Propulsione COGAS per l'ottimizzazione del sistema nave

Propulsione COGAS di navi portacontenitori per l’ottimizzazione del sistema nave 
 
Capitolo 1 : Introduzione 6 
 
Capitolo 1 
Introduzione 
Lo studio proposto ha come obiettivo la verifica, da un punto di vista prevalentemente 
tecnico, della possibilità di installare a bordo di navi un impianto COGAS (Combined Gas 
and Steam Turbines) in sostituzione dei motori diesel.  
L’attenzione per queste tipologie d’impianto motore, già introdotte in passato su un 
ridottissimo numero di navi per applicazioni particolari, che nel loro insieme offrono 
possibili vantaggi rispetto ai loro concorrenti di oggi, più diffusi, comincia a crescere per via 
delle mutate condizioni del mercato nel settore marittimo e della maggiore sensibilità 
dell’opinione pubblica nei confronti dei problemi ambientali. 
 
Lo scenario a cui si assiste attualmente è un predominio dei motori diesel lenti utilizzati per 
la propulsione delle grandi navi: Navi porta contenitori, Navi cisterna, Navi trasporto alla 
rinfusa. La prima ragione è imputabile alla alta efficienza di queste tipologie di motori 
(anche acarichi ridotti) e alla loro predisposizione a poter bruciare olio combustibile 
pesante HeavyFuelOil (HFO). Questo carburante,  essendo meno pregiato, ha il vantaggio 
di avere un costo inferiore rispetto ad esempio al Marine Diesel Oil (MDO), ma al 
contempo più denso, viscoso e contenente impurità, come lo zolfo, dannose per gli stessi 
motori e l’ambiente. Il tema delle emissioni inquinanti sta avendo una forte risonanza e nel 
campo navale viene legiferata da organizzazioni a livello nazionale e internazionale.
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Capitolo 1 : Introduzione 7 
 
La produzione di emissioni inquinanti viene regolata dall’IMO ( International Maritime 
Organization ), che ha imposto la riduzione della quantità di zolfo presente nei combustibili 
marini. La conseguenza sarà il miglioramento della raffinazione del combustibile che 
porterà però all’aumento del costo, riducendo la differenza di prezzo tra l’olio combustibile 
e gli altri combustibili più pregiati. Uno studio del 2002 suggerisce: “ se il tenore di zolfo 
presente negli HFO dovrà essere ridotto all’ 1.5%, allora la differenza di prezzo tra HFO e 
combustibili più raffinati tenderà ad annullarsi” [1]. 
Con l’imporsi di norme sempre più restrittive ed il dovere di abbassare il deleterio impatto 
sulla salute umana e sull’ ambiente, inizia a crescere l’attenzione verso nuove tecnologie 
da utilizzare nella propulsione navale in sostituzione di quelle già esistenti. Tra queste 
suscita un particolare interesse la possibilità di adottare un impianto a ciclo combinato, che 
ha un alto rendimento e produce meno inquinanti. Inoltre offre il vantaggio di avere un 
peso ed ingombro inferiore rispetto al tradizionale motore diesel lento. 
Nel passato i cicli combinati sono stati usati raramente nelle applicazioni navali, causa il 
loro costo iniziale alto e l’esigenza di dover bruciare nella turbina a gas, parte di tali 
impianti, un combustibile pregiato e quindi più costoso.  Oggi, a seguito delle restrizioni 
sulle emissioni inquinanti ed all’aumento di costo del combustibile, l’opzione del ciclo 
combinato inizia ad essere valida per il futuro.  
 
Normative 
A livello internazionale, come già detto,  le emissioni sono regolamentate dalle norme della 
International Maritime Organization (IMO). L’attuale regolamentazione è contenuta nella 
MARPOL 73/78 Annex VI, ed è entrata in vigore nel 2005. 
La Regulation 18 di questo documento limita il contenuto di zolfo del combustibile al 4.5% 
sulla massa; la normativa prevede però che in alcune zone del mondo, le cosiddette 
SOxEmission Control Areas (SECAS: Mar Baltico e Mar del Nord), i limiti siano più restrittivi 
e che il contenuto di ossidi di zolfo non superi l’1.5% in massa,  percentuale non rispettata 
ad esempio dall’HFO non trattato. In alternativa le navi possono dotarsi di un sistema di 
trattamento dei gas di scarico.
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Capitolo 1 : Introduzione 8 
 
Nell’incontro della Marine Environment ProtectionCommittee (MEPC) tenutosi il 7 aprile 
del 2008 sono stati proposti degli emendamenti alla versione della normativa entrata in 
vigore nel 2005: è stato deciso infatti di ridurre il massimo contenuto accettabile di zolfo 
nei combustibili al 3.5% entro il gennaio del 2012 ed allo 0.5%  entro il 2020 mentre nelle 
aree SECAS verrebbero proibiti dal 2010 combustibili con contenuto superiore all’ 1% e dal 
2015  superiore allo 0.1%. In figura 2.4 è riassunto quanto appena detto. 
 
 
Figura 1.1: Limiti  di accettabilità per il contenuto di zolfo nei combustibili marini 
 
Nella Regulation 13 dell’Annex VI si identificano invece i limiti sulle emissioni di ossidi di 
azoto per motori Diesel. L’attuale regolamentazione (Tier I) limita le emissioni a 17 g/KWh 
per i motori lenti e medio-veloci, e a 9.8 g/KWh per motori con velocità superiori a 2000 
RPM. L’assemblea dell’aprile 2008  ha suggerito  riguardo a queste  emissioni restrizioni 
future notevoli: per i motori costruiti dopo il primo gennaio del 2011 va applicata la 
normativa “Tier II” ( 14.4 g/KWh per motori lenti, 7.7 g/KWh per motori veloci) mentre per 
quelli costruiti dopo il primo gennaio 2016 entrerà in vigore la “Tier III”(3.4 g/KWh per i 
motori lenti e 2.0 g/KWh per i veloci).
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Capitolo 1 : Introduzione 9 
 
 
Figura 1.2: Limiti sulle emissioni di NO 
 
Altre normative che verranno elaborate includeranno restrizioni per le emissioni di 
particolato e polveri sottili. 
 Oggi, a seguito delle limitazioni maggiori nelle SECAS, l’HFO con basso contenuto di zolfo 
(il BTZ: Basso Tenore di Zolfo) , che necessariamente deve essere impiegato in questi mari, 
ha prezzi paragonabili all’MDO. 
Da qui la possibilità che in futuro l’impianto COGAS., pur bruciando combustibile più 
pregiato, possa essere preferito ai motori Diesel visti i migliori rendimenti ed il minor 
ingombro e peso. 
 
Già da oggi potrebbe esserci un notevole interesse perl’impiego su navi LNG, dell’impianto 
COGAS, visto che la maggior parte di queste navi utilizza come combustibile il metano 
dovuto alboil-off  del gas liquefatto presente in cisterna. Le turbine a gas sono in grado di 
bruciare questo tipo di combustibile, tra l’altro molto pulito e accoppiate con un sistema di 
recupero del calore dei gas di scarico, produrre vapore per alimentare Turbine a vapore.
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Capitolo 1 : Introduzione 10 
 
In tal modosi raggiungerebbero rendimenti superiori a quelli degli impianti con Turbina a 
vapore normalmente impiegate a bordo di queste navi. In questo campo occorre però 
battere la concorrenza dei motori Diesel a gas o a Dual-fuel di ultima generazione, che 
stanno cominciando ad essere impiegati sulle ultime navi costruite nei cantieri orientali, 
motori che hanno rendimenti più bassi di quelli ottenibili con l’impianto COGAS essendo 
generalmente motori a  4T (circa 45-48%) . 
 
Effetti dell’inquinamento 
 
L’inquinamento atmosferico provoca danni all’ambiente e comporta delle conseguenze 
anche sul cambiamento climatico . Gli effetti negativi sono:  acidificazione, eutrofizzazione, 
inquinamento fotochimico, alla lunga, cambiamenti del clima terrestre. 
L'acidificazione è causata prevalentemente dalla deposizione di solfuri, ossidi d’azoto e 
ammoniaca. Gli ossidi di zolfo e gli ossidi di azoto a contatto con l’acqua causano un 
meccanismo di acidificazione concettualmente semplice. Nell’atmosfera l’acqua è presente 
sotto forma di vapore che condensando determina la formazione delle gocce. Queste, 
essendo costituite da sola acqua, hanno un pH pari circa a 7,0; nella dissoluzione 
dell’anidride carbonica (CO2), presente naturalmente nell’atmosfera, si produce l’acido 
carbonico [H2O + CO2 —> H2CO3] che causa un abbassamento del pH delle gocce a valori 
intorno a 5,5, valori considerati naturali. In presenza di anidride solforica e di biossido di 
azoto l’acqua reagisce formando rispettivamente acido solforico (SO3 + H2O -> H2SO4) e 
nitrico (NO2 + H2O -> HNO3) che, essendo acidi forti, determinano un ulteriore 
abbassamento delpH a valori anche attorno a 2.La presenza nell’ecosistema marino di dosi 
troppo elevate di sostanze nutritive contenenti  zolfo, azoto e fosforo provocano 
l’accrescimento di organismi vegetali che causano il degrado dell’ambiente acquatico, 
rendendolo  asfittico; infatti la proliferazione di alghe microscopiche che non vengono 
smaltite dai consumatori primari, determinano una maggiore attività batterica, 
aumentando così il consumo globale di ossigeno, la cui mancanza favorisce la morte delle 
specie marine. Questo fenomeno è stato riconosciuto come un problema di inquinamento
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Capitolo 1 : Introduzione 11 
 
in Europa e in America del Nord verso la metà del XX secolo e da allora si è andato 
sviluppando. 
L’inquinamento fotochimico è invece un particolare tipo di inquinamento che si viene a 
creare in giornate soleggiate a seguito di reazioni chimiche catalizzate dalla luce  cui sono 
sottoposti gli ossidi di azoto. I composti che costituiscono questo smog fotochimico sono 
tossici per animali, vegetali ed esseri umani. 
Ossidi di azoto e zolfo inoltre sono sostanze che accelerano il deterioramento di 
monumenti e costruzioni in calcare e arenaria, materiali molto sensibili agli attacchi di 
sostanze acide. 
Altro tema importante sono gli effetti degli inquinanti sulla salute del genere umano; le 
polveri sottili sembrano essere le più dannose in tal senso. Queste portano infatti a cancro, 
problemi cardiovascolari e respiratori.  
Infine le emissioni inquinanti hanno un’influenza notevole sui cambiamenti climatici. I 
meccanismi principali attraverso cui questo avviene sono: emissione diretta e indiretta di 
gas-serra ed emissione di particelle sottili (aerosol). 
L’anidride solforosa presente nell’etere riflette le radiazioni solari provocando un 
sottoraffreddamento  del pianeta Terra ed altera la formazione delle nuvole. Gli NO
X
 e CO 
causano alterazione del clima, poiché producono O
3
 (ozono) ed inoltre, reagendo 
nell’atmosfera generano OH che si andrà a combinare con il  CH
4
 (metano). Ozono e 
metano sono due gas importanti presenti nell’atmosfera; ad un aumento di 
concentrazione di ozono sussegue un surriscaldamento della Terra, invece ad una 
diminuzione di metano consegue un sottoraffreddamento.
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 12 
 
 
Capitolo 2 
Gli Impianti Combinati 
2.1 Generalità 
 
La denominazione Impianti Combinati può avere diversi significati: nel campo navale ci si 
riferisce a quegli impianti che hanno più motori primi, in campo meccanico si intende 
prevalentemente una combinazione di tipo termodinamico. 
Nella loro prima accezione sono impianti che si abbinano bene a navi che hanno più 
condizioni di progetto. Ad esempio per le navi militari, l’apparato motore viene progettato 
per poter essere compatibile in maniera ottimizzata con due condizioni di progetto, 
velocità di crociera e velocità di tutta forza. Per raggiungere la velocità di crociera si 
necessita di circa il 60% della massima potenza installata, i motori lavorano bene ed hanno 
un minore consumo specifico per un certo punto di funzionamento, quindi a carichi più 
bassi il consumo specifico aumenta. 
Converrebbe sfruttare la potenza ottimale producibile da un certo numero di motori, 
facendoli lavorare nelle condizioni di minor consumo specifico, per una certa condizione di 
progetto, e all’ occorrenza addizionare la potenza degli altri motori quando si necessita di 
più potenza.  Possono essere concepite molteplici combinazioni di motori primi, in base 
alle esigenze che la nave richiede, comunque il concetto di base di questi impianti è il 
frazionamento della potenza.
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 13 
 
 
Nella propulsione navale, negli anni 60-70 erano molto diffuse le Turbine a Vapore, ma 
iniziarono a diffondersi anche le Turbine a Gas di derivazione aeronautica, la seguente 
combinazione macchinistica concepita è stata denominata  COSAG  (Combined Steam and 
Gas Turbine). Si utilizzava la Turbina a Gas per l’andatura di crociera e si inseriva la Turbina  
a Vapore per la massima velocità. 
 
Ci sono diverse combinazioni di motori primi, appositamente scelti per avere 
configurazioni di tipo motoristico che meglio soddisfano la richiesta di potenza delle 
diverse condizioni di progetto che le navi devono soddisfare. I motori coinvolti sono 
Turbine a Vapore, Turbine a Gas e motori Diesel. Introducendo  anche la variante elettrica, 
per cui la potenza meccanica erogata dai motori primi viene convertita in energia elettrica 
per poter azionare un motore elettrico si avranno numerosi vantaggi, tra i quali si ricorda la 
semplicità con cui invertire il senso della rotazione dell’ elica per la marcia indietro e la 
libertà di sistemazione dei motori primi non essendo più presente un rigido collegamento 
con la linea d’ assi. 
 
E’ interessante confrontare due tipologie di apparato motore in cui sono presenti gli stessi 
motori primi ma collegati solo meccanicamente o anche termodinamicamente. Si può 
considerare, ad esempio la combinazione Turbina a Gas - Turbina a Vapore, quindi gli 
impianti combinati COSAG (collegamento meccanico) e COGAS (collegamento 
termodinamico). 
Nell’impianto COGAS , il motore principale (più potente) è la Turbina a Gas e la Turbina a 
Vapore è il secondario. I gas di scarico del motore principale sono inviati in una caldaia a 
recupero in cui avviene lo scambio di calore con l’acqua-vapore che muoverà la relativa 
Turbina. Nell’impianto combinato COGAS il ciclo termodinamico sovrapposto (Gas) 
produce potenza e cede il suo calore di scarto ad un secondo ciclo sottoposto, collegato ad 
esso termodinamicamente (Vapore).
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 14 
 
 
 
 
Figura2.1: Cicli termodinamici in cascata 
 
La grandezza macchinistica principale da confrontare è il rendimento termodinamico tra 
l’impianto combinato COGAS e COSAG. 
Nel caso di un collegamento esclusivamente di tipo meccanico, la configurazione COSAG, il 
rendimento complessivo dell’impianto sarà dato dalla media pesata dei rendimenti dei 
singoli cicli, quindi la relazione matematica che ne segue è: 
 
ii
i
G
i
i
P
P






 
                Formula 2.1 
 
Solitamente le Potenze dei due motori sono simili ed anche i loro rendimenti, perciò il 
risultato sarà un rendimento termodinamico invariato.
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 15 
 
 
Nel caso invece del COGAS, nel caso ipotetico di un totale recupero del calore di scarto del 
ciclo sovrapposto da parte del ciclo sottoposto, si avrà:  
 
sup inf sup
(1 )
c i c i
G
ci
m H m H
mH
  

   

 
Formula 2.2 
 
Sviluppando la suddetta espressione si ottiene: 
 
sup inf sup inf G
         
 
Formula 2.3 
 
Se si considera, ad esempio un valore di rendimento dei singoli cicli di 0.37, il rendimento 
complessivo è pari a circa 0.6, nettamente migliore. 
Per ottimizzare il ciclo combinato ed elevare il suo rendimento complessivo, si dovrà 
innalzare il rendimento del singolo ciclo a gas e migliorare lo scambio di calore che avviene 
nella caldaia a recupero. 
La turbina a gas offre rendimenti compresi tra il 30 e il 40% a seconda di quanto complesso 
sia l’impianto e di quali soluzioni vengano usate per aumentarne il rendimento 
(frazionamento compressione, doppia camera di combustione, ecc). La potenza che è in 
grado di generare l’impianto a vapore a valle della turbina a gas in un impianto combinato 
COGAS può arrivare a superare anche il 50% di quella della Turbina a gas, portando a 
rendimenti compresi tra il 46% e il 55%; tutto dipende da quanto risultano essere 
sofisticati gli accorgimenti tecnici con cui viene progettata la Turbina a Gas e la potenza 
massima raggiunta dall’ impianto . La figura 2.2 mostra la relazione tra i rendimenti degli 
impianti combinati e la taglia di potenza, viste le potenze considerate nella figura, in essa si 
fa riferimento anche ad impianti terrestri per produzione di energia elettrica.
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 16 
 
 
La possibilità di poter installate impianti combinati dediti alla produzione di potenza 
elevate permette di ottenere rendimenti termodinamici maggiore, perché è resa 
ragionevole l’ introduzione di migliori accorgimenti tecnici per innalzare la produzione di 
energia. Un aumento del rendimento, anche se moderato, permette di poter produrre più 
potenza a parità di costo delle innovazioni tecnologiche adottate, quando diventa più alta 
la potenza prodotta dall’ impianto. Nel caso di un impianto combinato di ridotta potenza 
non è opportuno complicarne troppo la sua configurazione tecnica, in quanto da un 
aumento del rendimento si otterrà un aumento di potenza che non giustifica il maggiore 
investimento iniziale per dotare l’impianto di una maggiore sofisticazione impiantistica. 
 
 
                 Figura 2.2:Rendimento dei cicli combinati al variare della taglia 
 
Negli impianti combinati gas-vapore (COGAS), assume una particolare importanza la 
caldaia a recupero, che può essere ad uno o a più livelli di pressione.  
Nel caso essa sia ad un livello di pressione, non si riesce a recuperare l’intero contenuto 
energetico dei fumi e, di conseguenza, la potenza che si riesce a produrre con la turbina a 
vapore non è molto alta e i rendimenti globali non superano lo 0.53. Nel caso di caldaie a 
due o più livelli di pressione si riesce a recuperare molto più calore e quindi a raggiungere 
rendimenti che per impianti di terra arrivano quasi a 0.6.  
 
0 
10 
20 
30 
40 
50 
60 
70 
0 200 400 600 800 1000 
Rendimento % 
Potenza MW
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 17 
 
 
Un ciclo a più livelli di pressione riesce a recuperare più energia dai fumi per le minori 
irreversibilità dello scambio termico, nel capitolo dedicato alla caldaia a recupero 
l’argomento sarà affrontato più approfonditamente.  Nel grafico seguente si può osservare 
il vantaggio sul rendimento che offrono le caldaie a più livelli di pressione e l’influenza del 
rapporto di compressione delle turbine a gas sul rendimento globale del ciclo. 
 
 
 
              Figura2.3: Vantaggi sul rendimento dati da caldaie a più livelli di pressione
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 18 
 
 
   2.2 Diesel e Cogas: 
   Differenti Tecnologie a confronto 
 
2.2.1 Efficienza impianto 
La caratteristica principale del motore primo dell’impianto propulsivo di un natante è 
l’efficienza, cioè il rendimento termodinamico, che influenza il costo di esercizio e le 
emissioni inquinanti, (come l’anidride carbonica). Dall’analisi dei dati disponibili in 
letteratura [1], un progetto ottimizzato di un impianto COGAS caratterizzato da un potenza 
di diverse decine di MW, permette di ottenere rendimenti paragonabili ed anche un pò 
superiori a quelli dei migliori motori Diesel. 
 
 
Gli impianti di propulsione delle navi, in particolar modo delle navi commerciali, sono 
progettati per avere il minore consumo specifico di combustibile nella condizione di 
funzionamento il più possibile prossima alla velocità e condizione di carico nominale; ma 
nel corso della vita della nave si presenterà la necessità di procedere a velocità differenti e 
con una condizione di carico variabile, è quindi opportuno, che l’impianto di propulsione, e 
dunque anche il motore primo, mantenga elevato il suo rendimento anche quando 
funziona in condizioni di funzionamento di fuori progetto. 
Punto forte dei motori Diesel a due tempi (‘lenti’) impiegati nella propulsione navale, è la 
loro capacità di mantenere alti rendimenti anche in condizioni di carico abbastanza lontane 
da quella ottimale (all’ 80% della massima potenza e al 95% del numero di giri massimo per 
esempio). Per favorire la diffusione degli impianti combinati quale alternativa agli attuali 
motori diesel impiegati nella propulsione navale, una sfida importante sarà quella di 
progettare, se possibile, impianti combinati che non risentano, a carichi parziali, di forte 
variazioni del rendimento termodinamico.
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Capitolo 2 : Gli impianti Combinati 19 
 
 
Il rendimento termodinamico dell’impianto combinato gas-vapore è funzione del 
rendimento proprio del ciclo a gas, del rendimento del ciclo a vapore e di quanto calore di 
scarto sarà possibile recuperare.  
Un’espressione analitica che ben sintetizza il rendimento termodinamico del suddetto ciclo 
combinato è la seguente : 
η
CC
=  η
GT
 + (1 -η
GT
)ε
HRSG
η
Rankine 
Formula 2.4 
 
dove è  η
GT
 il rendimento del ciclo a gas, ε
HRSG
 è l’efficienza con cui si riesce a recuperare il 
calore di scarto (quindi rappresenta il rapporto tra calore trasferito e quello 
potenzialmente trasferibile in caldaia) , η
Rankine
  è l’efficienza del ciclo a vapore. 
 Il calore trasferibile è definito, come tutto il calore trasmettibile, considerando come 
temperatura iniziale quella di uscita dei gas dalla turbina e quella finale la temperatura 
ambiente. 
 
 
L’efficienza di calore recuperabile è influenzata dal progetto del ciclo a vapore: numero di 
livelli di pressione, differenza di  temperatura al pinch point e all’ approach point. Ai carichi 
parziali, questa efficienza dipende dalle proprietà dei gas in uscita dalla Turbina a Gas, 
soprattutto dalla portata di aria + combustibile, dato che questo parametro influenza 
coefficienti di scambio termico e quindi la variazione di temperatura al pinch point e 
all’approach point. 
Nel capitolo dedicato al dimensionamento e ottimizzazione della caldaia a recupero, 
l’argomento della ottimizzazione dello scambio termico nella caldaia a recupero sarà 
trattato più approfonditamente.