NOx Tier III – metode de reducere a emisiilor

Odata cu cresterea volumului de marfa transportat pe mare, poluarea provocata de cele aproape 54.000 de nave aflate in exploatare a crescut simtitor. Legislatia a tinut si ea pasul astfel incat limitele impuse pentru emisii au devenit din ce in ce mai stringente. Anexa VI MARPOL reglementeaza poluarea prin emisii de  oxizi de sulf (SOx) si oxizi de azot (NOx), impreuna cu interzicerea emanarii de substante daunatoare stratului de ozon.

Principalele modificari in Anexa VI MARPOL cuprind un plan de reducere progresiva a emisiilor SOx, NOx si particule in suspensie dar si introducerea unor zone speciale (ECA) in care limitele devin si mai stringente. Standardul de emisii NOx Tier III a intrat in vigoare de la 1 Ianuarie 2016 in zonele ECA.

Ce este NOx Tier III?

Reducerea progresiva a emisiilor NOx produse de motoarele diesel navale este reglementata in MARPOL Anexa VI, avand 2 categorii:

1. Tier II – limitarea emisiilor pentru motoarele instalate dupa 1 Ianuarie 2011
2. Tier III – limitarea emisiilor pentru motoarele instalate dupa 1 Ianuarie 2016 ce opereaza in zone ECA;

Motoarele navale instalate in perioada 1 Ianuarie 1990 – 1 Ianuarie 2000 sunt reglementate de limita emisiilor Tier I, daca exista o metoda de certificare aprobata. Tier III reprezinta un standard mult mai strict cu o reducere de 80 % a emisiilor NOx fata de Tier I.

Valorile emisiilor pentru Tier III si II sunt determinate in acord cu NOx Technical Code 2008.

Parametrii controlati prin MARPOL Anexa VI Tier III sunt:

• Pentru motoarele cu turatia sub 130 rpm – 3.4 gNOx/kwh
• Pentru motoarele cu turatia intre 130 si 2000 rpm – 9*n-0.2 gNOx/kwh
• Pentru motoarele cu turatia peste 2000 rpm – 2 gNOx/kwh

MARPOL NOx Tier III

Restrictiile Tier III se aplica numai in zonele NECA (NOx Emission control area). In afara NECA, standardele Tier II sunt aplicabile. In momentul de fata zonele NECA sunt America de Nord inclusiv zona Caraibe, Marea Baltica si Marea Nordului, ultimile 2 fiind incluse incepand cu 1 Ianuarie 2021.

Standardele se aplica navelor construite incepand cu 1 Ianuarie 2016.

Sunt navele pregatite pentru a respecta conditiile?

Pentru a se conforma cu standardele Tier III, navele trebuie sa fie dotate sau modificate cu echipamente sau sisteme care pot reduce emisiile NOx sub nivelul maxim impus.

Tehnologii folosite in reducerea emisiilor NOx

1. Selective Catalytic Reduction (SCR)

Se foloseste injectia de amoniac sau uree in gazele de evacuare ale motorului. Echipamentul este compus din o baterie de catalizatoare operand la temperaturi intre 300 si 400 grade celsius. Reactia chimica intre uree/amoniac si oxizii de azon din gazele de evacuare (NO si NO2) va rezulta in azot si apa. Echipamentele SCR se monteaza pe galeria de evacuare a motorului naval, de obicei intre turbina si caldarina recuperatoare (EGB).

Pentru a a obtine emisiile reduse este necesar ca motorul sa functioneze la o sarcina de minim 40% cu temperaturi de evacuare intre 300-400 grade celsius. Daca temperatura este depasita  amoniacul va arde in catalizator si se vor deteriora echipamente foarte costisitoare. Daca temperatura scade sub 270 grade Celsius reactia nu va avea lor si se vor forma depuneri de sulfati care si acestea vor deteriora catalizatorul. Controlul parametrilor se va face prin folosirea unor clapeti de by-pass pentru SCR precum si un arzator ce mentine temperaturile necesare in situatii de sarcina redusa (slow steaming).

Exemplu de sistem de reducere a NOx prin SCR: DelNox

Sistemul SCR ofera o eficienta in reducerea emisiilor NOx de peste 90%.

2. Exhaust Gas Recirculation (EGR) :

Prin aceasta metoda o parte din gazele de evacuare sunt preluate la iesirea din turbina si directionate catre un scrubber (spala si raceste gazele) iar apoi catre colectorul de admisie (baleiaj). Se obtine astfel o reducere a emisiilor NOx de 50-60% fata de Tier I. Dezavantajul sistemului ar fi necesitatea de a deversa apa rezultata dupa spalarea gazelor de evacuare. Aceasta apa necesita tratare prin purificare si separare. Unele tari interzic deversarea acestor ape iar stocarea lor la bord ridica probleme tehnice deoarece este coroziva.

Reducerea de NOx are loc deoarece se reduce excesul de aer (continutul de oxigen) folosit in arderea combustibilului. Adaosul de dioxid de carbon si vapori de apa in aerul de admisie reduce temperaturile maxime de ardere datorita caldurii specifice mai mari ale acestora.

3. Umidificarea aerului de admisie :

Aerul de admisie este comprimat in turbina si astfel ii este crescuta temperatura. Apa este injectata in acest punct astfel incat ii scade temperatura si ajunge la saturatie. Umiditatea este controlata prin mentinerea unei temperaturi de admisie intre 60 si 70 grade Celsius. Apa din aerul saturat va reduce temperatura maxima de ardere.

Prin aceasta metoda se obtin eficiente de 60% in reducerea emisiilor NOx. Uneori se pot folosii solutii EGR impreuna cu umidificarea aerului pentru incadrarea in normele Tier III.

4. Ciclul Miller :

La motoarele navale in 4 timpi folosirea ciclului Miller impreuna cu turbinele cu eficienta crescuta, se foloseste un avans marit la inchiderea supapelor de admisie inainte de punctul mort inferior. Acest lucru determina destinderea si implicit racirea aerului de admisie ce va reduce emisiile NOx. Un dezavantaj pentru acest sistem este ca necesita o turbina in 2 trepte.

Ciclul Miller folosit impreuna cu injectia directa de apa scad emisiile cu mult sub cerintele Tier III.

5. Motoarele pe gaz la joasa presiune :

Noile motoare navale ce folosesc gazul natural (LNG) drept combustibil au o importanta majora in conformarea cu standardele Tier III. Wartsila si Win GD XDF au dezvoltat motoare navale lente in 2 timpi ce pot arde 2 sau chiar 3 tipuri de combustibil (pacura, motorina sau gaz metan). Aceste motoare se bazeaza pe principiul arderii unui amestec sarac (raport crescut aer/combustibil) in care aerul de admisie este amestecat cu combustibil gazos si aprins ulterior folosind injectoare pilot. Acest tip de motor nu necesita echipamente aditionale de tratare sau spalare a gazelor de evacuare.

In functie de zona de navigatie nava poate opera pe combustibil lichid (diesel sau pacura) sau gaz metan, cu un raport intre acestea incadrat intre 50 si 100%. Astfel creste eficienta voiajului si controlul BOR (boil off rate – rata cu care se evapora gazul natural lichefiat in tancurile de marfa). Avand in vedere pretul combustibilului naval si a gazului metan, in momentul de fata este mai rentabil sa se consume pacura in loc de gaz metan sau chiar diesel.

6. CSNOx :

Compania Ecospec a dezvoltat un nou sistem de eliminare a emisiilor NOx, SOx dar si CO2 numic CSNOx. Este utilizata apa dulce sau sarata ce trece prin un sistem de electroliza la frecventa ultra-joasa. Aceasta apa este amestecata cu gazele de evacuare astfel reducand cantitatea de NOx. Fata de celelalte sisteme, aceasta metoda lucreaza concomitent la reducerea mai multor tipuri de emisii.

Un alt avantaj ar fi eficienta crescuta, mentenanta redusa si consumul scazut de energie electrica.

7. O combinatie de metode:

De multe ori se alege o combinare a metodelor mai sus mentionate pentru a obtine un grad mare de eficienta. Putem nota folosirea motoarele controlate electronic avand avanj de injectie variabil, combustibil LNG, injectia de apa in aerul de combustie sau emulsia combustibil-apa.