All’inizio di quest’anno il Organizzazione Marittima Internazionale (IMO) ha fissato obiettivi ambiziosi per il raggiungimento di un’industria marittima verde e di emissioni nette zero entro il 2050, con una drastica accelerazione rispetto al precedente obiettivo del 2100. Da allora l’industria ha navigato in mari pesanti, con implicazioni diffuse sulla gestione del ciclo di vita delle navi, dalla progettazione all’esercizio e allo smantellamento. La maggior parte degli operatori del settore ha previsto questa evoluzione, avendo osservato la sequenza di regolamenti ambientali progressivamente più severi.
Durante il Forum d’azione per l’energia pulita 2022 L’amministratore delegato e presidente dell’American Bureau of Shipping (ABS), Chris Wiernicki, ha delineato i cosiddetti percorsi credibili per i combustibili, che saranno il fattore chiave nella scelta dei nuovi tipi di combustibile da parte degli operatori navali per raggiungere gli obiettivi di zero emissioni di carbonio. Al centro del processo decisionale c’è la tempistica di preparazione della tecnologia, che può essere suddivisa in un periodo a breve, medio e lungo termine. Secondo Wiernicki, tale prontezza è data se si possono stabilire i seguenti quattro pilastri:
- Un solido caso aziendale
- Scalabilità
- Fornitura e utilizzo di dati certificabili
- Mitigazione delle conseguenze indesiderate
Soluzioni a breve termine per un’industria marittima green
Le soluzioni a breve termine sono il gas naturale liquefatto (GNL), il metanolo e i biocarburanti drop-in di prima e seconda generazione. Secondo Clarksons, il 4,1% della flotta commerciale mondiale può utilizzare il GNL come carburante. Questo rappresenta il 91% della porzione totale della flotta in grado di utilizzare combustibili alternativi. Inoltre, il predominio del GNL si riflette nell’attuale portafoglio ordini, con il 33,3% che opta per il GNL, seguito dal gas di petrolio liquefatto (GPL) con il 2,3%, dal metanolo (1,2%), dall’etano (0,3%) e dall’idrogeno (0,3%). Gli ordini che combinano il GNL con l’opzione “pronto per l’ammoniaca” rappresentano il 10% di tali ordini. L’incentivo principale per i biocarburanti drop-in è che l’infrastruttura di carburante esistente richiede pochi o nessun adattamento. Per le navi più piccole, a corto raggio e costiere, sono già disponibili soluzioni di batterie adeguate e si possono realizzare prototipi di successo di navi completamente elettriche e autonome. referenziato.
Soluzioni a medio termine
Nel medio periodo si assisterà a un ulteriore avanzamento del metanolo, mentre l’ammoniaca è in aumento grazie alla maggiore disponibilità di motori compatibili nei prossimi due anni.
Proiezione a lungo termine
A lungo termine, saranno disponibili combustibili verdi (combustibili prodotti da fonti di biomassa attraverso vari processi biologici, termici e chimici) e idrogeno blu, cioè idrogeno prodotto dal gas naturale e supportato dalla cattura e dallo stoccaggio del carbonio (CCS). La preparazione della tecnologia CCS è fondamentale sia a bordo che a terra. Le società di classificazione stanno guidando la valutazione dell’alimentazione nucleare come opzione per le grandi navi commerciali che possono ospitare questa tecnologia. Uno studio pilota critico è stato appena pubblicato.
Catena di simulazione Simcenter – salpare
Ogni fase del percorso net-zero comporta sfide ingegneristiche diverse per il funzionamento della nave, per citarne alcune:
- Dispersione dei gas
- Post-trattamento
- Sloshing nei serbatoi
- boil-off dei serbatoi (processo di aumento indesiderato della temperatura nei serbatoi che compromette lo stato criogenico del gas).
- Post-trattamento per la riduzione e la rimozione delle emissioni (scrubber)
- Perdite di gas criogenico durante il bunkeraggio (il processo di rifornimento di carburante)
- Pianificazione del viaggio – generazione di profili di carburante e di emissioni
Le capacità multifisiche di Simcenter STAR-CCM+ per la modellazione multifase ibrida vengono sfruttati per fornire previsioni basate sulla simulazione per questi problemi sia nella progettazione che nell’analisi forense.
A livello di sistemi superiori Simcenter Amesim consente di analizzare le configurazioni di motori e propulsori con vari livelli di dettaglio e fedeltà, fino alla pianificazione del viaggio, al consumo di carburante e ai profili di emissione.
Le prime navi costiere stanno già navigando completamente elettrico mentre l’industria nautica ha iniziato a intraprendere la sua missione di elettrificazione. Simcenter Amesim, Simcenter Motorsolve e Simcenter STAR-CCM+ offrono molte soluzioni template per considerare il dimensionamento del pacco batterie e la progettazione della catena cinematica o per aiutare a prevenire la fuga termica.
Grandi navi, zero emissioni, soluzioni marine verdi
Tornando alle navi più grandi e ai cavalli da tiro del commercio globale, vogliamo concentrarci su come la tecnologia di simulazione della suite Simcenter stia aiutando gli ingegneri ad affrontare le soluzioni a breve e medio termine per i combustibili alternativi. Tra i quattro pilastri dei percorsi praticabili per i combustibili, quando si tratta di ammoniaca, la mitigazione delle conseguenze indesiderate deve essere affrontata fin dalle prime fasi dell’implementazione.
Il GNL e l’ammoniaca sono stoccati allo stato criogenico, il che significa che qualsiasi esposizione alle condizioni ambientali, ad esempio a causa di perdite durante il bunkeraggio, porterà a una vaporizzazione istantanea (flash boiling), mettendo a rischio l’equipaggio e presentando numerosi rischi ambientali. L’ebollizione istantanea del liquido spruzzato da una perdita in un tubo nell’ambiente si verifica perché la pressione ambientale è inferiore alla pressione di saturazione del combustibile liquido. A seconda della direzione dello spruzzo e della distanza dalle strutture adiacenti, può verificarsi il rainout della nube di vapore dispersa: l’impatto delle gocce liquide rimanenti dallo spruzzo in gran parte vaporizzato, quindi altamente infiammabile.
Caso di studio: Bunkeraggio
Bunkeraggio è un’operazione critica a bordo delle navi in mare o in porto. Un bunkeraggio di successo richiede un trasferimento sicuro del carburante nei serbatoi della nave senza tracimazioni, fuoriuscite o perdite.
La simulazione può aiutare nelle primissime fasi del processo di bunkeraggio
All’inizio del processo di bunkeraggio si trova la pianificazione del viaggio per determinare la quantità di carburante da imbarcare. La libreria marina di Simcenter Amesim consente di inserire il proprio modello di motore e di trasmissione nell’ambiente di simulazione del viaggio e delle manovre, considerando i carichi alberghieri, il consumo di carburante dei motori ausiliari, gli effetti del vento, delle onde e delle correnti sulle caratteristiche di alimentazione.
Dopo aver determinato la quantità di carburante, comprese le riserve da rifornire, inizia la pianificazione dei serbatoi che riceveranno il carburante. In questo caso, un modello dei serbatoi, delle tubature e delle valvole, del sistema di zavorra e dell’ingresso del carburante attraverso il bunkeraggio stesso è fondamentale per la previsione e il monitoraggio delle prestazioni e per garantire l’idrostatica desiderata della nave. Questi aspetti e i piani d’azione in caso di perdite o fuoriuscite vengono solitamente discussi durante la conferenza pre-bunker, che può essere supportata digitalmente da modelli in tempo reale per ottenere risposte rapide agli scenari “what-if”.
La chiave del successo
L’ambiente di simulazione di Simcenter Flomaster consente di generare gli inviluppi dei risultati di diversi scenari di bunkeraggio, ma può anche servire a monte, nella fase di progettazione, per dimensionare le pompe e le linee in modo da ottenere i tempi ottimali per il riempimento, lo svuotamento e lo scandaglio dei serbatoi. Infine, le metriche critiche della simulazione possono essere inserite automaticamente nel registro degli idrocarburi, in conformità all’Allegato I della Convenzione MARPOL.
Evitare potenziali guasti e pericoli del sistema
Ora siamo interessati soprattutto ai potenziali guasti del sistema e ai pericoli per l’equipaggio e l’ambiente. I nostri modelli possono essere impostati in modo da fornire risposte esplicite per le normative pertinenti, ad esempio i codici IGC e IGF dell’IMO per il GNL. Il GNL viene solitamente immagazzinato a circa -162◦ C e presenta sia rischi criogenici, come congelamento e ustioni della pelle umana, sia rischi di incendio ed esplosione quando passa allo stato gassoso nell’intervallo di infiammabilità. Nel caso dell’ammoniaca, l’equipaggio può andare incontro a ustioni cutanee, irritazioni e infiammazioni del sistema respiratorio e degli occhi. Elevate concentrazioni di gas nell’aria, soprattutto in spazi ristretti, possono portare a esplosioni o a esiti fatali per le persone.
Scoprite come la simulazione CFD può aiutarvi nell’analisi delle conseguenze indesiderate
Per comprendere meglio i rischi dell’ebollizione istantanea degli spray e della dispersione di gas, esaminiamo il problema del rifornimento in mare, in cui simuliamo la dispersione di ammoniaca criogenica da un tubo a causa di una perdita durante il rifornimento. Utilizzando simulazioni con Simcenter STAR-CCM+, è possibile studiare la complessa fisica dell’ebollizione istantanea della dispersione di gas criogenico. Le metriche ricercate comprendono l’estensione del pennacchio, la concentrazione di ammoniaca in determinati punti e la presenza o meno di pioggia. Anche se è improbabile che i lavoratori sul ponte all’aria aperta siano esposti a livelli di concentrazione mortali superiori a 2000 ppm per 30 minuti o più, secondo l’Istituto di ricerca, la sensazione di bruciore o di irritazione agli occhi e al sistema respiratorio può derivare da un’esposizione di appena 70 ppm nello stesso arco di tempo.
Questi livelli non sono irraggiungibili all’interno di ambienti chiusi come i vani motore, il che sottolinea l’importanza di utilizzare la tecnologia di simulazione per la valutazione del rischio e la progettazione di contromisure.