercizio dei MCI ha quindi, anche in questo caso, un’influenza e rientra, perciò, nella trattazione riguardante il compromesso tra le emissioni di COX e NOX.
Tale agente in eccesso si trova molto spesso nelle grandi città o nelle zone pesantemente industrializzate, ma è importante il suo controllo anche nel trasporto navale in quanto, essendo molto leggero, può essere veicolato dai venti e quindi può coprire facilmente grandi distanze.
Alcune fonti di energia non rinnovabili sono considerate erroneamente ‘’pulite’’, come per esempio l’idrogeno, impiegato per esempio nelle celle a combustibile. Tale esempio, infatti, si basa sul concetto di vettore energetico (l’idrogeno appunto): l’impiego dell’idrogeno quale fonte energetica delle celle a combustibile appare di fatto una fonte energetica a impatto ‘’zero’’, ma, a monte, l’idrogeno, per essere prodotte ha bisogno di processi che in alcuni casi richiedono l’impiego di energia elettrica, la cui sostenibilità dipende dalla tecnologia utilizzata.
Si può vedere infatti nella Figura 3 come l’energia elettrica venga prodotta nei diversi paesi mediante tecnologie differenti, comportando perciò un valore di CO2 prodotta molto variabile.
Figura 1.3 - Emissioni inquinanti (dalla fonte energetica) di alcune tipologie di motori per trazione stradale e, nel caso della trazione elettrica, per nazione [5]
Dalla Figura 1.3 si nota ad esempio un grande divario tra le emissioni legate alla produzione di energia elettrica dei paesi quali la Polonia e la Francia. La prima infatti è ancora molto dipendente dall’utilizzo del carbone nelle sue centrali termoelettriche, mentre in Francia la produzione di energia è in buona parte soddisfatta da centrali nucleari, che non producono CO2 ma che, certamente, hanno altri tipi di problematiche riguardanti lo smaltimento delle scorie e la sicurezza.
1.3 Normative MARPOL
Negli ultimi anni l’IMO (International Maritime Organization) sta attuando un progressivo inasprimento delle normative riferite all’inquinamento ambientale per lo scarico dei fumi derivanti dalla combustione. La MARPOL (MARitime POLlution) è una convenzione internazionale emessa dall’IMO che mira a prevenire e ridurre l’inquinamento causato dalle navi, sia quello derivante da eventi accidentali che quello prodotto dalla normale conduzione. La MARPOL è nata nel 1973 dopo l’avvenimento di alcuni disastri a cui è seguito un aggiornamento nel 1978. Le norme contenute al suo interno devono essere rispettate da tutte le navi battenti la bandiera dei paesi aderenti, i quali ad oggi sono 174, e che rappresentano più del 99.5% del tonnellaggio mondiale [6].
Figura 1.4 – Mappa dei paesi aderenti alla MARPOL (2008)
La MARPOL 73/78 è formata da 6 annessi:
• Annex I - Inquinamento da petrolio (petrolio greggio e olio combustibile);
• Annex II - Inquinamento da sostanze liquide nocive trasportate alla rinfusa;
• Annex III - Inquinamento da sostanze dannose trasportate in imballaggi;
• Annex IV - Inquinamento da liquami;
• Annex V - Inquinamento da rifiuti solidi;
• Annex VI - Inquinamento atmosferico (sostanze che riducono lo strato di ozono, ossidi di azoto (NOX), ossidi di zolfo (SOX) e composti organici volatili).
1.3.1 EEDI
Si è visto nel paragrafo 1.2 come le eccessive produzioni di CO2 stiano causando dei danni, che con il passare del tempo, stanno raggiungendo la soglia della irreparabilità. Proprio per limitare le emissioni di CO2, nel 2011, la Commissione per la Protezione dell’Ambiente Marino (Marine Environment Protection Committee, MEPC) dell’IMO ha introdotto un indice di efficienza energetica (equazione 1.1) per le nuove navi, chiamato EEDI (Energy Efficiency Design Index) [8].
Tale indice fissa un limite di grammi di CO2 per unità di lavoro definita come il prodotto tra le miglia nautiche percorse e capacità di carico trasportabile espressa in tonnellate (Deadweight, DWT).
𝐸𝐸𝐷𝐼 = 𝑔 𝐶𝑂2 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛
𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑝𝑜𝑟𝑡 𝑤𝑜𝑟𝑘 [𝑔 𝐶𝑂2
𝑡𝑜𝑛 𝑘𝑛
⁄ ] (1.1)
L’EEDI è calcolato mediante una formula piuttosto complessa in cui vi sono presenti molti coefficienti correttivi che si differenziano, ad esempio, dal tipo di nave e dal tipo di combustibile utilizzato. Come si vedrà in seguito, il calcolo consiste nella sommatoria dei contributi delle emissioni di tutti i motori a determinate condizioni di funzionamento, siano essi principali o ausiliari, a cui verrà sottratto un termine legato al recupero energetico con sistemi innovativi come caldaie a recupero o turbosoffianti ibride, i quali verranno trattati in seguito più nel dettaglio. Il valore ottenuto dovrà essere obbligatoriamente inferiore ad un limite fornito mediante formulazioni in funzione della tipologia di nave e dell’anno di costruzione. Infatti, anche in questo caso, vi è l’obiettivo di ridurre progressivamente le emissioni di CO2 nel tempo, delle navi di nuova costruzione, secondo una scandita pianificazione.
Figura 1.5 – Fasi per la riduzione di CO2 emessa
Sono state organizzate, infatti, diverse fasi [9] ognuna delle quali fissa un valore massimo del valore dell’indice che è una percentuale, che varia con il tipo di nave, di un valore di riferimento calcolato anche in base al valore del DWT.
L’argomento sarà trattato più nel dettaglio nel capitolo 8 mediante il calcolo dell’indice per la nave in esame in questa tesi e si verificherà quali fasi saranno soddisfatte per ogni configurazione studiata. Verranno anche accennati diversi limiti normativi riferiti a tecnologie innovative legate alla propulsione.
1.3.2 Aree NECA e SECA
Per quanto concerne gli aspetti sviluppati nei paragrafi 1.1 e 1.2, è sicuramente d’interesse l’annesso 6 della MARPOL che nel 1997 sancisce la nascita delle aree NECA (Nitrogen oxide Emission Control Areas) e SECA (Sulfur Emission Control Areas) [10].
Le aree NECA sono delle zone costiere in cui le limitazioni di emissioni sono particolarmente stringenti. Tali zone sono già presenti nelle coste occidentali e orientali degli Stati Uniti del Nord e del Mar Baltico, ma si sta studiando la possibilità di istituirne ulteriori.
Figura 1.6 – Aree ECA, NECA E SECA
In particolare, le limitazioni, che sono relative alle emissioni di NOX, seguono un progressivo incremento nel tempo. Si prevedono tre diverse fasi [11]:
• Tier I è il limite applicato in tutte le aree del globo terrestre ai motori installati nelle navi costruite dopo il 1° gennaio 2000;
• Tier II è applicato, sempre a livello mondiale, ai motori installati sulle navi dopo il 1°
gennaio 2011;
• Tier III si riferisce ai motori navali installati dopo il 1° gennaio 2016 operanti nelle aree NECA riportate in Figura 1.6.
Il limite Tier III numericamente corrisponde ad una riduzione dell’80% del valore limite che caratterizza il Tier I.
Figura 1.7 – Fasi riguardo alla regolazione dei NOX [11]
La quantità massima di NOx ammissibili, raffigurata nella Figura 1.7, è in funzione del numero di giri dell’albero a gomiti del motore di propulsione della nave, infatti, come descritto nel paragrafo 1.2, questa dipende unicamente dalle caratteristiche della combustione. Vi sono diverse azioni che possono essere quindi attuate per ridurre le emissioni di NOX come, ad esempio, la geometria della camera di combustione o un corretto controllo sulla temperatura (vedi Figura 1.2) ma spesso questi accorgimenti possono non bastare. Per questo motivo si può far uso di catalizzatori (Selective Catalytic Reactor, SCR) che, trattando i fumi prima di rilasciarli nell’ambiente, ne riducono il contenuto di NOX.
Le navi che, in seguito ad un controllo delle Autorità Portuali, non si troveranno in conformità agli standard della convenzione andranno incontro a multe molto salate e si potrà prevedere, a seconda dello Stato vigilante, anche il sequestro della nave.
Le aree SECA o ECA (Emission Control Areas) sono zone in cui vi sono limitazioni sulle emissioni di SOX da parte dei motori navali. Come già anticipato nel paragrafo 1.2, queste dipendono unicamente dalla quantità di zolfo contenuti nel combustibile utilizzato. Le normative infatti si riferiscono alla percentuale di solfuri presenti in essi e la limitazione con il passare degli anni sta diventando sempre più stringente a livello globale, ma in particolar modo nelle aree ECA. Esse si estendono nel Mare del Nord e Mar Baltico e lungo le coste americane, ma, anche in questo caso, vi sono molte aree, come ad esempio il Mar Mediterraneo, che sembra siano destinate prossimamente a divenire anch’esse aree SECA o ECA.
Figura 1.8 - Limiti emissioni SOX (MARPOL-Annex VI)
Si stima che con l’entrata in vigore delle norme relative all’anno 2020 le emissioni di zolfo originate dalle navi potrà diminuire del 77% entro il 2025 e questo porterà un decremento dell’inquinamento atmosferico legato allo zolfo del 68% a livello globale [12].
Queste normative hanno avuto un’applicazione immediata e non sono state concesse deroghe, quindi soprattutto dagli anni 2000 gli armatori hanno dovuto adeguarsi agli standard per essere conformi alla normativa a livello globale e, per le navi interessate, rispettando le limitazioni molto più stringenti che caratterizzano le aree speciali.
Per rientrare nei suddetti standard ci sono diverse tecnologie che si possono utilizzare:
• Scrubber: questi impianti permettono di sottrarre, tramite un processo simile ad una doccia a base di reagenti in polvere (Dry Scrubbers) o acqua (Wet Scrubbers), lo zolfo presente nei fumi di scarico. In questo modo gli impianti non hanno bisogno di grossi cambiamenti permettendo il soddisfacimento dei requisiti sulle emissioni precedentemente analizzati attraverso un costo molto contenuto. Ovviamente esistono aspetti negativi per questi impianti, come ad esempio lo smaltimento del residuo accumulato che si traduce ad un relativo costo, ma soprattutto lo spazio necessario all’installazione dell’impianto e il suo costo.
• Combustibili a basso contenuto di zolfo: una seconda opzione è quella di scegliere di utilizzare dei combustibili che siano a impatto ridotto. Vi sono delle miscele a base di petrolio, come ad esempio il MGO (Marine Gas Oil) o VLSF (Very Low Sulphur Fuel Oil) che permettono di rispettare i limiti imposti dai regolamenti.
Alternativamente, si possono usare combustibili non a base di petrolio come ad esempio l’LNG (Liquefied Natural Gas) che, come sarà meglio specificato nel prossimo paragrafo, non contiene zolfo. Utilizzare un combustibile a basso contenuto di zolfo porta sicuramente ad avere un impianto con maggiori costi di
investimento e di manutenzione, oltre che ad aver bisogno di spazi più ampi, visti gli ausiliari necessari.
Diverso è il discorso per le tecnologie a zero emissioni che comprendono l’utilizzo di celle a combustibile, quindi ad idrogeno, o l’utilizzo di energia derivanti da fonti rinnovabili come celle fotovoltaiche o energia eolica sfruttando vele particolari. Queste tecnologie sono ancora molto limitate ad aspetti relativi alla ricerca e non ne è previsto l’utilizzo nel prossimo futuro, almeno per quanto riguarda le navi di taglie considerevoli, mentre per yacht e imbarcazioni di taglia più ridotta queste tecnologie sono ad uno stato di sperimentazione relativamente avanzata.
L’ammoniaca, su cui la società Wartsila sta lavorando in parallelo ad altre tipologie di combustibili alternativi come metanolo e bio - diesel, essendo priva di carbonio non emette CO2 e si può produrre con fonti rinnovabili ad un costo competitivo, rendendo tutto il processo totalmente carbon free. Inoltre, tale combustibile ha una carica energetica decisamente superiore a quella dell’idrogeno, quindi risolve le problematiche relative alla dimensione dei depositi e dei serbatoi, questione che nell’economia degli spazi di una nave è di primaria importanza.
L’ammoniaca non è esente da ‘’sfide’’: presenta un elevato tasso di tossicità e corrosività, ma si sta studiando come gestire questi aspetti sfruttando tecnologie già collaudate e spesso già presenti a bordo. Per esempio, le cisterne in acciaio inox utilizzate per lo stoccaggio del LNG a bassissime temperature, potrebbero resistere bene alla corrosione dell’ammoniaca [13].
Capitolo 2: LNG: il combustibile del prossimo futuro
2.1 Proprietà del natural gas
Il gas naturale liquefatto è un combustibile che è stato sviluppato alla fine del XIX secolo ma che vede le sue prime applicazioni a partire dalla metà del XX secolo. Il componente principale dell’LNG è il metano la cui percentuale può variare tra il 90% e il 99%, a seconda del paese produttore, la restante parte è costituita principalmente da butano, etano e propano che variano a seconda del giacimento di origine e dal processo di liquefazione effettuato.
In condizioni standard questo combustibile fossile si presenta sottoforma di gas inodore e incolore, ma modificando la sua pressione e/o la temperatura si riesce a convertire il suo stato in forma liquida. Questo consente di diminuire il suo volume specifico fino a 600 volte.
Ovviamente questa modalità rappresenta l’unica per utilizzare tale combustibile e quindi bisogna far fronte a tale limitazione utilizzando una tecnologia all’avanguardia per poter mantenere una temperatura delle cisterne a - 162°C, che è la temperatura di liquefazione di questo combustibile, facendo uso di serbatoi criogenici.
In Figura 2.1 è rappresentata la cosiddetta ‘’LNG Boiling Curve’’ ossia la legge di liquefazione del gas naturale.
Figura 2.1 - LNG Boiling Curve
Figura 2.2 – Coibentazione cisterne adibite allo stoccaggio di gas naturale liquefatto
2.2 Gestione e utilizzo
Le cisterne per l’utilizzo di questo combustibile (Figura 2.2) hanno bisogno di un volume superiore rispetto allo spazio occupato dal fluido stesso in quanto è presente una coibentazione molto spinta in modo da ridurre il più possibile l’energia spesa per sottrarre calore al fluido. Questa energia, che ovviamente dovrà essere inevitabilmente consumata, è prodotta in locali appositi tramite un impianto costituito da pompe e scambiatori di calore (Figura 2.3). Ne deriva che lo spazio occupato dai serbatoi di LNG, a parità di energia posseduta, è di circa tre volte superiore rispetto ad un combustibile convenzionale, come ad esempio l’HFO (Heavy Fuel Oil) anche per le norme stringenti di sicurezza legate all’obbligo di raggiungere certi standard legati alla ventilazione dei locali.
In caso di motori dual fuel alimentati a NG si avrà bisogno quindi di un consumo di energia aggiuntivo, ma piuttosto limitato, per mantenere le casse del combustibile ad una temperatura tali per cui questo resti in forma liquida. A differenza di questa alimentazione, quella a base di HFO, dove contrariamente il liquido a temperatura ambiente risulta essere a viscosità troppo elevata per essere pompato in tubazioni, ha bisogno di vapore saturo per preriscaldare il carburante almeno a 40°C in modo da poter essere utilizzato. Alimentare, quindi, una propulsione a NG consente di utilizzare il vapore saturo nei sistemi a recupero alzando quindi il rendimento dell’impianto.
Figura 2.3 – Schema semplificato dell’impianto di alimentazione a LNG
Le navi che fanno maggiormente uso di questo combustibile sono sicuramente le gasiere che trasportano, appunto, LNG. Queste navi spillano direttamente dal carico una parte di esso che andrebbe perso a causa di variazioni di temperatura e pressione, le quali provocano una rigassificazione di una parte del carico. Nelle cisterne sono posizionate delle valvole di sfogo che disperderebbero tale carico bruciandolo, ma nel caso che la propulsione sia alimentata da gas naturale questo viene nuovamente immesso nel sistema tramite un apposito impianto e mandato alle casse di combustibile (Figura 2.4).
Figura 2.4 – Schema semplificato del sistema di rigassificazione di LNG
In Figura 2.5 è mostrato il confronto tra gli inquinanti emessi da motori Diesel e motori Dual Fuel a gas naturale. Si nota come la riduzione di CO2 sia considerevole e che vi sia la drastica riduzione o assenza di NOX, SOX e particolato. L’assenza di SOX in particolare, permette di scendere ben al di sotto della già citata temperatura di condensazione dei fumi, in quanto
non essendoci zolfo non vi è il pericolo di formazione di acidi in corrispondenza del fumaiolo. Questo consente di avere dei recuperi molto più spinti del calore posseduto dai fumi di scarico rispetto all’utilizzo di combustibili con un alto tenore di zolfo.
Figura 2.5 – Confronto tra principali emissioni inquinanti dei combustibili LNG e MDO [14]
Oltre a effetti positivi riguardanti l’utilizzo di LNG per la propulsione navale vi sono, però, alcuni aspetti che fino a questo momento ne hanno limitato il mercato.
Uno dei problemi principali è sicuramente quello legato alla sicurezza visto che la temperatura di infiammabilità, ossia per la quale si producono vapori altamente incendiabili, è sensibilmente più bassa rispetto agli altri combustibili navali.
Il secondo aspetto che va tenuto in considerazione è legato alla disponibilità di approvvigionamento. Questa tematica va sicuramente di pari passo con uno studio economico e fa parte di un processo che inevitabilmente è molto lento. Attualmente infatti nel mediterraneo vi sono pochi porti attrezzati per l’approvvigionamento di tale combustibile e quindi non risulta essere utilizzato come lo è in altri territori. In Figura 2.6 si può vedere infatti i porti italiani che si prevede di attrezzare per il rifornimento di LNG alle navi, allo stato attuale solo un numero ridotto di tali installazioni è stato realizzato.
Figura 2.6 – Situazione italiana riguardo all’approvvigionamento di LNG
Un fattore da cui dipende fortemente lo sviluppo del natural gas sono le normative sulle emissioni inquinanti. Oltre alle già attive aree speciali precedentemente menzionate, si prevede che presto anche il Mar Mediterraneo entrerà a fare parte delle zone a basso impatto ambientale. Questo comporterà una spinta, forse decisiva, verso l’utilizzo di questo combustibile annoverandolo come principale sostituto dei combustibili tradizionali.
Dalla Figura 2.7, infatti, si può vedere come i terminal di approvvigionamento di LNG siano distribuiti soprattutto sulle coste dell’Europa settentrionale e in quelle degli Stati Uniti.
Capitolo 3: Propulsione elettrica navale
3.1 Introduzione
Per propulsione elettrica si intende un sistema in cui i propulsori, siano essi eliche o giranti di un idrogetto, sono movimentati da motori elettrici alimentati a loro volta da una rete di bordo. Questo tipo di propulsione è stata sviluppata dall’inizio degli anni ’80 per via dell’innovazione nel campo dell’elettronica di potenza che permette di gestire grandi flussi di energia.
Questo tipo di propulsione ha svariati vantaggi rispetto alla tradizionale propulsione meccanica, nonostante comporti un numero maggiore di componenti in serie che in genere provocano un abbassamento del rendimento globale del sistema, sempre rispetto alla propulsione meccanica. Le nuove costruzioni, soprattutto legate al mondo crocieristico o RORO – pax, stanno sempre più adattando a questo tipo di tecnologia trovando nella sua maggiore versatilità uno dei suoi più grandi vantaggi. Su navi che richiedono un carico molto variabile, infatti, è possibile ottimizzare il funzionamento dei diversi motori dell’impianto in modo da poter ottenere un rendimento maggiore per un ampio range di velocità della nave e quindi avere buone prestazioni per un numero maggiore di rotte.
3.2 Propulsione meccanica
Il convenzionale sistema di propulsione meccanica, riportato in Figura 3.1, permette di avere una componentistica molto ridotta.
Figura 3.1 -Schema semplificato di un impianto di propulsione meccanica tradizionale
I quali possono essere distinti tra:
• Motore principale: il motore di propulsione in un sistema di tipo meccanico non ha particolari caratteristiche e si può scegliere con libertà, sia per il tipo di combustibile ma anche, ad esempio, tra motori 2T e 4T. Per quest’ultimi vi dovrà essere installato anche un riduttore, che possiederà un proprio rendimento, permettendo l’accoppiamento con l’elica;
• Asse: essendo un asse meccanico il rendimento è elevato, ma vi è la necessità di avere di alcuni ausiliari come i cuscinetti reggispinta (per non scaricare la spinta sul motore), i cuscinetti portanti (per evitare che l’albero assuma una curvatura eccessiva sotto l’effetto del proprio peso) e i relativi oli lubrificanti che permettono il funzionamento senza creare attrito eccessivo, sia per motivi di perdita di rendimento ma anche per non creare scintille e fenomeni di erosione;
• Elica: in questo caso l’elica, se non è installato un particolare tipo di riduttore chiamato ‘’riduttore – invertitore’’, deve essere obbligatoriamente a pale orientabili per aver la possibilità di invertire il moto. Nei motori a combustione interna a 2T si può attuare la conversione del moto fermando l’asse e riavviandolo con un senso di rotazione invertito. Diversamente, per i motori 4T non è possibile tale soluzione, per cui è necessaria, ad esempio, l’installazione di eliche a pale orientabili o di un riduttore – invertitore;
• Generazione elettrica ausiliaria: tutte le navi, indipendentemente dal tipo e dalle dimensioni, hanno bisogno di soddisfare una certa richiesta di carico elettrico comprensivo, necessario all’operatività della nave e anche di quei carichi, denominati hotel, che permettono il funzionamento di tutti i servizi legati alla vita dell’equipaggio e degli eventuali passeggeri a bordo.
Una prima evoluzione di questo tipo di propulsione si ha installando, a valle dei motori principali, un generatore asse. Questa tecnologia permette di ‘’prelevare’’ una quota parte di energia posseduta dall’asse e di trasformarla, attraverso un alternatore, in energia elettrica utilizzata per alimentare le utenze di bordo. Essendo i motori elettrici macchine invertibili è possibile anche attraverso la rete alimentare l’asse meccanico aumentandone l’energia posseduta. Nel primo caso è utile dal punto di vista energetico: i motori principali lavorano nelle loro condizioni di massimo rendimento utilizzando parte dell’energia per la propulsione, mentre l’energia in eccesso sarà utilizzata per limitare l’utilizzo dei generatori ausiliari. Di norma, infatti, i motori di taglia superiore hanno un rendimento leggermente superiore rispetto a quelli di potenza inferiore, inoltre ad essi sono applicati tutti quei sistemi di recupero energetici che consentono di ottenere un rendimento complessivo decisamente superiore. Un secondo utilizzo invece è quello di fornire con i generatori
elettrici energia all’asse in modo da raggiungere le velocità di punta o per motivi di sicurezza e non perdere completamente la propulsione in caso di guasto del motore principale, nel caso ve ne sia uno soltanto.
3.3 Propulsione elettrica
La propulsione elettrica invece presenta uno schema impiantistico più complesso per cui esistono diverse varianti che danno molta libertà a chi si occupa della progettazione di questi impianti di studiare la configurazione che più si presta al caso specifico. Un esempio è raffigurato in Figura 3.2.
Figura 3.2 -Schema semplificato di un sistema di propulsione elettrica innovativo
La componentistica aggiuntiva di questa tipologia di impianti è di seguito elencata.
• Motori principali: come per la propulsione di tipo meccanico anche quella elettrica ha bisogno di essere alimentata da motori a combustione interna che possono avere qualsiasi tecnologia rispetto al tipo di motore e al combustibile bruciato. Nei casi più frequenti vi sono installati motori a 4T in ambito civile, mentre nel settore militare si fa uso anche di turbine a gas con il relativo recupero a vapore;
• Generatore elettrico: l’albero a gomiti in uscita dal motore è collegato ad un alternatore in modo da convertire l’energia meccanica in elettrica. Quest’ultimo è di tipo sincrono e ha quindi bisogno di un circuito di eccitazione attraverso un sistema che può essere a contatti striscianti o con magneti permanenti (brushless).
Nel primo caso le spazzole sono soggette a usura ed è necessario procedere con la loro sostituzione periodica, mentre la configurazione brushless prevede il calettamento di due motori concentrici e l’eccitazione è fornita, a differenza del caso precedente, tramite fenomeni magnetici. Questa configurazione è però più costosa e di difficile riparazione.
In uscita a questo elemento si ottiene una tensione trifase sinusoidale;
• Raddrizzatore: la tensione alternata, prodotta dal generatore elettrico, può essere convertita portando ad avere la sbarra in corrente continua. Per fare ciò si utilizzano degli elementi, chiamati interruttori statici di potenza, che, installati con una certa architettura, tagliano le semionde negative e, attraverso grandi filtri composti da induttanze e capacità, spianano la tensione rendendola il più possibile costante.
Essendo sinonimo di qualità del segnale in DC (Direct current), il Ripple, definito come la percentuale della variazione della tensione nel tempo in riferimento a quella massima, deve assumere un valore molto piccolo.
Il principio di funzionamento è mostrato nella Figura 3.3 con il più elementare raddrizzatore composto da un Ponte di Graetz monofase. Dalla sua struttura si nota come sia la semionda positiva che quella negativa percorrono il carico nello stesso senso, essendo i diodi (o tiristori a seconda che siano comandati o no) degli elementi che idealmente si comportano da interruttore chiuso in un senso e aperto se la corrente li percorre in senso opposto.
Figura 3.3 – Ponte di Graetz
Dalla figura sopra si può infatti vedere come per il caso di semionda positiva i diodi D2 e D4 si comportino da interruttore chiuso, mentre D1 e D3 siano in interdizione.
Per la semionda negativa i ruoli si invertono. In questo modo risulta ribaltata la semionda negativa e attraverso dei filtri a monte e valle del ponte si ‘’spiana’’ il segnale che alimenta il carico.
• Sbarra: Secondo le normative SOLAS (Safety Of Life At Sea), per navi che hanno una potenza richiesta superiore a 3 MW [15], sono necessarie due sbarre distinte collegate tramite un interruttore, chiamato congiungente, in modo da poter scollegarne una e non compromettere l’intero impianto in caso di guasto. A questo elemento sono collegati tutti i carichi, siano essi di propulsione o di bordo, e tutti i generatori elettrici che alimentano la rete. Tra ogni generatore e la sbarra viene interposto un ulteriore interruttore, chiamato, sezionatore, che viene aperto per le configurazioni operazionali per cui il motore non sia utilizzato per la generazione di energia elettrica. In Figura 3.4 è rappresentato uno schema impiantistico che evidenzia tali elementi.
Figura 3.4 – Schema impiantistico in cui sono raffigurate anche gli elementi: congiungente e sezionatore
A seconda che il congiungente sia aperto o chiuso si formano le cosiddette isole elettriche, ossia dei circuiti elettrici completamente indipendenti. Nelle soluzioni impiantistiche militari è obbligatoria la presenza di almeno due isole elettriche distinte in quanto la perdita di un’isola non pregiudica il funzionamento dell’altra.
In ambito civile questa opzione è invece implementata per motivi di sicurezza, infatti in caso di guasto o mal funzionamento di una centrale elettrica i disturbi derivanti da una non influenzano la seconda. Vi è però da considerare il fatto che un’isola elettrica piccola è più debole e risulta essere maggiormente predisposta a effetti dinamici. Questo può essere spiegato attraverso l’introduzione della seconda equazione della dinamica:
∑ 𝑄𝑖 = 𝐽 𝜔̇
𝑖
(3.1)
Dove:
J rappresenta l’inerzia totale delle masse rotanti del sistema;
𝑄𝑖 e 𝜔̇ rappresentano le coppie e le accelerazioni angolari in gioco riferiti ad un asse.
Dalla formula 3.1 si può verificare che, una variazione tra la coppia richiesta dal sistema e la coppia fornita dai motori, provochi un’accelerazione o una decelerazione della velocità angolare dell’asse tanto più brusca quanto è piccola l’inerzia del sistema.
• Invertitore: la tensione che alimenta la sbarra, che si trova in corrente continua, deve essere trasformata in corrente alternata. Per far ciò si utilizza un invertitore, che è formato, come il raddrizzatore, da semiconduttori comandati, come ad esempio gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Tali elementi sono pilotati, attraverso un circuito aggiuntivo, in modo da discretizzare il segnale per ottenerne uno che si avvicini il più possibile ad una sinusoide di frequenza voluta. Un sistema utilizzato ad esempio è il PWM (Pulse Width Modulation) che permette, oltre ad ottenere la frequenza voluta, anche una modulazione della tensione e risulta essere, quindi, molto utile perché, controllando questo sistema di pilotaggio, si riesce a governare il sistema che alimenta il motore elettrico e quindi, ad esempio, il propulsore della nave. In questo caso la qualità del segnale è caratterizzata dal THD (Total Harmonic Distorced) che rappresenta l’inquinamento armonico della tensione. Questa grandezza è definita infatti come il rapporto tra il valore relativo all’armonica principale e la somma di tutte le altre armoniche, secondo la scomposizione di Fourier del segnale. In ambito navale il THD deve essere, di norma, inferiore al 7% [16].
Un esempio di architettura di tale elemento viene riportato in Figura 3.5, dove con un adeguato sistema di filtraggio e pilotaggio si ottiene un andamento molto simile ad una sinusoide perfetta in modo che il motore elettrico alimentato funzioni correttamente.
• Motore elettrico: Il motore elettrico è una macchina che trasforma energia elettrica in meccanica. È posizionato il più vicino possibile all’utilizzatore in modo da ridurre al massimo la lunghezza dell’asse meccanico per ridurre lo spazio occupato dal sistema e le perdite meccaniche. Per applicazioni di grossa taglia questi sono sincroni e la velocità di rotazione dell’asse che generano dipende dalla frequenza e dalle coppie polari del motore secondo la formula:
𝑛𝑜= 60 𝑓
𝑝 (3.2)
Per motori asincroni, invece il numero di giri di sincronia non viene mai raggiunto ma la coppia a regime è in corrispondenza di un valore ridotto:
𝑛𝑁= 𝑛𝑜(1 − 𝑠) (3.3)
Dove s rappresenta lo scorrimento e assume valori compresi tra il 3% e il 7%.
• Elica: essendo i motori elettrici macchine invertibili per ottenere una rotazione contraria dell’asse sarà necessario invertire il collegamento di due delle tre fasi che compongono il circuito di alimentazione del motore. Nel caso di propulsione elettrica si ha quindi una libertà più ampia nello scegliere tra elica a pale fisse o orientabili.
3.3 Sistemi di controllo della propulsione elettrica
Questo tipo di propulsione ha una tecnologia molto avanzata e prevede perciò un sistema di controllo e pilotaggio molto complesso.
Esistono tre livelli di controllo come rappresentato in Figura 3.6.
Figura 3.6 – Schema dei sistemi di controllo, gestione e regolazione della propulsione elettrica
• La regolazione primaria è un controllo a livello locale ed è perciò molto veloce (circa 1 ÷ 30 secondi). Esso consente attraverso delle retroazioni di calcolare un valore di errore in riferimento ad una grandezza ‘’set’’ e, attraverso un regolatore PID (Proportional Integral and Derivative), erogare un segnale che consenta di ottenere in uscita al sistema la grandezza voluta. Questo tipo di regolazione è presente per ogni MCI per cui viene controllata, ad esempio, la velocità di rotazione (o la coppia) agendo sull’apertura della valvola di mandata di combustibile comandandone la portata.
Figura 3.7 – Regolatore PID
Un ulteriore controllo primario è quello presente per la regolazione dei generatori elettrici. La tensione e la frequenza vengono misurate e, secondo lo stesso principio precedentemente illustrato, si procede con una variazione sull’eccitazione tale per cui si ottengano i valori voluti.
• La regolazione secondaria, o PMS (Power Management System), è un controllo medio – lento (circa 5 ÷ 30 minuti). Esso regola i valori ‘’set’’ precedentemente menzionati. Sulla frequenza, ad esempio, è necessario questo tipo di controllo perché quando si aumenta il carico esiste una legge per cui la frequenza a cui si stabilizzerebbe il sistema è diversa da quella originale. Si deve agire sulla legge e in particolare sul numero di giri dell’eccitatore del generatore in modo da alzare le curve e ottenere la frequenza voluta.
Figura 3.8 – Speed Drop
Quello che si ottiene per la frequenza è visualizzato in Figura 3.9 ma si precisa che per quanto riguarda la tensione il discorso è molto simile.
Figura 3.9 – Andamento della frequenza nel tempo conseguente ad una perdita parziale di potenza e alla reazione del sistema di controllo
• La regolazione terziaria, o EMS (Energy Management System), è un controllo molto lento ed è il cuore del sistema elettrico della nave che consente di ottimizzare la propulsione. Essa seleziona, a seconda della potenza richiesta dal sistema, quali motori dovranno funzionare e con quale percentuale di carico. Queste decisioni vengono fatte dal sistema sulla base di considerazioni operazionali, prestazionali ed economiche (Economic Dispatch).
3.4 Possibili varianti
Come detto in precedenza il sistema di propulsione elettrico consente di avere molta libertà di progettazione per quanto riguarda l’architettura e le configurazioni possibili.
Negli ultimi anni sta prendendo campo, soprattutto nel settore crocieristico, una configurazione molto all’avanguardia che prevede il concetto raffigurato in Figura 3.2 che prende il nome di IPS (Integrated Power Systems) o IEP (Integrated Electric Propulsion). Tale concetto si basa sul fatto di alimentare i carichi di bordo dalla stessa sbarra utilizzata per la propulsione. Ovviamente la tensione presente sulla sbarra è in alta tensione (High Voltage, HV) e per alimentare le utenze deve essere ridotta tramite l’installazione di adeguati trasformatori che abbassano la tensione seconda dell’applicazione a 230 V per il sistema elettrico della nave o 24/48 V per, ad esempio, l’alimentazione del sistema radiofonico. In tale configurazione i motori ausiliari per l’alimentazione dell’energia elettrica possono, quindi, non essere presenti. Questo consente di avere un sistema più flessibile e a rendimento maggiore a discapito di una maggiore complessità impiantistica con sistemi di controllo e automazione più raffinati.
Una possibile variante rispetto alla IEP si basa sul fatto che la sbarra principale può essere adibita solamente alla propulsione e può essere presente un sistema elettrico indipendente, con una propria sbarra, che fornisca energia ai servizi di bordo con la conseguente presenza di generatori ausiliari che sono sempre in condizione di funzionamento.
Si è visto che per controllare la frequenza e la tensione in maniera rapida si può agire sul sistema di pilotaggio della conversione di energia. Esiste un metodo che permette di cambiare la frequenza di un sistema elettrico senza dover necessariamente effettuare le trasformazioni AC/DC e DC/AC. La tecnologia prende il nome di cicloconvertitore e permette di effettuare un passaggio AC/AC modificandone la frequenza.
Figura 3.10 - Cicloconvertitore trifase
Come si vede dalla Figura 3.10 questo sistema ha bisogno di un numero elevato di componenti e quindi risulta essere maggiormente soggetto a guasti oltre ad avere un costo più elevato. Inoltre, questo sistema ha il limite che la frequenza di uscita segue la legge:
𝜔𝑜𝑢𝑡 ≤ 𝜔𝑖𝑛
3 (3.4)
Nel caso della propulsione navale questo limite non costituisce un vero problema, infatti se la tensione di alimentazione ha una frequenza di 50 Hz, 𝜔𝑖𝑛, in termini di numero di giri, risulta essere:
Da cui deriva che:
𝑛𝑜𝑢𝑡 ≤ 1000 𝑟𝑝𝑚 (3.6)
Le eliche, in genere, non raggiungono mai tale velocità di rotazione per limiti tecnologici e per evitare il fenomeno della cavitazione, che danneggia l’elica e ne riduce drasticamente le prestazioni.
3.5 Vantaggi della propulsione elettrica navale
• Riduzione delle dimensioni del locale apparato motore: L’assenza della linea d’asse meccanica rende la disposizione dei gruppi elettrogeni libera da vincoli. In questo modo si possono ottimizzare gli ingombri della sala macchine disponendo i motori su ponti superiori o verso poppa liberando così la parte centrale che può essere adibita, ad esempio, al carico o all’ottimizzazione della sistemazione di cabine o aree di servizio;
• Riduzione della potenza installata: La possibilità di ottimizzare la propulsione consente di installare meno potenza, soprattutto nei casi in cui il carico di bordo è alimentato dai motori principali come nella IEP. In questo caso la riduzione di potenza installata risulta essere, in genere, circa del 15%;
• Diminuzione dei costi di esercizio e manutenzione: Il frazionamento su più motori fa sì che questi lavorino vicino alle condizioni ideali di funzionamento, inoltre, lavorando spesso a numero di giri costanti, o con una piccola variazione, sono presenti meno fluttuazioni. Questo consente di avere un costo di manutenzione ridotto, inoltre, si ha, in genere, un costo di esercizio inferiore grazie all’ottimizzazione che, se ben progettata, consente di compensare l’abbassamento di rendimento conseguente alla doppia conversione di energia necessaria;
• Flessibilità di manovra maggiore: Il controllo della velocità dell’elica è fornito dal sistema di pilotaggio dei convertitori e questi consentono di effettuare modifiche al funzionamento molto rapide. Inoltre, il funzionamento a numero di giri quasi costante dei MCI consente di avere dei punti di lavoro con limitate variazioni all’interno del diagramma di carico. Per questo motivo raramente il motore avrà comportamenti off - design, come ad esempio lavorare in punti di funzionamento ad un numero di giri superiore a quello massimo o inferiore a quello di autosostentamento, causando lo spegnimento. La propulsione elettrica, come precedentemente già riportato, consente di ottenere l’inversione del moto in maniera rapida. In questo caso si ha quindi la possibilità di utilizzare eliche a pale fisse invece che orientabili. Queste hanno un rendimento maggiore, ma potendo
utilizzare la configurazione di spinta nulla per navi che durante la loro vita effettuano molte manovre, come traghetti e crociere, si predilige spesso l’utilizzo di eliche a pale orientabili;
• Grande affidabilità e sicurezza delle apparecchiature: La propulsione elettrica presenta una grande ridondanza dei sistemi, infatti, la perdita di un gruppo elettrogeno non compromette la mobilità della nave. La liberà di posizionamento del sistema permette di progettare centrali elettriche in locali distinti. Questo aspetto è molto importante per le navi militari, ma anche per le altre tipologie permette di avere ridondanza in caso di incendio o allagamento. Inoltre, i componenti elettronici hanno, in genere, un’affidabilità maggiore rispetto a quelli meccanici;
• Riduzione delle vibrazioni: Nel settore militare, crocieristico e dei megayacht questo aspetto assume un’importanza di rilievo perché esso garantisce ottimi livelli di silenziosità e confort. I motori a combustione interna, lavorando a velocità costante, possiedono uno spettro di frequenza ridotto. I motori elettrici provocano vibrazioni estremamente limitate.
Capitolo 4: M/N La Suprema
4.1 Premessa
Lo studio di questa tesi si propone di analizzare gli eventuali benefici derivanti da un repowering di una nave esistente per il quale si analizzano le efficienze energetiche, gli aspetti economici e quelli legati alle emissioni inquinanti, che sono strettamente collegati al tema normativo a cui si è fatto cenno al paragrafo 1.3.
Eseguire uno studio di questo tipo ha l’enorme vantaggio di non dover analizzare nuovamente tutti gli aspetti che stanno a monte di un progetto, quali indagini di mercato e studi di fattibilità della nave. Si confrontano diversi sistemi di propulsione mantenendo inalterato il restante progetto senza andarne quindi a modificare, ad esempio, capacità, dimensioni o carico elettrico, nonostante delle variazioni nell’impianto di propulsione modifichi il peso e lo spazio occupato dalla sala macchine.
4.2 La nave
La Suprema è un traghetto RORO - pax di proprietà della Compagnia di Navigazione italiana Grandi Navi Veloci (GNV), appartenente al Gruppo Grimaldi, che è stato costruito da Nuovi Cantieri Apuania in provincia di Massa - Carrara e varato nell’agosto del 2002.
Figura 4.1 – Nuovi Cantieri Apuania
Al momento della sua costruzione La Suprema, con i suoi 211.5 metri di lunghezza e una larghezza pari a 30.4 metri, era il più grande traghetto in navigazione nelle acque del Mar Mediterraneo al pari del suo gemello La Superba. Furono poi, nel 2008, superate in dimensioni dal Cruise Roma appartenenti alla società Grimaldi.
Con un costo intorno ai 120 milioni di dollari la nave ha una capacità di 2920 passeggeri alloggiati in 567 cabine e 940 poltrone con la possibilità di imbarcare 984 automobili con una lunghezza di 2800 metri lineari di carico distribuiti in 4 garage.
La Suprema entrò in servizio nel maggio 2003 sulla rotta Genova - Porto Torres. Negli anni seguenti la nave e la gemella La Superba furono impiegate dalla compagnia italiana su diversi collegamenti nazionali, tra i quali la linea Genova – Palermo, che tutt’oggi è la principale rotta della nave. Occasionalmente La Suprema è stata utilizzata anche per minicrociere nel Mediterraneo, soprattutto nel periodo di Capodanno.
Nell'autunno 2017 La Suprema fu ormeggiata a Portorico, dove fu impiegata come alloggio per il personale impiegato nei soccorsi alla popolazione dell'isola, colpita da un forte uragano.
Figura 4.2 – La Suprema ormeggiata a Porto Rico
Dal 22 ottobre 2020 fino al 31 gennaio 2021 la nave è stata noleggiata dallo Stato italiano come nave - quarantena per i migranti sbarcati a Lampedusa, in Sicilia, durante l’emergenza sanitaria conseguente alla pandemia di COVID – 19.
4.3 Le caratteristiche tecniche
In Tabella 4.1 sono riportate le dimensioni principali della nave modello e le capacità di trasporto in termini di passeggeri e di metri lineari di carico che individuano la somma della
lunghezza delle corsie dei garage adibiti al trasporto di auto e camion imbarcati dai passeggeri.
M/N ''La Suprema''
LOA 211.5 m
LPP 186.21 m
B 30.4 m
T 7.45 m
Stazza Lorda 49257 TSL
DWT 9720 t
Δ 26376 t
V 25733 m3
n° cabine 567
Passeggeri 2920
Capacità carico 984 auto o 2800 metri lineari (LTC)
Tabella 4.1 – Dimensioni e capacità
Di seguito vengono presentati i principali dati tecnici della nave ‘’La Suprema’’ per l’impianto di propulsione nella sua configurazione originale.
M/N ''La Suprema''
Velocità massima 30 kn
Velocità di progetto 28 kn
Propulsione 4 Wärtsilä 16V46C, PTOT = 67200 kW Generazione elettrica 4 Wärtsilä - Vasa 6R32LNE, PTOT = 9720 kW i (rapporto di riduzione) 3.361
p (numero di propulsori) 2
D eliche 5.7 m
Tabella 4.2 – Prestazioni e propulsione
Figura 4.3 – La Suprema in navigazione
Per questa nave è nota anche la curva di resistenza a rimorchio in condizione di acqua tranquilla. Tale curva è molto importante perché determina, mediante la catena dei rendimenti dell’impianto, la potenza meccanica che i motori a combustione interna devono produrre per la movimentazione della nave alle varie velocità.
Figura 4.4 – Resistenza a rimorchio della nave modello
4.4 Attuale configurazione del sistema di propulsione
Il sistema propulsivo, ad oggi impiegato sulla M/N “La Suprema”, è composto da quattro MCI principali Wӓrtsilӓ 16V46C aventi potenza pari a 16800 kW funzionanti ad un numero di giri di 500 rpm in condizioni di MCR (Maximum Continuous Rating). Tali motori, che sono configurati a gruppi di due per ciascuna linea d’asse, sono accoppiati, mediante riduttori di giri (con rapporto di riduzione i = 3.361), a due eliche a pale orientabili del diametro di 5.7 m. Tale sistema è capace quindi di fornire una potenza meccanica al freno complessiva pari a 67.2 MW nel caso in cui i quattro motori siano in funzione contemporaneamente. Questa configurazione è molto simile a quella rappresentata in Figura 3.1.
Come si può vedere dalla Tabella 4.2 la velocità di progetto è 28 nodi, mentre quella di punta, raggiungibile nella configurazione di piena potenza, risulta essere intorno ai 30 nodi.
Per questa tipologia di nave la velocità mantenuta durante la navigazione è strettamente correlata con la rotta scelta dall’armatore. Per motivi logistici e legati al mercato la nave dovrà imbarcare e sbarcare i passeggeri ad orari che siano compatibili con le esigenze degli stessi, perciò la velocità che la nave dovrà mantenere durante la navigazione è legata dalla distanza dei due porti, ma non sarà necessariamente la più alta o quella con cui si otterranno consumi minori. Le navi di questa tipologia dovranno essere progettate quindi per un ampio range di velocità, in modo da poter rendere un buon profitto per un numero maggiore di rotte possibili.
La M/N La Suprema, ad esempio, ha ridotto le velocità di navigazione rispetto a quella che è considerata di progetto e, in seguito anche alla sostituzione delle eliche recentemente effettuata, la nave utilizza soltanto due dei quattro motori principali, con un fattore di carico che varia dal 72% all’80% del MCR a seconda della rotta effettuata.
Attualmente, il traghetto, effettua la tratta Genova – Palermo ad una velocità media di 22.5 nodi, che permette di coprire la distanza di 427 miglia nautiche in 19 ore e di effettuare quindi un collegamento giornaliero tra i due porti. Il profilo operativo, infatti, prevede, oltre al tempo impiegato per la navigazione, uno di manovra della durata di un’ora e una fase per l’imbarco - sbarco in porto, comprensivo delle operazioni per il rifornimento, della durata di circa quattro ore. La velocità di percorrenza tra i porti di Genova e Palermo è ottenuta utilizzando un motore di propulsione per linea d’asse con un carico del 75%
ciascuno.
Figura 4.5 – Rotta Genova - Palermo
Tabella 4.3 - Distanza, tempo di navigazione e velocità media della tratta attuale
4.5 Fabbisogno elettrico e termico
Il fabbisogno elettrico è soddisfatto da quattro gruppi elettrogeni DD/GG Wärtsilä - Vasa 6R32LNE, che producono una potenza al freno di 2430 kW ciascuno ad un numero di giri pari a 720 rpm in condizioni di MCR. Sono configurati in parallelo con diversi fattori di carico a seconda della condizione e della stagione, riuscendo a generare una tensione pari a 440 Volt ad una frequenza di 60 Hz.
Il bilancio elettrico di una nave considera, per ogni utenza elettrica di bordo, il relativo carico assorbito e il fattore di utilizzo durante l’esercizio, ossia la percentuale stimata del tempo nel quale il componente è funzionante. Per la tratta Genova – Palermo si ha a disposizione il valore complessivo della potenza assorbita, al netto del fattore di utilizzo, di tutti gli elementi nelle varie condizioni: navigazione, manovra e sosta in porto. Come si può notare dalla Tabella 4.4, nel periodo estivo la richiesta elettrica è decisamente maggiore in
Genova-Palermo [nm] 427
n ore 19
Velocità media [kn] 22.5
TRATTA
quanto il sistema di condizionamento è molto spesso attivo e vi sono un numero maggiore di servizi disponibili a bordo per i passeggeri.
Di seguito è riportata la tabella riassuntiva che presenta i valori del carico elettrico nelle diverse condizioni di esercizio della nave, corretto mediante il fattore di contemporaneità ξ, il quale tiene conto che i carichi elettrici non vengono considerati tutti funzionanti nello stesso momento. Per ogni condizione è quindi possibile calcolare il carico elettrico totale e il numero di diesel generatori che soddisfano la richiesta elettrica conoscendo la potenza al MCR dei DD/GG.
Condizione Pelrichiesta ξ Pel = Pelrichiesta * ξ N° DDGG Load factor DDGG
[kW] [-] [kW] [-] [-]
Navigazione estiva (19 h) 4832 0.9 4349 3 0.60
Navigazione invernale (19 h) 3749 0.9 3374 2 0.72
Manovra (1h) 5162 0.9 4646 3 0.67
Carico - Scarico (4 h) 3207 0.9 2886 2 0.62
Tabella 4.4 - Frazionamento della potenza elettrica estrapolato dal bilancio elettrico della nave considerando il fattore di contemporaneità (ξ)
A bordo di tutte le navi, ma in fattispecie di quelle adibite al trasporto di passeggeri, come crociere e RORO – pax, il fabbisogno di vapore per alimentare alcuni sistemi di bordo è essenziale. Vi è la necessità ad esempio di ottenere acqua calda, utilizzabile per i servizi igienici, e per il riscaldamento degli ambienti nei periodi più freddi dell’anno, in modo da raggiungere elevati livelli di comfort. La richiesta di vapore saturo più elevata è data dalla necessità di preriscaldare alcuni tipi di combustibile utilizzati per alimentare i motori a combustione interna. La richiesta di vapore saturo è particolarmente elevata nel caso dell’utilizzo di HFO come combustibile perché, per via della sua elevata viscosità, come precedentemente accennato nel capitolo 2, ha bisogno di essere portato ad una temperatura di almeno 40° C per essere movimentato nelle tubazioni di adduzione alla pompa di iniezione e quindi ai cilindri dei motori.
