Διερεύνηση της δυνατότητας χρήσης φυσικού αερίου ως καυσίμου σε ναυτικούς κινητήρες diesel και κινητήρες diesel οχημάτων βαρέως τύπου - Βέρμπης, Σπύρος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, 2017)
Οι μηχανές εσωτερικής καύσης αποτελούν αναπόσπαστο κομμάτι της αυτοκίνησης και της ναυσιπλοΐας. Είναι η κινητήριος δύναμη των δύο αυτών τομέων. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης που έχουν επικρατήσει είναι οι κινητήρες σπινθηρισμού που ακολουθούν τον κύκλο του Otto και οι κινητήρες αυτανάφλεξης που ακολουθούν τον κύκλο του Diesel. Οι κινητήρες σπινθηρισμού είναι καταλληλότεροι για εφαρμογές πολύ μικρών έως μεσαίων ισχύων (μέχρι μερικά MW). Από την άλλη οι κινητήρες αυτανάφλεξης είναι κατάλληλοι για εφαρμογές από μερικές δεκάδες kW μέχρι δεκάδες MW. Στην παρούσα εργασία θα μας απασχολήσουν οι κινητήρες αυτανάφλεξης λόγω της επικράτησης τους σε πλήθος εφαρμογών καθώς και λόγω του υψηλότερου συντελεστή απόδοσης. Ακόμα, θα αναφερθούν οι εκπεμπόμενοι ρύποι, τα μέσα περιστολής τους καθώς και οι κανονισμοί οι οποίοι εφαρμόζονται με σκοπό τον έλεγχο και περιορισμό αυτών των ρύπων στην αυτοκίνηση και την ναυτιλία. Επιπλέον, θα γίνει αναφορά στο φυσικό αέριο και στις δυνατότητες που προσφέρει στην οικονομία και την τεχνολογίας. Τέλος, ο κύριος άξονας γύρω από τον οποίο αναπτύσσετε αυτή η εργασία είναι η τεχνολογία της μεικτής καύσης. Γίνεται αναφορά στις αρχές λειτουργίας στις οποίες βασίζεται η μεικτή καύση καθώς και τα περιβαλλοντολογικά και οικονομικά οφέλη που προσφέρει. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας γίνεται μια συνοπτική αναφορά στις μηχανές εσωτερικής καύσης. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης ή αλλιώς κινητήρες διαχωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με κάποια χαρακτηριστικά τους. Πρώτο και κυριότερο χαρακτηριστικό με βάση το οποίο διαχωρίζονται οι κινητήρες μεταξύ τους είναι ο τρόπος έναυσης του καύσιμου μίγματος. Με βάση αυτό το χαρακτηριστικό μπορούμε να αναφερόμαστε σε κινητήρες σπινθηρισμού και σε κινητήρες αυτανάφλεξης. Η αρχή λειτουργίας των κινητήρων αυτανάφλεξης, με τους οποίους και θα ασχοληθούμε, βασίζεται στον κύκλο λειτουργίας του Diesel. Σε αυτούς τους κινητήρες το καύσιμο μίγματα αυταναφλέγεται λόγω κατάλληλων συνθηκών που επικρατούν στον θάλαμο καύσης (υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες). Ένας ακόμη διαχωρισμός που γίνεται στους κινητήρες είναι με βάση τους χρόνους λειτουργίας τους (πλήθος διαδρομών εμβόλου για ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας). Έτσι προκύπτουν οι επονομαζόμενοι δίχρονοι και τετράχρονοι κινητήρες. Στους τετράχρονους κινητήρες η κάθε διεργασία είναι πλήρως διακριτή (εισαγωγή, καύση, εκτόνωση, εξαγωγή) ενώ στους δίχρονους έχουμε συνδυασμό αυτών των διεργασιών. Ο καθένας από αυτούς έχει τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάνοντάς τους κατάλληλους για διαφορετικού είδους εφαρμογές. Ακόμα, οι κινητήρες διαχωρίζονται με βάση την διάταξη των κυλίνδρων τους και την ταχύτητα περιστροφής. Όλοι οι κινητήρες κατά την λειτουργίας τους εκπέμπουν καυσαέρια και ρύπους στην ατμόσφαιρα. Τέτοιου είδους ρύποι είναι το μονοξείδιο του άνθρακα CO, τα οξείδια του θείου SOx, τα οξείδια του αζώτου NOx, οι άκαυστους υδρογονάνθρακες HC και τα σωματίδια PM (αιθάλη). Ανάλογα με το είδος τους κινητήρα το ποσοστό εκπομπής κάθε ρύπου είναι διαφορετικό. Στους κινητήρες αυτανάφλεξης κυριαρχούν τα οξείδια του αζώτου και τα σωματίδια. Για αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι αντιρύπανσης που μπορεί να είναι είτε πρωτογενείς είτε δευτερογενείς. Πρωτογενείς είναι οι μέθοδοι οι οποίες εφαρμόζονται για περιορισμό των ρύπων πριν την δημιουργία τους, δηλαδή ρύθμιση παραμέτρων καύσης για να επιτευχθεί μείωση των ρύπων. Δευτερογενείς είναι οι μέθοδοι οι οποίες θα εφαρμόζονται με σκοπό την περιστολή των ρύπων αφού έχουν ήδη δημιουργηθεί. Δευτερογενή μέθοδοι είναι οι επιλεκτικοί καταλύτες αναγωγής, η ανακυκλοφορία των καυσαερίων και οι παγίδες αιθάλης. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα αέρια καύσιμα. Αέρια καύσιμα είναι το φυσικό αέριο, τα υγραέρια, τα βιοαέρια, τα συνθετικά αέρια και το υδρογόνο. Το αέριο καύσιμο όμως που παρουσιάζει μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι το φυσικό αέριο. Το βρίσκουμε είτε μόνο του σε κοιτάσματα φυσικού αερίου του είτε συνυπάρχει σε κοιτάσματα πετρελαίου. Το φυσικό αέριο είναι άχρωμο και άοσμο και ελαφρύτερο από τον ατμοσφαιρικό αέρα και για αυτό σε περίπτωση διαφυγής τους δεν συγκεντρώνεται στο έδαφος. Σε συνθήκες περιβάλλοντος βρίσκεται, όπως είναι φυσικό, σε αέρια μορφή αλλά αν ψυχθεί, υπό ατμοσφαιρική πίεση, σε θερμοκρασίες κάτω από -162oC υγροποιείται. Υγροποιημένο το φυσικό αέριο καταλαμβάνει 600 φορές μικρότερο όγκο από ότι σε αέρια μορφή. Για αυτόν τον λόγο η μεταφορά του είναι προτιμότερο να γίνεται σε υγροποιημένη μορφή. Μεταφορά του μπορεί να γίνει και με χρήση πιεστικών δοχείων στα οποία αποθηκεύεται υπό πίεση 200 bar. Η τρίτη και αρκετά διαδεδομένη μέθοδος είναι με την χρήση αγωγών μεταφοράς του φυσικού αερίου από την πηγή απευθείας στην κατανάλωση. Το φυσικό αέριο αν και ορυκτό καύσιμο προσφέρει πολύ καθαρότερη καύση με αποτέλεσμα να αναζητούνται συνεχώς νέες μέθοδοι εκμετάλλευσης του και αντικατάστασης παλιών ρυπογόνων συστημάτων. Ακόμα, τα αποθέματα του φυσικού αερίου είναι μεγαλύτερα από αυτά του πετρελαίου και των στερεών καυσίμων και προβλέπεται ότι όλο και θα αυξάνονται με την ανακάλυψη νέων κοιτασμάτων. Αυτό το καθιστά πιο οικονομικό στην χρήση από ότι το πετρέλαιο μιας και είναι σε μεγαλύτερη αφθονία και δεν απαιτούνται κοστοβόρες διεργασίας για την εκμετάλλευση του. Το φυσικό αέριο χρησιμοποιείται σε πλήθος εφαρμογών. Από τον οικιακό μέχρι και τον βιομηχανικό τομέα γίνεται χρήση φυσικού αερίου. Ακόμα, το φυσικό αέριο τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται και στον τομέα τον μεταφορών. Από μικρά επιβατικά οχήματα μέχρι μεγάλα οχήματα βαρέως τύπου κάνουν χρήση φυσικού αερίου. Το φυσικό αέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας σε κινητήρες σπινθηρισμού και να αντικαταστήσει την βενζίνη είτε συνδυαστικά με την καύση πετρελαίου όπου και πραγματοποιείται μεικτή καύση. Στην παρούσα εργασία θα μας απασχολήσει η μεικτή καύση του πετρελαίου με το φυσικό αέριο. Στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει μια σύντομη αναφορά στην τεχνολογία της μεικτής καύσης. Η ανάπτυξη που παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια η τεχνολογία της μεικτής καύσης οφείλεται σε περιβαλλοντολογικούς αλλά και οικονομικούς παράγοντες. Αρχικά, η ιδέα της μεικτής καύσης δεν είναι κάτι νέο. Από την εποχή του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου τα οχήματα έκαναν χρήση συνθετικού αερίου καθώς τα υγρά καύσιμα ήταν υπό έλλειψη. Η βασική αρχή λειτουργίας της μεικτής καύσης πετρελαίου – φυσικού αερίου βασίζεται στην λογική της αρχικής έγχυσης μιας ποσότητας φυσικού αερίου, είτε έμμεσα είτε άμεσα, μέσα στο θάλαμο καύσης και στην συνέχεια της έγχυσης μιας μικρής ποσότητας πετρελαίου. Το πετρέλαιο βρισκόμενο σε συνθήκες αυτανάφλεξης αυταναφλέγεται εκλύοντας την απαιτούμενη ενέργεια για την ανάφλεξη και της ποσότητας φυσικού αερίου που υπάρχει στον κύλινδρο. Το πετρέλαιο ουσιαστικά γίνεται η πηγή έναυσης του φυσικού αερίου με αποτέλεσμα και τα δύο μαζί να προσφέρουν την απαιτούμενη ενέργεια στον κινητήρα. Εφαρμογές μεικτής καύσης έχουμε στην αυτοκίνηση και ιδιαίτερα στα οχήματα βαρέως του. Βέβαια, η μεικτή καύση παρουσιάζει περισσότερο ενδιαφέρον στους ναυτικούς κινητήρες όπου και τα οφέλη καύσης φυσικού αερίου είναι πολλαπλά. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται συνοπτική αναφορά και περιγραφή στους κανονισμούς οι οποίοι ισχύουν στην αυτοκίνηση και στην ναυτιλία σχετικά με τις επιτρεπόμενες εκπομπές ρύπων. Όσον αφορά την αυτοκίνηση, οδηγίες σχετικά με τα μέγιστα επιτρεπόμενα όρια εκπομπής ρύπων είχαν αρχίσει να εφαρμόζονται από την δεκαετία του ‘70. Από την δεκαετία όμως του ‘90 άρχισαν να γίνονται πιο συντονισμένες προσπάθειες όσον αφορά τα όρια εκπομπής ρύπων. Τα πρότυπα Euro, τόσο για τα επιβατικά και ελαφρά επαγγελματικά οχήματα όσο και για τα οχήματα βαρέως τύπου, με το πέρασμα των χρόνων γίνονται όλο και αυστηρότερα. Την τελευταία δεκαετία τα πρότυπα αυτά είναι αρκετά αυστηρά έτσι ώστε η επίδραση των εκπεμπόμενων ρύπων να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη για το περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Ακόμα περιορισμοί υπάρχουν και για το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Το CO2 δεν είναι ρύπος αλλά η αύξηση του στην ατμόσφαιρα οδηγεί στην επιδείνωση του θερμοκηπίου. Όσον αφορά την ναυτιλία, οι περιορισμοί στις εκπομπές ρύπων και αερίων του θερμοκηπίου δεν είναι τόσο αυστηρές όσο στην αυτοκίνηση. Παρόλα αυτά, υπάρχουν περιορισμοί ως προς τις εκπομπές οξειδίων του θείου (SOx) και οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) και σε ορισμένες ελεγχόμενες περιοχές τα όρια αυτά γίνονται ακόμα πιο αυστηρά. Στο πέμπτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι ιδιαιτερότητες της χρήσης LNG ως καύσιμο στην ναυτιλία καθώς και οι τεχνολογίες μεικτής καύσης που έχουν αναπτυχθεί από μεγάλες εταιρίες κατασκευής ναυτικών κινητήρων. Το LNG και η ναυτιλία συνυπάρχουν εδώ και τουλάχιστον 50 χρόνια από όταν άρχισαν να γίνονται οι πρώτες μεταφορές LNG. Σαν καύσιμο βέβαια άρχισε να χρησιμοποιείται το 2001 και μόνο σε πλοία τα οποία μετέφεραν το LNG σαν εμπόρευμα. Όταν το LNG χρησιμοποιούταν ως καύσιμο αυτό γινόταν σε κινητήρες μεικτής καύσης ή διπλού καυσίμου όπως αναφέρονται συνήθως. Στην συνέχεια βέβαια, παρατηρώντας τα σημαντικά οφέλη που έχει η μεικτή καύση αναπτύχθηκαν τεχνολογίες για εγκατάσταση τέτοιον κινητήρων και σε άλλου είδους πλοία. Πλέον, οι εταιρίες κατασκευής ναυτικών κινητήρων προσφέρουν μεγάλη γκάμα κινητήρων μεικτής καύσης για κάλυψη μεγάλου εύρους αναγκών. Όσον αφορά την χρήση του LNG ως καύσιμο υπάρχουν κάποιες ιδιαιτερότητες που με την εξέλιξη της τεχνολογίες ξεπερνιόνται. Αρχικά, ο ανεφοδιασμός με LNG δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί σε όλα τα λιμάνια κάτι το οποίο είναι σημαντικός ανασταλτικός παράγοντας. Ακόμη, ο ανεφοδιασμός του πλοίου με LNG απαιτεί συγκεκριμένα πρωτόκολλα προστασίας. Οι δεξαμενές οι οποίες αποθηκεύουν το LNG για χρήση ως καύσιμο θα πρέπει να πληρούν συγκεκριμένες προδιαγραφές. Εκτός αυτού, οι δεξαμενές του LNG καταλαμβάνουν περισσότερο όγκο από τις δεξαμενές πετρελαίου δημιουργώντας έτσι χωροταξικά προβλήματα. Όσον αφορά τους ναυτικούς κινητήρες μεικτής καύσης αυτοί ακολουθούν ουσιαστικά δύο αρχές λειτουργίας. Η μία αρχή λειτουργίας βασίζεται στον κύκλο του Otto και γενικά αναφέρονται ως κινητήρες μεικτής καύσης χαμηλής πίεσης καθώς η έγχυση του φυσικού αερίου γίνεται έμμεσα στην εισαγωγή του κινητήρα υπό χαμηλή πίεση (12 bar). Η δεύτερη αρχή λειτουργίας βασίζεται στον κύκλο του Diesel. Αυτοί οι κινητήρες μεικτής καύσης αναφέρονται ως κινητήρες μεικτής καύσης υψηλής πίεσης καθώς η έγχυση του φυσικού αερίου γίνεται άμεσα στον κύλινδρο σε υψηλή πίεση (300 bar). Οι κινητήρες μεικτής καύσης που είναι διαθέσιμοι στο εμπόριο είναι τετράχρονοι και δίχρονοι ενώ οι κινητήρες μεικτής καύσης υψηλής πίεσης είναι δίχρονοι. Σε όλες τις περιπτώσεις πάντως τα οφέλη στον περιβαλλοντολογικό και οικονομικό τομέα είναι σημαντικά και παρουσιάζονται αναλυτικά στο συγκεκριμένο κεφάλαιο.