Metodología para el cálculo de emisiones de NOx en buques portacontenedores: aplicación en puerto modelo y al cálculo de emisiones ponderadas

Abstract

The objectives of this thesis are the layout of a model for the calculation of the NOx emissions from the ships during the port operations, the development of a tool to carry out the mentioned calculation, the validation of the method applied and also the validation of the software designed jointly by the General Directorate of the Merchant Marine (this researcher has represented this organization) and the University of Vigo. So, bearing in mind the above paragraph, it is firstly applied an analytic method to calculate the NOx from the marine diesel engines. This methodology is applied to the calculation of the emissions generated in a model port by a specific type of ship. In this stage all the containerships that called at Barcelona in 2009 have been selected. The methodology distinguishes and analyses in depth the different operative stages that take place during the port period and it has initially been completely developed in two containerships with the aim of enlightening the method, afterwards the calculation has been extended to the rest of the ships indicated in the above paragraph by means of a worksheet that incorporates all the details applied in the two model ships. Later on a calculation as weighted emissions is carried out in the same model ships above indicated according with the test cycles defined in the NOx Technical Code. This stage of the thesis can be justified due to the fact that for validating the analytic method used in the paper, it is necessary a normalized base to compare the results, so the results obtained as total weighted emissions by using the test cycles of the mentioned regulation have been required and used. This calculation is firstly developed by the method defined in the thesis and secondly by means of the simulation software indicated in the first paragraph. After getting the weighted emissions results, queries and searches have taken place to obtain the values declared by the engines makers of the model ships. These values are included in the thesis body and a comparative analysis of the different results is made in the conclusions section. The analytic method referred to at the beginning of this summary is supported by the use of different variables. Firstly the called emission factors (EF) have to be fixed. They are defined for the different types of engines and for each pollutant. The EF¿s mainly depend on different parameters that are detailed in the thesis. The acquisition of the EF¿s is done empirically, mainly by the engines makers and the Recognized Organizations responsible for the pre-certification survey. In this case, reference values for different engines classified by type and nominal speed were obtained through the professor James J. Corbett from the University of Delaware. In the thesis, they have been extrapolated and approximated to polynomial functions to cover the engine working range required in this paper. Later on, bearing in mind the typology of propulsion and generating plants of the ships studied, these plants have been classified in the different curves previously designed to get the most accurate results. The specific fuel oil consumption (SFOC) is other main variable of the method developed in the thesis. To estimate the SFOC¿s of the ships engines, a division based in reference engines has been carried out and after that the ships engines have been classified in its corresponding division. The reference engines SFOC¿s have been supplied by the manufacturers themselves, which only provide the values corresponding to the common working loads. Afterwards, they have been extrapolated and approximated to polynomial functions for the complete range required by the operative conditions at port. Once the emission factors and the specific fuel oil consumptions are known and after estimating the load ranges of the main and generating plants and the timing taken by each operative phase, the NOx emissions for all the containerships of the thesis are obtained.

Esta tesis tiene como objetivos el diseño de un modelo para el cálculo de las emisiones de NOx procedentes de los buques en las operaciones de puerto, el desarrollo de una herramienta para realizar el cálculo mencionado y la validación del método aplicado y del software para el cálculo de emisiones elaborado por la Dirección General de la Marina Mercante (representada por este doctorando) y por la Univ. de Vigo. Así, teniendo en cuenta el párrafo anterior, se inicia el trabajo desarrollando un método analítico para el cálculo de NOx procedentes de los motores diésel marinos. Dicha metodología se aplica a la aproximación a las emisiones producidas por un determinado tipo de buque en un puerto modelo. En este caso se han seleccionado todos los portacontenedores que hicieron escala durante el año 2009 en el puerto de Barcelona. La metodología distingue y detalla las distintas fases operativas en puerto y se ha desarrollado inicialmente en dos portacontenedores modelo de características muy distintas con el fin de ilustrar el método, posteriormente se extiende el cálculo al resto de buques por medio de una hoja de cálculo que incorpora todos los detalles aplicados en los buques modelo. A continuación se realiza un cálculo de emisiones ponderadas (EP) en los mismos buques modelo de acuerdo con los ciclos de ensayo que se definen en el Código Técnico sobre los NOx. Esta fase tiene como fin la validación de resultados, para lo cual éstos deben obtenerse conforme a una base normalizada, constituida por la norma indicada. Este cálculo se lleva a cabo en primer lugar mediante el método analítico definido en la tesis y, en segundo lugar, por medio del software mencionado en el primer párrafo. Tras la obtención de las EP, se han realizado las consultas y la investigación necesarias para obtener los valores declarados por los fabricantes de los motores de los buques modelo. El cuerpo de la tesis los incluye y en las conclusiones se efectúa una comparativa de los diferentes resultados. El método analítico se fundamenta en el uso de diferentes variables. En primer lugar, se deben determinar los denominados factores de emisión (FE) que se definen para los diferentes tipos de motor y para cada contaminante. Los FE dependen de diferentes variables que se detallan en la tesis. La obtención de los FE se realiza empíricamente, fundamentalmente por parte de los fabricantes de los motores y por parte las Organizaciones Reconocidas encargadas de la certificación previa de las máquinas. En este caso, tras recurrir al profesor James Corbett (Univ. de Delaware) se han podido obtener unos valores de referencia para distintos motores clasificados por tipo y velocidad nominal. En la tesis han sido extrapolados y aproximados a funciones polinómicas, dando así cobertura al rango de funcionamiento que requería el trabajo. Posteriormente, y teniendo en consideración la tipología de plantas propulsoras y generadoras de los buques manejados, se han ido clasificando éstas en las diferentes curvas de referencia de FE para la obtención de los valores más ajustados. Otra de las variables fundamentales del método es el consumo específico de combustible (Cee). Para estimar los Cee de los motores de los buques del trabajo, se ha realizado una división por motores de referencia y se han ido encuadrando las diferentes instalaciones de los buques en la categoría pertinente. Para la obtención de los Cee de estos motores de referencia, se ha recurrido a los propios fabricantes, que proporcionan los valores en el rango de carga habitual de trabajo. Posteriormente, se ha procedido a la extrapolación de los mismos y a la aproximación a funciones polinómicas para todo el rango de funcionamiento en las condiciones operativas en puerto. Conocidos los FE y los Cee, y estimados los rangos de carga de las plantas propulsoras y generadoras y los tiempos empleados en las diferentes fases operativas, se obtiene una aproximación a las emisiones de NOx en los buques objeto de la tesis.