Motores Diesel y turbinas a gas en propulsin de navos cruceros.Autor: Horst W. Koehler, MAN B&W Diesel Basado en la presentacin del autor en la institucin de Ingenieros de turbinas de gas y diesel, Londres, el 17 de Febrero del 2000. Traduccin no oficial nicamente para propsitos de estudio. Introduccin: Con un ligero retraso y unos pocos problemas tcnicos, Millenium, la celebridad de los navos cruceros conducidos por turbinas a gas, hizo su viaje inaugural en el verano del 2000. El navo de 91000 gt (tonelaje bruto) con una capacidad de 1950 pax (amarradero inferior) denota un salto tecnolgico en el diseo de cruceros, primariamente porque ella es el primer crucero movido por una planta de turbina de gas puro. Adems de esto, la nave tiene el mayor numero de propulsores acimutales antes construido (dos propulsores pod de tipo Mermaid de 19.5 MW cada uno). Actualmente hay otros tres cruceros ms de esta serie en construccin. Esto es sin dudas un hito en propulsin de turbinas a gas, aun mas cuando cuatro otros cruceros de clase avanzada para el Royal Caribbean International (RCI) tambin estn especificados con plantas de propulsin basadas en turbinas. Cada una consiste de dos turbinas de gas aero-derivadas General Electric LM2500 de 25 MWel cada una y una turbina de vapor de 8 MWel de contrapresin. La turbina de vapor usa vapor de las calderas alimentadas con el calor residual de las turbinas de gas para general poder elctrico adicional. Este arreglo se llama COGES, un acrnimo de "Combined Gas Turbine and Steam Turbine Integrated Electric Drive System". (Sistema de direccin elctrica de turbinas de gas y vapor combinadas). Dependiendo de la cantidad de vapor requerido para servicios a bordo, se espera que la planta COGES de potencia alcance una eficiencia de ciclo combinado de entre 45 y 50%. Este sistema proveer para todos los arreglos de potencia a bordo, ya sea propulsin, calentamiento, enfriamiento, iluminacin, ventilacin, cocina y lavado. Sin embargo, con alrededor de un 97% de todas las naves marinas existentes propulsadas por motores diesel a 2 y 4 tiempos (fig. 1), parece que sus fabricantes hasta el momento no han sido seriamente afectados por las turbinas a gas en la mayora de sus reas de mercado.

Meritos de las turbinas a gas y los motores Diesel en propulsin marina. Este articulo se concentra en los motores diesel para aplicaciones de cruceros con un requerimiento total de aproximadamente 60 MWel por instalacin. Un tpico sistema de direccin elctrica Diesel con 5 motores Diesel de media velocidad ser comparado con la planta COGES de 58 MWel.

Figura 2: pros de ambos conductores primarios en sus modos de ciclo simple, por ejemplo, sin utilizar el vapor de desecho en un sistema de turbinas.

Peso y tamao Se conoce que las turbinas a gas generan montones de potencia y ofrecen menor espacio y peso que un motor Diesel de los mismos resultados. La masa y tamao de los motores Diesel son una desventaja indiscutible en muchas aplicaciones. Sin embargo, en los nuevos cruceros de tamao Panamax con un mayor nmero de cubiertas (pisos) pero del mismo ancho, mucho peso se requiere al inferior del barco por asuntos de estabilidad as que el valor de ahorros en el peso por turbinas de gas no debe ser sobrevalorado-. Para disminuir el valor en el eje vertical del centro de gravedad, esta prdida de peso puede ser compensada llevando agua adicional o tanques llenos. Otra opcin es disminuir ligeramente la altura de la cubierta principal o el calado del barco. Sin embargo, todo esto requerira un nuevo diseo del barco, excluyendo el uso de un casco de forma comn para motores Diesel o turbinas a gas que sera altamente beneficioso para reducir costos. En cuanto al ahorro de espacio de turbinas a gas, este potencial no puede ser totalmente usado: Las turbinas de gas tienen una toma de aire y un ducto de escape aproximadamente un 15% ms largos, mientras que los motores Diesel comparables y sus dispositivos de arranque tambin ocupan mucho espacio. Los navos cruceros a bordo con dos turbinas de gas como motores primarios, las provisiones necesarias para un rpido reemplazo de turbinas a gas (o por lo menos su generador de gas) en unas pocas horas, con el navo en el mar y adentro, ocupa espacio extra. La sala de motores debe ser diseada con suficiente espacio libre y todas las provisiones necesarias y equipos para este trabajo, incluyendo espacio de almacenamiento para una turbina a gas completa de repuesto. Finalmente, la disponibilidad de la planta y las consideraciones de seguridad hacen de por lo menos uno o dos sets de generacin Diesel obligatorios para satisfacer requerimientos de baja potencia difciles de cubrir con una turbina de gas como un generador de emergencia. Esto no solo reduce el espacio liberado aun ms, sino que tambin aumenta los costos iniciales, operativos y de mantenimiento. Costos iniciales y de mantenimiento: Contrariamente al peso y tamao, los costos iniciales y de mantenimiento son menores para la solucin Diesel, aunque los costos iniciales podran ser ms de una concesin poltica. Referente al mantenimiento, RCI ha firmado un contrato por 10 anos de reparacin y mantenimiento con General Electric para las turbinas de gas de los navos LM2500+ a un costo de 3$/MWh. El resumen del costo de mantenimiento de un multi-motor elctrico Diesel da un balance negativo. Costos de operacin y de combustible:

Como lo indica la figura 2, los motores Diesel poseen ms altos beneficios como menores precios de combustible, tasas de consumo de combustible menores a todas las cargas y por lo tanto menores emisiones de dixido de carbono y mejor aceptacin de la carga as como arranques ms veloces luego de una parada nocturna. Por ejemplo, luego de una parada nocturna una turbina de gas en modo de ciclo simple requiere 30 minutos hasta alcanzar la plena carga, y un motor Diesel en la misma situacin menos de 5 minutos. Vibracin, ruido y consumo de aceite lubricante En cuanto a las vibraciones y ruidos, los motores reciprocantes de mltiple cilindro con combustin intermitente estn en desventaja, aunque algunas veces las diferencias reales son exageradas o interpretadas de manera errnea. A travs de montaje resistente directo de motores diesel, sus vibraciones a travs del medio solido transmitidas hacia los cimientos del barco est reducida a un nivel de 50 dB (y menos) aproximadamente a frecuencias de 1000 Hz y mayores. Aunque las turbinas de vapor instaladas de modo resistente pueden alcanzar valores menores, las medidas de diseo que buscan incluso un mayor decremento en los ruidos transmitidos por la estructura de los motores Diesel pueden ser omitidas siempre y cuando los requerimientos referentes a la vibracin en las cabinas sean cumplidos. De manera inesperada los recientemente construidos Millenium sufrieron problemas de vibracin en algunas reas del barco bajo condiciones marinas especiales pero probables de ocurrir en el Caribe durante la estacin de invierno con viento. La nave tuvo que ser atracada en muelle seco por modificaciones tcnicas antes de lo planeado, luego de su llegada a New York en Noviembre del 2010. Ruido areo Se dice que el ruido areo de la sala de motores de las turbinas a gas es menor a 85 dB (A), mientras que las emisiones de ruido de un gran motor Diesel de media velocidad de la compaa del autor vara entre 102 a 108 dB (A) a plena carga. El motivo principal de esta diferencia es que las turbinas marinas de gas son instaladas en recintos aislados acsticamente mientras que los niveles de ruido de los motores Diesel de posicin libre es medido sin ninguna encapsulacin o aislamiento que atene el sonido. Las salas de motores no se encuentran entre los lugares donde los pasajeros a bordo usualmente pasan su tiempo libre. Por lo tanto, el menor ruido de trabajo de las turbinas de gas no es de mayor importancia: fuera de la sala de maquinas, los motores diesel pueden ser considerados encapsulados tambin. Consumo de aceite lubricante El consumo especifico de aceite lubricante de las turbinas modernas de gas esta tpicamente en solo el 1% de las cifras del motor Diesel, pero los lubricantes sintticos de alto precio deben ser usados en comparacin a los aceites minerales de bajo precio para los motores Diesel. Los costos anuales de Aceite lubricante para las turbinas a gas son solo alrededor del 6% del de

los motores Diesel. Cabe resaltar que este merito es de menor importancia, pues los costos del aceite lubricante rara vez afectan al total de costos operativos. Emisiones de gas en el escape La ventaja real de las turbinas de gas es que es una medida ecolgicamente pura en cuanto concierne a emisiones de SOx y NOx (no CO2). Las emisiones de SOx de las turbinas a gas son cercanas a cero pues bsicamente queman combustibles libre de azufre (MGO contiene tpicamente solo cerca de 0.3% de azufre, HF0 para motores Diesel hasta 4.5%). Si fueran usados aceites para Diesel marinos con menor contenido de azufre o libres de azufre (de mayor precio), tampoco habra un problema de SOx. Niveles de emisin de NOx de las turbinas de gas modernas y motores Diesel se encuentran en la lista de la figura 3. No hay bsicamente ninguna restriccin tcnica en disminuir los niveles de emisin de NOx de los motores Diesel a un nivel de 2g/kWh adoptando un sistema de limpieza de gases de escape basado en SCR. Todos los motores Diesel marinos de hoy producidos en serie con valores de NOx optimizados y con deben cumplir con las restricciones de IMO NOx para embarcaciones internacionales validas para nuevas naves (alcanzadas por medidas internas del motor). A travs de la inyeccin directa de agua a los cilindros o adoptando emulsiones de agua-combustible (FWE), un nivel de emisin similar de NOx as como los estndares actuales de turbinas de gas marinas sin inyeccin de agua son alcanzados.

La figura 4 muestra los ltimos resultados de un motor MAN B&W 6L48/60 de febrero del 2000: el valor por ciclo de NOx de 7.7 g/kWh y una tasa de consumo de combustible aun al interior de la tolerancia (5%) fue medida. Esta es 40% inferior a los lmites establecidos por la IMO. Este resultado fue alcanzado con solo un 15% de agua en la emulsin agua-combustible y una inyeccin ligeramente retardada a una carga del motor de 80%. Fig 4. En cuanto a la influencia de las condiciones ambientales a la salida, solo la temperatura a la entrada de aire es relevante en propulsin marina. Todos los motores marinos de Diesel de la compaa del autor mantienen su plena carga hasta temperaturas de entrada de aire de 45, mientras que las turbinas de aire deben ser reducidas.

Eficiencia La figura 5 muestra los niveles alcanzables de eficiencia neta (en el eje) de los principales motores primarios. Grandes motor Diesel de media velocidad alcanzan hasta un 47% en operacin de ciclo simple y los motores Diesel de baja velocidad incluso hasta un 51%. Con incluso menores ratings unitarios (motores ms pequeos) la diferencia en eficiencia (y en consumo de combustible) entre motores Diesel y turbinas a gas incrementa considerablemente. La figura 5 es un indicativo de los niveles de alta eficiencia que las turbinas de gas de ciclo combinado de grandes salidas unitarias (50MW a ms) alcanzan hoy. Su nmero disminuir en el futuro aunque su tecnologa aumentara los niveles de eficiencia de los Diesel solo unos cuantos puntos porcentuales.

Costos operativos: Elctricos Diesel Vs COGES Los costos actuales de combustibles de un navo crucero dependen altamente del perfil de operacin de la nave. En un estudio hemos comparado una planta elctrica de 61MWel consistente en 5 motores Diesel MAN B&W 12V 48/60 de velocidad media (5x12.2 MWel) con varias variaciones COGES de alrededor del mismo resultado. Las tasas especficas de consumo de combustible (SFOC) en g/kWh en las salidas totales de la planta elctrica para varios conceptos de propulsin fue graficada en la figura 6.

La lnea gruesa oscura al inferior del diagrama es la curva de consumo de la planta elctrica Diesel. Desde potencia completa hasta aproximadamente 8MW, el consumo de combustible es casi una constante a un nivel neto de 190 g/kWh. Contrario a su lnea simple de consumo de combustible, las tasas de consumo de las turbinas son altamente dependientes de la carga. A cargas muy altas, sobre los 50 MWel, COGES tienen una tasa de consumo especifico de combustible de alrededor de 210 g/kWh, un valor que es de hecho solo 10% sobre los valores de los motores Diesel. Sin embargo, su alta potencia elctrica es difcil de ser usada en cruceros: la mayor parte del tiempo las turbinas deben operar a carga parcial con muy altas tasas especficas de consumo de combustible. Las dos curvas superiores muestran los efectos de ahorro de combustible de las turbinas de vapor COGES. Debiendo la turbina de vapor ser apagada o en fallo, el consumo de combustible continuara la curva superior en lugar de la inferior, descontando la cantidad de combustible un 8-10%. Entre 20 a 28 MWel, los arreglos de COGES con una turbina a gas y una turbina a vapor operativas (con la segunda turbina de gas apagada) ofrece consumos de combustible igual e incluso ligeramente menores que los de el conductor elctrico Diesel. Pero en cualquier otra carga, los motores Diesel tienen una fuerte ventaja en consumo de combustible especfico, particularmente bajo los 20MWel y sobre los 30 MWel. Un arreglo COGES prometedor sera posible con dos turbinas de gas y dos de vapor (Fig. 6, tercera curva desde arriba). A pesar de los atractivos niveles de consumo de combustible a tasas en exceso de 45MWel, tal sistema no ha sido adoptado muy probablemente debido al costo, seguridad y consideraciones de simplificacin-.

El clculo de los costos anuales de combustible se baso en los siguientes escenarios tpicos de carga semanal: 60 horas por semana (requerimiento de potencia 10 MWel): un 12V 48/60 motor Diesel o una turbina de gas con la turbina de vapor en operacin. Esto resume hasta 3840 horas operativas por ao por cada uno de los 5 motores Diesel, y 6150 horas por cada una de las 2 turbinas de vapor. Para este perfil de carga y para costos promedios de combustible en el noroeste Europeo en Agosto del 2000, los costos totales de combustible se muestran en la Fig. 7. La diferencia en costos anuales de combustible entre COGES y la opcin elctrica Diesel es de US$ 7millones!

Los costos por el combustible extra quemado en las calderas alimentadas a petrleo para una produccin de la cantidad de vapor necesario (17 toneladas/h) ya estn incluidos. Los COGES solo necesitan un poco de combustible adicional para produccin de vapor, de hecho solo lo que es necesario mientras se mantenga en puerto. Una de las razones principales de la mayor cantidad de combustible de la planta de potencia elctrica Diesel usada para produccin de vapor es que ms vapor debe ser producido por las calderas alimentadas a petrleo para menores nmeros de motores Diesel en operacin.

Los ingresos de cabinas (camarotes) extras pueden compensar estos mayores costos de combustible? La pregunta crucial es si los mayores costos de combustible de la planta COGES pueden ser compensados por mayores ingresos vendiendo (hasta) 50 camarotes extra en las cubiertas inferiores. Los defensores de las turbinas a gas han dicho repetidamente que los ingresos extra arrojados compensaran cmodamente los mayores costos de combustible de los COGES. Antes que nada, no puede darse por sentado que 50 cabinas dobles adicionales, adems de otras reas y espacios recreativos son alcanzables con un diseo comparable de la nave sin perjudicar los estndares de comodidad de los pasajeros-.Los consultores han subrayado que quiz es realista solo la mitad de esta cantidad, pero a pesar de dichas inquietudes, el nmero afirmado de 50 camarotes extra es usado para las siguientes estimaciones econmicas. Asumiendo que el 90% de las camas de estos 50 camarotes extra son siempre vendidos, 50 semanas al ao, y dejadas por un promedio de US$ 200 por persona y da (una tasa razonable para pequeos camarotes sin ventanas), el ingreso adicional es de casi US$ 7 millones por ao (70% son costos de los operadores en construir y equipar los camarotes, en comida, limpieza de camarotes, lavado, costos por aumento de personal, impuestos, etc.). Resultado comercial La cuenta total de los costos de combustibles (fig. 7) y costos de aceite lubricante es de US$ 13.86 millones con COGES y US$ 7.04 m para el sistema elctrico Diesel. La diferencia de US$6.8 millones por ao. Con ganancias netas anuales de solo US$2.1 millones, es imposible compensar la mayor cuenta en el combustible que traen los COGES. Con los precios actuales de bunker (setiembre del 2000), hay una prdida de US$4.7 millones al ao y por cada nave sin incluir los mayores costos iniciales y de mantenimiento. Resumen En comparacin al sistema COGES, las soluciones elctricas Diesel tienen ventajas claras en varios aspectos, con excepcin del peso, tamao, emisiones de NOx y ruidos. Estas ventajas son: Maquinaria uniforme, menores costos de combustible y menor consumo de combustible, y por lo tanto menor emisin de CO2, costos iniciales ms bajos, costos operativos, un mantenimiento ms fcil, costos menores de mantenimiento y mayor flexibilidad operativa y redundancia debido al mayor nmero de motores Diesel que estn disponibles para quemar calidades ampliamente variables de combustible. La turbina de gas misma, como una maquina rotativa intrnsecamente simple es altamente confiable y durable pues tiene menores piezas en movimiento y menores perdidas por friccin, pero los ms complicados (nuevos) sistemas COGES que incluyen un set de generacin de turbinas de vapor no tienen oportunidad hasta ahora de probar su disponibilidad y confiabilidad a largo plazo en navos cruceros.

Los fabricantes de motores Diesel estn convencidos de que el motor Diesel, luego de una carrera de prueba de ms de un ciclo, tambin mantendr su rol lder en naves mercantes en el segundo siglo de desarrollo de los motores Diesel.