Cálculo de EEDI para buque Ro-Ro (año 2011)

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PROYECTO Estrategias de Reducción de la Emisión de CO2 en el Transporte Marítimo.

Cálculo del EEDI para un buque Ro-Ro.

Universidad de Salamanca

E. E. Renovables y Eficiencia Energética

Contenidos Introducción .................................................................................................................................. 3 Evolución de las regulaciones sobre eficiencia energética en buques ......................................... 4 Situación Actual ............................................................................................................................. 6 Obligatoriedad de los índices y el plan.......................................................................................... 7 Borrador de Obligatoriedad ...................................................................................................... 7 Directrices sobre el método de cálculo del Índice de Diseño para la Eficiencia Energética Alcanzado para nuevos buques. ................................................................................................ 9 Cálculo del EEDI ........................................................................................................................... 14 Descripción del buque ............................................................................................................. 14 Cálculos Preliminares .............................................................................................................. 17 CF ......................................................................................................................................... 17 Vref ........................................................................................................................................ 17 Capacidad ............................................................................................................................ 20 Potencia ............................................................................................................................... 20 PPTO ...................................................................................................................................... 20 PAE ........................................................................................................................................ 21 SFC ....................................................................................................................................... 22 Resto de Factores ................................................................................................................ 22 EEDI ......................................................................................................................................... 23 Bibliografía .................................................................................................................................. 25

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Introducción El transporte marítimo es el medio de transporte más eficiente desde el punto de vista energético, como se ve en la siguiente figura, pero esto no es óbice para que el sector se una a los esfuerzos generales en la reducción en la emisión de gases de efecto invernadero.

De acuerdo con el Segundo Estudio de la OMI sobre GHG de 2009 el transporte marítimo internacional representa el 2,7% de las emisiones generadas por el hombre en 2007. Los gases de escape son la fuente principal de emisiones de GHG de los buques y el dióxido de carbono es el más importante de estos gases tanto por cantidad como por potencial influencia en el cambio climático.

La OMI (Organización Marítima Internacional) brazo de las Naciones Unidas encargado del transporte marítimo es la encargada de regular dicho transporte mediante diferentes Convenios que regulan diferentes aspectos de la industria. Dentro de estos pueden señalarse por su importancia el Convenio SOLAS (Safety of Life at Sea) que regula las condiciones de seguridad de los buques o el Convenio MARPOL (Maritime Pollution) que regula la contaminación provocada por los buques.

Uno de los chomites técnicos de este organismo, el MEPC (Marine Enviroment Protection Comitee) es el encargado de discutir todas las reglas y convenios relacionados con el medio ambiente (el Convenio MARPOL por ejemplo).

En este comité y con visos a ser incluido en el Convenio MARPOL ya comentado se ha estado desarrollando un trabajo que tiene como objetivo incrementar la eficiencia energética en buques y a través de esta mejora la reducción de la emisión de GHG.

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Evolución de las regulaciones sobre eficiencia energética en buques En 1997 en una conferencia internacional sobre el MARPOL se adopto una resolución sobre las emisiones de CO2 en la que se instaba al MEPC a considerar que estrategias de reducción de emisiones de CO2 y otros contaminantes atmosféricos y marinos, así como a la realización de un estudio que caracterizará la cuota del transporte marítimo en las emisiones globales.

En 2000 se presento el primer informe sobre GHG. En 2003 la Asamblea de la IMO (el órgano más importante de la organización) adoptó una Resolución (la A.963(23) que se adjunta) sobre “Políticas y Prácticas de la IMO relacionadas con la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero de los buques” que urgía al MEPC a identificar y desarrollar los mecanismos necesarios para lograr una limitación o reducción de las emisiones de GHG del transporte marítimo internacional.

En la reunión nº 53 del MEPC (Julio de 2005) se aprobaron unas “Directrices para la indexación voluntaria de las emisiones de CO2 para uso en pruebas” En la reunión del grupo de trabajo en Oslo (junio 2008) se desarrollo todo el régimen de control de emisiones que está empezando a entrar en vigor ahora (a excepción de los cambio que se produzcan en la reunión de trabajo que se producirá en Marzo 2011). Durante una semana, 210 delegados de todo el mundo desarrollaron las bases técnicas del mecanismo que formará parte del régimen de control IMO de las emisiones de GHG. En esta reunión se hicieron progresos en el desarrollo de Índice de Diseño CO2 obligatorio para todos los buques y un Índice Operacional interino (ambos no en vigor todavía) En la sesión nº 58 (Octubre 2008) se hicieron importantes avances en el desarrollo del Índice de Diseño de Eficiencia Energética (EEDI) para buques nuevos y un Índice Operacional de Eficiencia Energética, con unas Directrices asociadas a cada uno de ellos. Se avanzo además en un Plan de Gestión de la Eficiencia Energética adecuado para todos los buques y un Código Voluntario sobre buenas prácticas para la operación energéticamente eficiente de los buques.

En la segunda reunión intersesional del grupo de GHG emisiones (Marzo 2009) se analizaron un gran número de “papers” de las diferentes partes y se trabajo en el refinamiento del Índice de Diseño de Eficiencia Energética (EEDI), el Índice Operacional de Eficiencia Energética (EEOI) y el Plan de Gestión de la Energía en los Buques (SEMP). Las conclusiones se presentaron a la MEPC 59 para su aprobación.

En la reunión nº 59 se acordó repartir entre el público el paquete de medidas ya comentadas para su aplicación voluntaria así como la proposición a futuro de medidas basadas en el mercado que incentiven a la industria en el sentido de la reducción de las emisiones. Estas medidas serán de prueba hasta la reunión nº 60 del MEPC (Marzo 2010). Estas medidas se expresa finalmente en las Circulares 681‐684 (que se adjuntan). Se informa a las reuniones del Protocolo de Kyoto de los avances.

En la reunión nº 60 del MEPC se retrasan las decisiones hasta la siguiente reunión, ya que aunque se han generado los borradores de los requisitos obligatorios para el EEDI para los 4

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buques nuevos, y el SEEMP para los buques existentes, existen todavía discusiones abiertas sobre tamaño de los buques, reducción de emisiones entre otras. Se decide que el EEDI de un buque nuevo debe ser menor (es decir más eficiente) que el EEDI requerido que saldrá de unas “baselines” todavía por determinar. Se dan directrices sobre como calcular esas líneas de base utilizando los datos de buques existentes recogidos en la base de datos Lloyd´s Register Fairplay.

Por último (hasta la actualidad, ya que se va a celebrar una reunión intersesional en Marzo 2011) en la reunión nº 61 se tomaron varias decisiones (sin consenso): Desde el punto de vista técnico y operacional se hicieron obligatorios (según un calendario) el EEDI y el SEEMP que ya habían sido repartidos para su uso voluntario.

Desde el punto de vista de las medidas basadas en el mercado se organizo la reunión intersesional ya comentada.

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Situación Actual La situación actual es la que emana de la reunión nº 61 del MEPC y anteriores. Es decir: •

•

• •

•

Borrador del Reglamento que hará obligatorios el EEDI y el SEEMP. Como borrador se entiende que es provisional pero nos da un calendario de aplicación y una idea de cómo será esta.

Directrices para el cálculo de la línea de referencia a usar con el EEDI. Esto nos permitirá calcular una media del EEDI de la flota existente a partir del cual se medirán las mejoras.

Directrices para la inspección y certificación del EEDI. Nos da las directrices de cómo se realizará la inspección y certificación de el mencionado EEDI. Directrices en el método de cálculo del EEDI. Nos dará las fórmulas a aplicar para cada tipo de buque. No se concluyo en el MEPC 61. Utilizará como base la Circular actual sobre el tema.

Directrices para el SEEMP. Ayudará a los buques existentes a alcanzar la limitación de emisiones. Estas directrices se están desarrollando usando la Circular 684.

Por tanto, la Documentación en vigor en este momento y de la que emanará la definitiva y que se utilizará en este trabajo para el cálculo del EEDI: •

•

• • •

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Borrador del Reglamento que hará obligatorios el EEDI y el SEEMP. Como borrador se entiende que es provisional pero nos da un calendario de aplicación y una idea de cómo será esta.

Directrices para el cálculo de la línea de referencia a usar con el EEDI. Esto nos permitirá calcular una media del EEDI de la flota existente a partir del cual se medirán las mejoras.

Directrices para la inspección y certificación del EEDI. Nos da las directrices de cómo se realizará la inspección y certificación de el mencionado EEDI. Directrices en el método de cálculo del EEDI. A falta de decisión por parte de la MEPC 61, se utilizarán las conclusiones de la Intersesional anterior.

Directrices para el desarrollo de las tablas de potencia eléctrica para el EEDI (EPT‐ EEDI). Desarrolladas en reuniones anteriores y recogidas también en la inetersesional.

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Obligatoriedad de los índices y el plan Una vez señalado el marco normativo que circunscribe los cálculos a realizar (tarea relativamente compleja dado el carácter provisional de las reglas) pasaremos a definir las principales fechas, limites y aplicación, así como las principales variables a tener en cuenta para el cálculo del EEDI.

Borrador de Obligatoriedad Las reglas sobre EEDI no se aplicarán ni a buques de menos de 400 GT, a aquellos que no participan en el transporte internacional, ni a aquellos que tengan propulsión diesel‐eléctrica, con turbina o sistemas de propulsión híbridos.

Se calculará un EEDI Alcanzado (Attained EEDI) para cada buque nuevo en función de su tipo, según las Directrices desarrolladas por la Organización.

El EEDI Alcanzado deberá compararse con el EEDI Requerido

donde X es un factor de reducción especificado en la Tabla 1 para el EEDI Requerido comparado con la línea de referencia EEDI.

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* El factor de reducción debe interpolarse linealmente. n/a significa que no se aplica el EEDI requerido.

Las líneas de referencia se calcularán de la manera siguiente:

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Si el diseño del buque permite a un buque caer en más de una de las categorías de buques, el EEDI requerido será el más exigente.

Plan de gestión de la eficiencia Energética del Buque (SEEMP): Cada buque deberá llevar a bordo un SEEMP específico.

Directrices sobre el método de cálculo del Índice de Diseño para la Eficiencia Energética Alcanzado para nuevos buques.

Se definen los diferentes tipos de buques a los que se aplica el EEDI a través de la siguiente tabla.

Índice de Diseño para la Eficiencia Energética (EEDI) El EEDI alcanzado para los buques nuevos es una medida de la eficiencia en CO2 de los buques y se calcula siguiendo la siguiente fórmula: 9

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Donde: 1. CF es un factor de conversión adimensional entre el consumo de combustible en g y las emisiones de CO2 en gramos también. Los subíndices ME y AE se refieren al motor o motores principales y a los motores auxiliares. El valor de CF será el siguiente:

2. Vref es la velocidad del buque, medida en millas náuticas por hora (nudos), en aguas profundas en la condición de máxima carga (Capacidad) como se define en el párrafo 3 con la potencia en el eje de los motores como se define en el párrafo 5 y asumiendo que el tiempo está en calma y no hay ni viento ni olas. La máxima condición de carga se definirá con el calado más profundo y su trimado asociado, a los que al buque le está permitido operar.

3. Se define Capacidad de la siguiente manera: I. Para buques de transporte de carga seca, petroleros, gaseros, portacontenedores, cargueros ro‐ro y buques de carga general, se utilizará el peso muerto como Capacidad.

II. Para buques de pasajeros y buques de pasajeros ro‐ro, se utilizarán las GT como Capacidad.

III. Para Portacontenedores, el parámetro de capacidad se establecerá al 65% del peso muerto.

4. Peso muerto significa la diferencia en toneladas entre el desplazamiento del buque en agua de densidad relativa 1,025 kg/m3 al calado operacional más profundo y el peso en rosca del buque.

5. P es la potencia del motor principal y de los auxiliares, medida en kW. Los subíndices ME y AE se refieren al motor principal y los motores auxiliares respectivamente. El sumatorio en i es desde 1 hasta el motor n (nME).

I. PME(i) es el 75% del MCR para cada motor principal (i) después de haber deducido cualquier alternador de cola instalado:

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II. PPTO(i) es el 75% de la potencia entregada por cada generador de cola instalado dividido por la eficiencia relevante del generador de cola.

III. PPTI(i) es el 75% del consumo de potencia específico de cada motor de cola dividido por la media ponderada de la eficiencia del generador o generadores.

Si hay combinación PTI/PTO se usará el modo operacional normal en navegación.

IV. Peff(i) es el 75% de la reducción de potencia del motor principal conseguida gracias a tecnologías mecánicas innovadoras energéticamente eficientes.

V. PAeeff(i) es la reducción de potencia auxiliar debida a tecnología innovadora eléctrica energéticamente eficiente medida a PME(i).

VI. PAE es potencia requerida por el motor auxiliar para suministrar la carga máxima en la mar en condiciones normales, incluyendo la potencia necesaria para la maquinaria/sistemas de la propulsión y la habilitación, p. ej., bombas del motor principal, sistemas de navegación y de vida a bordo, pero excluyendo la potencia no necesaria para la propulsión o sistemas, p. ej. thrusters, bombas de carga, ventiladores para la refrigeración o mantenimiento de la carga, en la condición dada para la velocidad Vref y la condición de diseño dada por Capacidad.

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i. Para buques de carga con una potencia de motor principal de 10000 kW o por encima, PAE se define como:

ii. Para buques de carga con una potencia de motor principal por debajo se define como: de 10000 kW, PAE

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

iii. Para tipos de buques donde el PAE calculado antes es significativamente diferente de la potencia total usada en la navegación normal, p. ej. buques de pasajeros, el valor de PAE se estimará por el consumo eléctrico (excluyendo la propulsión).

Vref, Capacity and P deben ser consistentes entre ellas.

SFC es el consumo específico de combustible certificado, medido en g/kWh, de los motores. fj es un factor de corrección que tiene en cuenta elementos específicos del diseño del buque. Este relacionado con la categoría de hielo del buque. Se tomará 1 si no cuenta con clasificación de hielo. fw es un coeficiente adimensional que indica la reducción de velocidad para diferentes condiciones de mar reconocidas (p. ej. Escala Beaufort 6). Hasta que se desarrollen las Directrices necesarias se deberá tomar como 1 (estas directrices aún no han sido desarrolladas). feff(i) es el factor de disponibilidad para cada tecnología de eficiencia energética innovadora. feff(i) para los sistemas de recuperación de energía perdida es 1. fi es un factor de capacidad que está relacionado con cualquier limitación técnica/regulatoria en la capacidad y puede asumirse 1 si no se necesita este factor.

Eslora entre perpendiculares Lpp, a menos que se indique expresamente lo contrario, el 96 % de la longitud total de una flotación situada al 85 % del menor puntal de trazado medido desde el canto superior de la quilla, o la longitud desde la cara de proa al eje de la mecha del timón a lo largo de dicha flotación, si esta última medida fuese mayor.

En los buques de quilla inclinada, la flotación sobre la que se mida dicha longitud debe ser paralela a la flotación de proyecto. La eslora entre perpendiculares debe ser medida en metros.

Para que se entienda un poco mejor se muestra a continuación un esquema simplificado de la planta de potencia de un buque

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Cálculo del EEDI Descripción del buque

Para el cálculo del EEDI y ante la dificultad para conseguir datos de buques reales, se ha decidido utilizar un PFC de la Escuela Politécnica Superior de Ferrol de los estudios de Ingeniería Naval y Oceánica.

El Proyecto utilizado es el número 13‐01 elaborado y que se utiliza con objetivo meramente educativo.

Se trata de un Pure Roll‐on‐Roll‐off (es decir un buque de carga rodada en el que la carga entre y sale por sus propios medios) para el transporte de trailers con 1800 metros lineales de espacio de carga distribuidos en 3 cubiertas de carga.

La carga se compone de 144 trailers distribuidos de la siguiente forma: • • •

16 Cta. Doble Fondo 62 Cta. Principal 66 Cta. Superior

Las dimensiones principales del buque serán las siguientes • • • • • • • • •

Lpp B T D D sup Francobordo Cb DWT Desplazamiento

143,0 m 22,6 m 6,2 m 7,5 m 13,3 m 1,3 m 0,670 6550 T 14540 T

El buque contará con 28 camarotes individuales para la tripulación y cabinas dobles para 12 conductores.

A efectos ilustrativos se adjunta la disposición general de un buque similar al que nos ocupa.

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El buque tiene 2 motores principales de 4T de 8280 kW cada uno. Estos motores están unidos a una reductora cada uno de la que sale una línea de ejes y un alternador (PTO) de 350 kW. Además de estos motores principales habrá dos diesel generadores de 750 kW de potencia.

Un diagrama simple de la planta de potencia del buque sería el siguiente.

En la condición de navegación que es la que nos preocupa para el cálculo del EEDI se utilizarán los dos generadores de cola al 60% y uno de los grupos electrógenos al 60%.

Diesel Generadores

Cuadro Eléctrico Principal

Cargas: Bombas, Habilitación, sistemas etc.

P T O

R e d u

Motor Ppal.

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P T O

Motor Ppal.

R e d u

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Cálculos Preliminares

En primer lugar deberemos de conocer a qué tipo de los definidos en el apartado 1 de las Directrices para el cálculo del EEDI pertenece nuestro buque.

Se trata de un buque ro‐ro de los cuáles en las directrices se diferencian 4 tipos:

De estos cuatro tipos de Ro‐Ro el que nos ocupa será el Ro‐Ro cargo ship: Volume Carrier No cumple los requisitos para ser un buque de pasajeros, por lo que habrá que decidir entre sí es un transporte de vehículos, un transporte de volumen o uno de carga.

Se trata de un buque de 1800 metros lineales, por tanto: 6550 1800

3,64

4

Por tanto, se trata de un carguero Ro‐Ro: Transporte de Volumen.

Pasaremos ahora a calcular los diferentes valores a incluir en el Documento Técnico del EEDI. CF Este valor depende del tipo de combustible utilizado. El tipo de combustible utilizable viene recogido en las guías de producto de ambos motores.

Tanto los motores principales como los auxiliares pueden quemar Fuel Pesado (HFO) que es de peor calidad pero más barato, por tanto el CF a aplicar para ambos casos es 3.1144 Vref La Vref se calculará una vez que se tengan los valores de MCR. El cálculo de esta velocidad debería de hacerse con los datos del Canal de Experiencias sobre un modelo del buque y a posteriori corregirse una vez realizadas las pruebas de mar.

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Al tratarse de un primer cálculo teórico se dispondrá únicamente de una predicción de potencia realizada por el método de Holtrop para la velocidad de diseño 20 nudos.

Tomados estos datos, utilizaremos la fórmula del Almirantazgo para calcular un coeficiente C para nuestro buque que utilizaremos junto con un PB corregido para calcular el valor de Vref.

La fórmula del Almirantazgo es la siguiente /

∆

Donde PB

Potencia en el eje

Δ

Desplazamiento

V

Velocidad

C

Coeficiente

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Por tanto, la potencia a entregar por el motor al eje es de 10968 kW ∆

/

13622,921 / 20 10968,6 ∆

416 6553,13 13622,921 /

416

/

4779,3

16,85

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Capacidad Al tratarse de un buque Ro‐Ro la capacidad viene definida en 3.1 y será equivalente al peso muerto Capacidad = DWT = 6550 T Potencia La potencia del motor principal a tener en cuenta para el cálculo es el 75% de la potencia máxima continua (MCR), restándole la potencia de los PTO

0,75

9000

262,5

6553,13

PPTO La potencia será el 75% de la potencia de salida de cada generador de cola instalado dividido por la eficiencia relevante de ese generador de cola. Por tanto es el 75% de la potencia mecánica del PTO. 0,75

350

262,5

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PAE Es la potencia auxiliar necesaria para la navegación. Se calcula a través de una formula y luego se compara con los resultados del balance eléctrico del buque en la condición de navegación.

En el tipo de buque que nos ocupa ambos datos deberían estar cercanos.

La potencia de los dos motores principales es de 18000 kW, por tanto aplicaremos la siguiente ecuación 0,025

250

0,025 18000

250

700

Se encuentra muy cercano al calculado en el balance eléctrico para la condición de navegación que es aquella que nos ocupa.

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SFC Motor Principal: El consumo del motor principal se toma al 75% del MCR. A partir del 1 de Enero de 2011 entró en vigor la normativa TIER II que limita las emisiones de gases NOx, lo que conlleva un ligero aumento del consumo.

El consumo como motor principal del motor Wärtsilä 18V32 es

Es decir 180 g/kWh El consumo de los motores auxiliares Wärtsilä 6L20

Es decir 197 g/kWh

Resto de Factores El resto de factores se tomaran 1 o por la falta de sistemas que mejoren la eficiencia energética o debido a que el buque no tiene ninguna característica especial de diseño (características de hielo, etc.).

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EEDI

Una vez realizados todos los cálculos preliminares, procedemos al cálculo del índice propiamente dicho.

En la siguiente tabla se listan los parámetros a utilizar para el cálculo del EEDI PME (corregido generador cola) (kW) PAE (kW) SFCME (g/kWh) SFCAE=SFCME ya que PAE<Pgen cola (g/kWh) DWTCalado de verano (T) Vref (kn) Cf (g CO2/g fuel)

6553,13 700 180 180 6550 16,85 3,1144 ·

·

·

· 3,1144 · 6553,13 · 180 700 · 180 6550 · 16,85

36,84

Siguiendo los criterios contenidos en el borrador de obligatoriedad este EEDI (EEDI Attained) debe ser comparado con una línea base que podría definirse como el límite máximo del EEDI en función del peso muerto (EEDI Requiered) y ser menor que este.

Para comparar este EEDI utilizaremos la línea de base de DNV (Det Norske Veritas). Aún no se ha desarrollado una línea de base propia de la OMI por lo que se utilizará está desarrollada por una entidad internacional reconocida.

La línea de base de DNV para buques Ro‐Ro es la siguiente 19788 ·

,

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En el caso del buque de estudio, el resultado de esta fórmula es 37,29

Por tanto, el EEDI obtenido por el buque es menor que el requerido calculado según la curva de DNV, cumpliendo con el requisito actual.

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Bibliografía

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3. Wärtsilä, Ship Power Technology. Wärtsilä 20 Product Guide. Vaasa, 2009.

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5. MAN BW. Shaft Generators Power Take Off from the Main Engine. 1999.

6. Stefan Krüger. The Energy Efficiency Design Index (EEDI). TU Hamburg, Institute of ship design and ship safety. 2009.

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