Resumen
El sector del transporte marítimo, componente vital del comercio global, se encuentra bajo una presión creciente para descarbonizarse en consonancia con los objetivos climáticos internacionales. A medida que las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) provenientes del transporte marítimo continúan en aumento, la modernización de la flota existente mediante tecnologías de bajas emisiones representa una oportunidad de alto impacto. Entre los diversos combustibles alternativos, el amoníaco ha ganado una atención significativa debido a su naturaleza libre de carbono, su infraestructura madura y su potencial de producción renovable. Esta investigación analiza la viabilidad de readaptar motores marinos diésel convencionales de dos tiempos y baja velocidad para su operación en modo dual con amoníaco, mediante el desarrollo de una estrategia de combustión difusiva de amoníaco, utilizando inyección piloto de diésel para iniciar la combustión. Se ha elegido esta estrategia de combustión por su potencial para limitar las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), controlar las emisiones de amoníaco y la formación de óxido nitroso (N2O).
El desarrollo de un marco de simulación robusto constituye un elemento central de esta investigación, al permitir el diseño y la evaluación del sistema de combustión con amoníaco. Para captar con precisión las complejas interacciones entre el rendimiento a nivel de motor y la dinámica de la combustión en el cilindro, se emplea un enfoque de modelado multiescala, que combina simulaciones rápidas del sistema motor 0D/1D con Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) 3D de alta fidelidad. Esta combinación permite tanto una exploración eficiente de parámetros de diseño como un análisis detallado de los fenómenos de combustión del amoníaco. Las herramientas de simulación se validan con datos experimentales provenientes de ensayos con un motor diésel convencional y de experimentos específicos en cámaras de combustión con amoníaco, lo cual refuerza la precisión de los modelos y garantiza un uso fiable de la plataforma de simulación en el proceso de diseño del sistema de combustión.
Las características particulares del amoníaco, como su alta temperatura de autoignición y baja velocidad de llama representan desafíos importantes para lograr una combustión autosostenida. Si bien la ignición se consigue de forma consistente mediante la inyección piloto de diésel, la propagación de la llama permanece inestable bajo condiciones nominales de operación. Se exploran diversas estrategias para mejorar la estabilidad, incluyendo ajustes en los parámetros de inyección y la interacción entre los espráis de diésel y amoníaco. La configuración más efectiva, denominada caso de simulación 2.7, utiliza frentes de llama opuestos y patrones de inyección optimizados para asistir en el desarrollo de la llama. Sin embargo, la longitud de lift-off (LOL) muestra mejoras limitadas, lo que indica que lograr una combustión de amoníaco completamente autosostenida sigue siendo un reto.
Bajo esta configuración, el motor alcanza una operación estable en condiciones de proporciones medias y altas de energía aportada por el amoníaco. Los resultados de emisiones fueron prometedores: las emisiones de dióxido de carbono (CO2) se redujeron en un 95% en comparación con la combustión únicamente con diésel, y las emisiones totales de GEI disminuyeron aproximadamente un 90% en masa al incluir el óxido nitroso (N2O). Las emisiones de NOx también fueron menores debido a las temperaturas reducidas de combustión, y las emisiones de amoníaco se mantuvieron dentro de niveles seguros. Adicionalmente, la eficiencia indicada aumentó en un 2,4%, gracias a una menor pérdida de calor y a las propiedades termodinámicas favorables de los productos de combustión del amoníaco. Además, la demanda de aire similar a la de la operación con diésel sugiere una necesidad mínima de modificaciones en el sistema de sobrealimentación, lo que facilita el proceso de readaptación.
