Viabilidad del Uso del Gas Natural Licuado (LNG) en la Propulsión Marina en Perú

Vista : Planta Melchorita de LNG. Cañete - Perú

El presente artículo es una reflexión a la oportunidad de explotar el potencial del gas natural existente en nuestro país, que facilite el uso de gas natural licuado (LNG) como una alternativa real al uso de combustibles derivados del petróleo en el sector marítimo, obteniéndose beneficios en la disminución de los costos de operación así como adaptarse a las exigencias medio ambientales conforme lo indicado en el Convenio MARPOL 73/78, de forma específica a lo indicado en el Anexo VI para prevenir la contaminación atmosférica por los buques, esto aplicable a todas las naves bajo domino y control de la autoridad marítima nacional.

Siendo el Perú un país productor de este gas tiene mucho sentido, promover el uso de este combustible para el beneficio de la industria en general. Recordemos que el gas natural es extraído de los yacimientos de Camisea, transportado por ducto a la costa en donde es procesado como gas natural licuado (LNG)  a través de la planta de Melchorita y finalmente es exportado en estado líquido. Del mismo ducto se distribuye el mismo combustible, en estado de gas, hacia los consumidores industriales y residenciales, aún en volúmenes modestos. Esta es la razón por la cual es interesante presentar ideas que podrían incrementar el consumo y cambio de la matriz energética actual, para los próximos años.

¿Qué diferencia hay entre el Gas Natural y el LNG?

El gas natural se obtiene directamente del subsuelo. Está formado principalmente por metano (CH4), llegando a alcanzar concentraciones de 90 a 95% y etano. La estructura molecular del metano hace que sea más ligero que el aire. El metano o gas natural puede utilizarse de dos formas, comprimido o licuado (líquido). Justamente, para obtener LNG es necesario enfriar el gas natural hasta su condensación en estado líquido. Para efectuar el proceso de licuefacción, es preciso eliminar impurezas, tales como las sustancias ácidas, el agua y componentes pesados con la finalidad que el producto líquido no sea corrosivo ni se pueda congelar. El metano y etano son licuados hasta una temperatura de -163°C y, para su almacenamiento, se lleva a la presión de una atmósfera. El ciclo básico de refrigeración consta básicamente de dos intercambiadores de calor, una válvula y un compresor. Este proceso de licuefacción del gas natural permite que el LNG tenga un volumen 600 veces menor que en estado gaseoso lo que facilita su manipuleo, tanto para el almacenamiento como transporte.

Fig.1. Diagrama de flujo en bloque del proceso de licuefacción de GNL.

(fuente: http://en.citizendium.org/wiki/Liquefied_natural_gas )

Este producto es incoloro, inodoro, no toxico y no corrosivo. Su densidad es de 400 a 500 kg/m3, dependiendo de su temperatura. El LNG debe almacenarse en tanques criogénicos.  Los tanques criogénicos generalmente son de doble pared, con aislamiento entre ambas, para evitar que el GNL se caliente con el medio ambiente asegurando la temperatura de licuefacción a fin de evitar pérdidas por evaporación del LNG.

El Cuidado del Medio Ambiente Marino : Anexo VI del MARPOL 73-78

El interés de preservar el medio ambiente marino en todos los océanos, ha sido una preocupación desde finales del siglo XX. Estas iniciativas se concretaron en la Conferencia internacional sobre contaminación del mar convocada por la Organización Marítima Internacional (OMI) y celebrada del 8 de octubre al 2 de noviembre de 1973, que adoptó el Convenio internacional para prevenir la contaminación por los buques. El Convenio se modificó posteriormente mediante el Protocolo de 1978, que fue adoptado por la conferencia internacional sobre seguridad de los buques tanque y prevención de la contaminación, convocada por la OMI y celebrada del 6 al 17 de febrero de 1978. El Convenio, modificado por el Protocolo de 1978, se conoce con el nombre de “Convenio internacional para prevenir la contaminación por los buques, 1973, modificado por el Protocolo de 1978” o, de manera abreviada, “MARPOL 73/78”. Los cinco anexos del Convenio contienen las reglas aplicables a las diversas fuentes de la contaminación ocasionada por los buques.

Sin embargo hasta la década del 90, no se había establecido acciones concretas para regular la contaminación atmosférica en el mar. Según la OMI (Organización Marítima Internacional), sólo el transporte marítimo, es responsable del 3% de las emisiones globales de CO2, del 15% de las emisiones globales de óxidos de azufre (SOx) y de entre el 20-30% de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), además de otros contaminantes que tienen incidencia sobre la salud de las personas y el medio ambiente. Por esta razón el Convenio fue modificado por el Protocolo de 1997, mediante el cual se añadió el Anexo VI, sobre la prevención de la contaminación atmosférica por buques. Las reglas tratan de minimizar las emisiones al aire procedentes de los gases de escape de los buques, en particular los óxidos de azufre (SOx) y los óxidos de nitrógeno (NOx), su contribución a la contaminación atmosférica local y global y los consecuentes problemas ambientales. Nuestro país es firmante a este convenio y por lo tanto se adhiere a las disposiciones y exigencias del mismo, siendo obligación de la Dirección de Capitanías y Guardacostas de la Marina de Guerra del Perú así como la Autoridad Nacional Portuaria, velar por que los buques e instalaciones portuarias cumplan con el MARPOL.

El anexo entró en vigor el 19 de mayo de 2005 y se aprobó una importante revisión del anexo que establecía importantes límites para reducir las emisiones, en octubre de 2008, que entró en vigor el 1 de julio de 2010. Estos inicialmente fueron:

• Límites de emisiones de óxidos de azufre (SOx) y nitrógeno (NOx) de los escapes de los buques
• Límite mundial de 4,5% masa/masa del contenido de azufre del combustible
• Áreas de Control de Emisiones (ECA) de SOx
• Prohibición de emisiones deliberadas de substancias agotadoras de las capas de ozono
•      Límite de emisiones de óxido nitroso (NOx) de los motores diésel 

Las áreas de control de emisiones (zonas ECA) donde se establecen los límites de emisiones compuestas por el Mar Báltico, el Mar del Norte, el Canal de la Mancha y la mayor parte de las costas estadounidenses y canadienses, donde las emisiones SOx están limitadas al 0.1% (hasta el 1 de enero de 2015 era al 1%). Fuera de las zonas ECA las restricciones globales se sitúan en la actualidad, pero por poco tiempo, en el 3.5% para el SOx. En cuanto a emisiones de NOx, hasta el momento, únicamente existen restricciones en la zona ECA de las costas de EEUU y Canadá.

Fig.2. Áreas de Control de Emisiones IMO (ECA)

En la Figura 3 se presenta un gráfico con el límite máximo del contenido de azufre a nivel mundial, que se reducirá del actual 3,50% al 0,50%, con efectos a partir del 1 de enero de 2020, y con sujeción a un estudio de viabilidad que habrá de ultimarse no más allá del 2018, pero que nunca debería prorrogar la reducción más allá de 2025.

Fig.3. Anexo VI MARPOL – Límites de Sulfuro en el Combustible

En el caso de la regulación de los óxidos de nitrógeno NOx, las reglas para el control de emisiones del MARPOL se aplican a todo motor diesel marino con una potencia de salida superior a 130 Kw instalado en un buque y a todo motor diesel marino con una potencia de salida superior a 130 Kw que haya sido objeto de una transformación importante el 1 de enero de 2000 o posteriormente, salvo cuando haya quedado demostrado, de manera satisfactoria a juicio de la autoridad nacional, que tal motor constituye una sustitución idéntica del motor al que se reemplaza.

Los límites a los NOx impuestos por la Organización Marítima Internacional (OMI), a través del Comité de Protección del Medio Marino (CPMM), se han actualizado a lo largo de su tiempo de aplicación. Hasta el día de hoy se han desarrollado 3 normativas que imponen límites de NOx, cada una más restrictiva que la anterior. Dichas normas son la Tier I, Tier II y Tier III. A continuación se muestran dichos límites en la Figura 4.

Fig.4. Anexo VI MARPOL – Límites de Emisión de Óxidos de Nitrógeno

A pesar de que en la tabla se indica que la norma Tier III entró en vigor el 1 de Enero del 2016 en Áreas de Control de Emisiones (ECA), dicha fecha ha sido pospuesta hasta el 1 de Enero del año 2021; lo que significa que los motores instalados en un buque a partir de dicha fecha, tendrán la obligación de cumplir con la normativa Tier III. En la Figura 4. visualizamos en una gráfica como se han reducido las emisiones límite al implantarse las diferentes normativas.

Podemos ver como la Tier II supuso una disminución leve de las emisiones, con respecto a la Tier I; sin embargo, la Tier III, supone una reducción muy drástica en las emisiones de NOx permitidas, lo cual ha supuesto una dificultad difícil de superar para los fabricantes de motores. De hecho, los fabricantes han ampliado el espectro de combustibles a utilizar para sus motores, con el fin de cumplir con la normativa Tier III. El combustible elegido por los fabricantes de motores con el fin de cumplir esta normativa, y que seguramente esté llamado a ser el sustituto de los fueles residuales (Petróleo Residual 6 y Petróleo Industrial 500 en Perú) como combustibles marinos por excelencia, es el gas natural. Sin embargo, el gas natural, debido a ciertas propiedades físico-químicas necesita de temperaturas mayores en el cilindro para inflamarse. La solución adoptada por algunos de los fabricantes de motores marinos más extendidos actualmente, ha sido utilizar fuel residual o diesel como combustibles piloto para el arranque inicial. Si los NOx emitidos por los motores instalados en los buques mercantes superan los límites a los que se encuentren sometidos, la autoridad nacional puede aprobar su funcionamiento siempre que los gases de escape de los motores pasen a través de un sistema destinado a reducir las emisiones de NOx antes de ser liberados a la atmósfera, y tras dicho tratamiento si deben de cumplir con la normativa vigente.

Aplicación del Gas Natural Licuado (LNG) en la propulsión marina

Dos empresas fabricantes de motores marinos, MAN Diesel & Turbo y Wärtsilä, lideran el desarrollo de motores que usan el LNG como combustible. La propuesta de motores duales (Diésel - LNG) viene aplicándose de forma sostenida en los últimos años. 

Algunas empresas, principalmente europeas, que poseen barcos gaseros, de cabotaje, ferrys, remolcadores, OSV (Offshore Supply Vessel) y hasta algunas naves pesqueras han apostado por el uso de este combustible, conscientes de los beneficios del empleo de gas natural en la propulsión de buques,así como del progresivo aumento de los requerimientos internacionales en el control de las emisiones contaminantes, acompañados de medidas para reducir las de gases de efecto invernadero en los buques que operan en áreas costeras, de puerto y/o en vías marítimas interiores. 

Fig. 5. Planta Propulsión Marina Típica

Fuente: DNV

Los motores duales de los fabricantes MAN Diesel & Turbo y Wärtsilä permiten utilizar dos tipos de combustible, el gas natural y diésel. Los motores pueden operar en “Modo sólo diésel” y en “Modo de mínimo consumo de combustible diésel”. En el “Modo de mínimo consumo de combustible diésel”, la relación gas-diésel que se inyecta al cilindro puede variar en función de las necesidades del motor. La gama de motores duales MAN incluye modelos que operan con gases licuados del petróleo, en vez de con gas natural

Fig. 6. Maqueta 3D de Remolcador de Puerto Hibrido (Diésel - LNG)

Fuente: Wärtsilä

Tanques de almacenamiento de gas natural

El gas natural puede ser almacenado tanto refrigerado en estado líquido, como comprimido en estado gaseoso. Almacenarlo en estado líquido posee la ventaja de economizar el espacio. Este es un factor de gran importancia en barcos que puedan ser reconvertidos para usar gas natural como combustible para propulsión, puesto que en estos casos, se instalarán, por lo general, tanques en cubierta adaptados a su almacenamiento, y el espacio en cubierta es un bien escaso, que requiere ser aprovechado eficientemente. Este sistema también parece el más indicado para buques que poseen motores de gran potencia, debido al alto consumo de combustible, que requiere de una gran capacidad de almacenaje de combustible, o en buques que realizan largas travesías, como pueden ser viajes transoceánicos, donde el buque debe disponer de combustible suficiente para navegar entre el puerto de partida y el puerto de destino sin necesidad de atracar en puerto para repostar. Sin embargo, almacenar el combustible bajo presión, en estado gaseoso suprime la necesidad de regasificar el combustible para su suministro a los motores, método que requiere de gran cantidad de energía. Este sistema puede ser aplicado en pequeños barcos que no requieran grandes cantidades de combustible para almacenado a bordo, como pueden ser buques de cabotaje o pequeños barcos de recreo, puesto que simplifica el circuito de combustible, y suprime el sistema de regasificación, ahorrando espacio en el buque.

Fig. 7. Disposición de Tanques LNG en una Sala Maquinas

Fuente: Wärtsilä

Las características de los tanques para el almacenamiento del gas natural en estado líquido que hoy se emplean en los buques que no sean buques cargueros de LNG, poseen forma cilíndrica, y están aislados térmicamente. Estos son recargados con el gas natural en estado líquido, y se mantiene en este estado debido al aislante situado entre la pared interna y externa del tanque. Sin embargo, siempre se puede generar algo de vapor debido a la transferencia de calor desde el exterior. Dicho vapor puede ser despreciado, puesto que, aún en el caso de estar el buque amarrado en puerto, con un único motor auxiliar en servicio, el vapor generado en un día sería inferior a la cantidad de combustible consumida por el motor. Dichos tanques se pueden instalar tanto en zonas libres de cubierta, como sobre el fondo, como si fueran un tanque independiente integrado dentro del casco.

El Suministro de Combustible (Bunkering LNG)

La razón por la cual existe el gas natural licuado (en estado líquido) es porque es la única opción viable para su transporte a través de grandes distancias en donde técnica y económicamente no es viable la construcción de tuberías de gas. La cadena productiva del LNG comprende cinco etapas básicas:

• Producción del Gas
• Licuefacción
• Transporte
• Regasificación
• Consumo

En Perú, actualmente la producción del gas natural se extrae de la zona de Camisea en Cuzco y es conducido a través de una tubería hasta la planta de LNG en Melchorita, bajo la administración de PERU-LNG. Todo la producción del LNG es destinada a la exportación.

El gas natural que no va a la planta de Melchorita, es administrado por dos distribuidoras, CALIDDA y CONTUGAS, que distribuyen el gas para su uso doméstico para la población en las casas y edificios y otra parte es distribuida para el uso del parque automotor en las estaciones de servicio en las ciudades. Es decir, el uso del LNG en el país es bien poco usado, existiendo un alto potencial para su uso en la propulsión marina. Como se explico en el párrafo anterior, ya existen sistemas de propulsión duales de LNG - Diesel que operan en el mundo con bastante éxito y de hecho es la tendencia para los próximos años que esta configuración se vuelva popular en el mundo.

La principal inquietud de los armadores (dueños de los barcos) es asegurarse que exista una adecuada infraestructura para las recargas de este combustible. Esto puede efectuarse hasta de tres maneras, a través de un terminal que permita el abastecimiento directo, con todas las facilidades, mediante el uso de camiones cisterna al buque o de buque a buque. 

Fig. 8. Vista del Terminal Harvey Gulf International,
Primera instalación de LNG en Estados Unidos

La primera alternativa requiere una inversión relativamente alta para lo cual, las empresas que deseen instalar estos terminales, deberán asegurarse una demanda sostenida que permita obtener el retorno de la inversión dentro de los plazos esperados por los inversionistas. 

Un sector que podría traer su propia demanda, sería el sector pesquero peruano, quienes podrían considerar la posibilidad de renovar la flota pesquera con sistemas de propulsión duales (LNG - Diesel). Las razones que promoverían esto pudieran ser los bajos costos de operación al usar el gas así como también la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera. Si esta situación se produce, sin duda que se podría estudiar la posibilidad que las propias plantas productoras de harina de pescado, que ya usan el gas natural como combustible en sus calderos, consideren la instalación de este tipo de facilidades y permitan el suministro del LNG a la flota pesquera propia y a terceros.

Fig. 9. Reabastecimiento de LNG 

con camiones cisterna

Otra alternativa para abastecer del LNG a las naves es usando camiones cisterna. Este proceso es bastante simple y muy empleado en los puertos europeos, en donde existe un numero creciente de naves que usan este combustible. Esto es posible por los equipos existentes en las naves, que permiten tener sus propios tanques de almacenamiento y todas las condiciones para mantenerlo. 

En el país, esta solución parece la más viable, puesto que los camiones cisterna, también abastecerían la demanda industrial existente. 

Fig. 10. Reabastecimiento de LNG 

de Buque a Buque

Finalmente, otra forma que también se puede reabastecer a las naves es con barcos preparados para suministrar el LNG. Esta solución, quizás sea practica, en el mediano o largo plazo en Perú. 
Aún no existen naves que requieran este combustible y por lo tanto no existiría una demanda sostenida que anime la inversión por una nave de estas características.

Conclusiones

Podemos concluir que existen condiciones para promover el uso del combustible LNG en la propulsión marina en Perú por lo siguiente:

1. Perú es productor y exportador del gas natural. Con lo cual la materia prima está asegurada. Sin embargo, no hay duda que falta implementar más el bunkering LNG.
2. Las regulaciones para evitar la contaminación marina están promoviendo el cambio al uso del LNG como combustible menos contaminante y que se adapta a las exigencias internacionales de la IMO, dispuestas en el anexo VI del Marpol. 
3. El gas natural es de bajo costo, con lo cual impacta favorablemente al OPEX del uso de las naves. Razón para que los armadores y dueños de empresas revisen esta alternativa. principalmente en el uso de:

• Naves de cabotaje usando este combustible para abaratar el costo del flete. actualmente el cabotaje en Perú es casi inexistente por razones de costos.
• Remolcadores de puerto con gas natural, está probado y es una tendencia en crecimiento.
• Barcos de Pesca, por la modalidad de pesca en Perú que son trayectos relativamente costos y de poca autonomía. 

REFERENCIAS

Zepeda G, Juárez A. Herrera M. (2006) ¿ES EL GAS UN COMBUSTIBLE VIABLE PARA REDUCIR CONTAMINANTES ATMOSFERICOS?

Ph. D. Rosendo Ramírez R. GN - La Revista del Gas Natural - GNL EN MEDIANA Y PEQUEÑA ESCALA Y SUS APLICACIONES EN EL PERÚ

Queijo A. (2016) INGENIERÍA MARINA: COMPARATIVA ENTRE MOTORES DIÉSEL Y DE GAS NATURAL PARA PROPULSIÓN MARINA

Pérez A. (2014) ANÁLISIS DE LA APLICACIÓN DEL ANEXO VI DEL CONVENIO MARPOL EN LA FLOTA ESPAÑOLA

Swedish Marine Technology Forum. Linde Cryo AB. FKAB Marine Design. Det Norske Veritas AS. LNG GOT. White Smoke AB. (2011)  LNG BUNKERING SHIP TO SHIP PROCEDURE