Factores de emisión procedentes de las plantas energéticas en el transporte marítimo. Revisión de los valores basados en pruebas reales a bordo

Abstract

A día de hoy el mundo científico es conocedor del gran impacto medioambiental que suponen las emisiones contaminantes procedentes del tráfico marítimo, además de las gravísimas repercusiones que conllevan para la salud humana. Para poder cuantificar esta problemática, se precisa disponer de un procedimiento de medida lo más actualizado posible o, al menos, de un estudio que permita realizar un análisis comparativo que cuantifique las posibles desviaciones que pudieran existir.

Motivado por lo anterior, se ha desarrollado este trabajo de tesis doctoral para calcular los valores de los factores de emisión de los principales contaminantes procedentes de la planta energética de dos buques mercantes, todo ello a partir de mediciones a bordo y datos operacionales. Una vez calculados estos factores de emisión reales, se han comparado con los empleados hasta ahora por la comunidad científica internacional para su análisis. En este estudio se han utilizado equipos específicos de alta resolución que han permitido medir las emisiones gaseosas y material particulado en diferentes motores diésel marinos. Este equipamiento pertenece al grupo de investigación de “Eficiencia Energética en el Transporte Marítimo” dentro del cual se ha desarrollado esta tesis. Grupo que acumula una amplia experiencia en este campo, contrastada con diversos artículos publicados en revistas de alto índice de impacto empleando valores de factores de emisión publicados por otros autores, otro motivo más para contrastar los mismos con pruebas reales realizadas a bordo.

En este sentido cabe destacar que el total de emisiones procedentes de una máquina o motor térmico de la planta energética de un buque, es directamente proporcional a los factores de emisión de cada uno de los contaminantes que se forman en el proceso de combustión de la máquina en cuestión. Estos factores normalmente están definidos en unidades relacionadas, bien con el consumo de combustible, o bien con la energía consumida en kWh por cada máquina térmica en concreto. Por otro lado, los factores de emisión (valores estadísticos) dependen del tipo de máquina en la que se produce la combustión y del tipo de combustible empleado en la misma. Estos valores no han sido revisados desde hace décadas, lo cual puede ocasionar serias incertidumbres cuando se cuantifican los inventarios de emisiones. Máxime, si se tiene en cuenta que, de un tiempo a esta parte, se están empleando otros tipos de combustibles precisamente con el objetivo fundamental de disminuir dichas emisiones. Quiere esto decir, que son combustibles cuyos factores de emisión son de un valor inferior al de los convencionales. Consecuentemente, disponer de unos factores de emisión actualizados ayudaría a disminuir el índice de incertidumbre y, además, permitiría avanzar en el campo de la investigación de la eficiencia energética en las instalaciones marinas/marítimas, objetivo fundamental del grupo de investigación que respalda este trabajo.

Debido básicamente a las modificaciones que están sufriendo actualmente los motores diésel instalados en los barcos, se puede sospechar que los factores de emisión utilizados en la actualidad también han podido sufrir algunos cambios en sus valores. Todo ello promovido y potenciado por la legislación existente actual, como es el caso de la regulación IMO Tier III (2016), la cual restringe aún más los límites de emisión en las zonas ECAs (Áreas de Control de Emisiones), pretendiendo reducir en un 80 % las emisiones de óxidos de nitrógeno en comparación con la regulación IMO Tier I en las mismas zonas, y limitando el contenido de azufre en el combustible en diferentes proporciones según el caso hasta un 0,1 %.

Como ya se ha comentado anteriormente, en esta memoria se han definido los valores de factores de emisión mediante mediciones reales a bordo para poder ser comparados con los ya conocidos. Actualmente existen estudios en los que los factores de emisión se definen por tipo de barco, pero no distinguen entre buques que transportan carga rodada (Ro-Ro), carga rodada y pasajeros (Ro-Pax) o buques tipo Ferry en general. En este trabajo la medición de emisiones se ha llevado a cabo en dos buques tipo Ro-Pax, por lo que se ha conseguido al mismo tiempo definir dichos valores de forma específica para este tipo de buques.

Las mediciones han sido realizadas durante diez días en cada buque, tanto en condición de navegación para motores principales, como atracado en puerto para motores auxiliares. En ambos casos las medidas se han registrado cada cinco minutos, lo que ha supuesto un total de 720 registros para los principales y más de 500 para los auxiliares.

Como bien expresa el título de esta tesis “Factores de emisión procedentes de las plantas energéticas en el transporte marítimo. Revisión de los valores basados en pruebas reales a bordo”, el principal objetivo de ésta es analizar y revisar los valores de los factores de emisión de los distintos contaminantes que emiten las instalaciones energéticas marítimas. El análisis desarrollado en este trabajo se ha enfocado en el cálculo de la masa de cada contaminante emitido a la atmósfera por unidad de energía, siendo precisamente la energía el parámetro más dificultoso de determinar cuándo se analiza en tiempo real. En este sentido, se han empleado tres métodos distintos para el cálculo de la potencia desarrollada por los motores, como son las galgas extensiométricas, el modelo SENEM y el análisis de la carga en tiempo real.

Los resultados obtenidos muestran que en ningún caso los valores de los factores de emisión calculados han supuesto unas desviaciones superiores al 7 % con respecto a los utilizados actualmente por la comunidad científica para motores auxiliares y al 10 % para principales.

Nowadays scientific community is aware of the substantial environmental impact that entails the pollutant emissions from shipping, in addition to the extremely significant consequences for the human health. With the aim of assessing this issue, it would be required to have an up-to-date measuring procedure or, at least, a research study that allows a comparative analysis to evaluate any potential deviations. Based on the above, this PhD thesis has been developed to calculate the main pollutant emission factors coming from the power plant of two merchant ships, following the required onboard testing and operational parameters. Once these actual emission factors have been obtained, they have been compared to the ones used so far by the international scientific community for evaluation. For this, high resolution specific measuring equipment for gas emissions and particulate matter on different diesel marine engines have been used in this study. This equipment belongs to the “Energy Efficiency in Maritime Transport” research group, for which this PhD thesis has been prepared. This research group holds a wide experience in this field backed up by several papers published in journals of high impact index, using emission factors from other authors, which may be considered as another reason to compare and contrast with actual tests carried out onboard. In this sense, it is worth highlighting that the total emissions from an engine in a ship power plant are directly proportional to the emission factors of each pollutant originated in the combustion process. These factors are usually defined in units related to either the fuel consumption or the consumed energy by each specific engine in kWh. On the other hand, the emission factors (statistics values) depend on the type of engine in which the combustion process takes place and the type of fuel that is used. These values have not been revised for decades, which may cause serious uncertainties when the emissions inventories are elaborated, especially considering that not long ago other type of fuels were used with the main objective of minimizing said emissions. This means that the emission factors of these fuels are lower than the ones for the conventional fuels. Therefore, using available up-to-date emission factors would help in reducing their uncertainty, in addition to further progressing with the energy efficiency research in the marine/maritime facilities which, at the same time, is the primary purpose of the research group that supports this study. Due to the current adjustments being made on ships’ diesel engines, it may be ascertained that the actual emission factors used today might have suffered some changes. All of this is promoted by the existing legislation, such as the IMO Tier III (2016) regulation, which restricts even more the emission limits in ECAs (Emission Control Areas). This intends to reduce the nitrogen oxide emissions in up to 80 % in comparison to the IMO Tier I regulation within the same areas, as well as limiting the fuel’s sulphur content up to 0.1 %. As already mentioned, the emission factors have been determined by means of actual onboard measurements in two different ships, and compared to the existing ones. At present, there are studies in which the emission factors are defined by ship type, but there is no distinction between ships carrying wheeled cargo (Ro-Ro), ships carrying wheeled cargo and passengers (Ro-Pax) or Ferry type ships in general. Therefore, for this study, the emissions measurements have been undertaken in two Ro-Pax type ships, so these values have also been determined specifically for this type of ships. The measurements were made during ten days in each ship, both in sailing and berthing conditions for the main and auxiliary engines, respectively. In both cases, the measurements have been taken each five minutes, meaning a total of 720 records for the main engines and more than 500 records for the auxiliary ones. As stated by title of this PhD thesis “Emission Factors from Energy Facilities in the Maritime Transport. Review of the values based on actual onboard measurements”, its principal objective is to review and assess the different pollutant emission factors emitted by the maritime energy facilities. The analysis developed in this study focuses on the calculation of the mass of each pollutant per unit of energy that is emitted to the atmosphere, being the energy the most difficult parameter to obtain when it is measured in real time. In this regard, three different methods were used to estimate the engine power, like the strain gauges, the SENEM model and the engine load real-time-analysis. The results obtained show that the calculated emission factors do not entail deviations above 7 % in relation to the ones currently used by the scientific community for auxiliary engines and above 10 % for the main engines in any case.