Descarbonización del tráfico marítimo: estudio comparativo de las diferentes opciones

Curso: 2022 - 2023 Director/Directora: Hueso Ordóñez, César Estudiante: García López, Patricia Fecha: Bilbao, 20 de septiembre de 2023 DESCARBONIZACION DEL TRÁFICO MARÍTIMO: ESTUDIO COMPARATIVO DE LAS DIFERENTES OPCIONES MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA ENERGÉTICA SOSTENIBLE TRABAJO FIN DE MÁSTER 1 RESUMEN En este trabajo se llevará a cabo un análisis de los combustibles diésel, hidrógeno, amoniaco, metanol, óxido de uranio (𝑈𝑂!) y gas natural licuado para el transporte marítimo. Consistirá en evaluar las emisiones producidas en la fase de producción de los combustibles y en la fase de operación del buque. También se llevará a cabo un análisis económico del valor de cada combustible y el volumen que ocuparía cada combustible en el buque. La industria marítima está buscando mejoras tecnológicas para proveerse de energía menos contaminante y neutra en emisiones de 𝐶𝑂!. Los combustibles alternativos a los fósiles están siendo analizados por diferentes expertos. En este trabajo se compararán las ventajas y desventajas de cada combustible, teniendo en cuenta factores como la eficiencia energética, la disponibilidad, el costo y el impacto ambiental. Esto permitiría tomar decisiones sobre cómo avanzar en la descarbonización del transporte marítimo. LABURPENA Lan honetan diesel, hidrogeno, amoniako, metanol, uranio oxidoa (𝑈𝑂!) eta itsas garraiorako gas natural likidotua aztertuko dira. Erregaiak ekoizteko fasean eta itsasontziaren eragiketa-fasean sortutako isuriak ebaluatzean datza. Era berean, erregai bakoitzaren balioaren eta erregai bakoitzak itsasontzian hartuko lukeen bolumenaren azterketa ekonomikoa egingo da. Itsas industria hobekuntza teknologikoak bilatzen ari da gutxiago kutsatzen duen energiaz eta emisioetan neutroa den energiaz hornitzeko $ 𝐶𝑂!. Fosilen ordezko erregaiak aztertzen ari dira hainbat aditu. Lan honetan erregai bakoitzaren abantailak eta desabantailak alderatuko dira, energia-eraginkortasuna, erabilgarritasuna, kostua eta ingurumen-inpaktua bezalako faktoreak kontuan hartuta. Horrek itsas garraioaren deskarbonizazioan aurrera egiteko moduari buruzko erabakiak hartzea ahalbidetuko luke. 2 ABSTRACT In this work, an analysis of diesel, hydrogen, ammonia, methanol, uranium oxide (𝑈𝑂!) and liquefied natural gas fuels for maritime transport will be carried out. It will consist of evaluating the emissions produced in the fuel production phase and in the ship’s operating phase. An economic analysis of the value of each fuel and the volume that each fuel would occupy on the ship will also be carried out. The maritime industry is looking for technological improvements to provide less polluting and 𝐶𝑂! neutral energy. Alternative fuels to fossil fuels are being analyzed by different experts. In this work, the advantages and disadvantages of each fuel will be compared, considering factors such as energy efficiency, availability, cost, and environmental impact. This would allow decisions to be made on how to advance in the decarbonization of maritime transport. 3 4 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 12 2. CONTEXTO ........................................................................................................................ 13 3. OBJETIVOS Y ALCANCE ................................................................................................ 15 4. BENEFICIOS QUE APORTA EL TRABAJO ................................................................... 17 4.1 Contribución al conocimiento científico ...................................................................... 17 4.2 Identificación de soluciones viables ............................................................................ 18 4.3 Impulso a la sostenibilidad ........................................................................................... 18 5. NORMATIVA DE EMISIONES OMI ................................................................................ 20 6. ESTÁNDARES DE EMISIÓN ............................................................................................ 22 7. ALTERNATIVAS DE COMBUSTIBLES ......................................................................... 24 7.1 Diésel ........................................................................................................................... 24 7.2 Hidrógeno .................................................................................................................... 25 7.3 Amoniaco ..................................................................................................................... 28 7.4 Metanol ........................................................................................................................ 29 7.5 Uranio .......................................................................................................................... 31 7.6 Gas Natural Licuado .................................................................................................... 32 8. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS....................................................................................... 34 8.1 Cálculos ........................................................................................................................ 34 8.1.1.1 Diésel ........................................................................................................................... 36 8.1.1.2 Hidrógeno .................................................................................................................... 36 8.1.1.3 Amoniaco ..................................................................................................................... 36 8.1.1.4 Metanol ........................................................................................................................ 37 8.1.1.5 Óxido de uranio (𝑈𝑂2) ................................................................................................ 37 8.1.1.6 Gas Natural Licuado (GNL) ........................................................................................ 38 8.2 Comparación resultados ............................................................................................... 39 9. EMISIONES DE 𝐶𝑂2 .......................................................................................................... 43 9.1 Diésel ........................................................................................................................... 44 9.2 Hidrógeno .................................................................................................................... 47 9.3 Amoniaco ..................................................................................................................... 50 9.4 Metanol ........................................................................................................................ 52 9.5 Uranio .......................................................................................................................... 56 9.6 Gas Natural Licuado (GNL) ........................................................................................ 62 9.7 Comparación de resultados .......................................................................................... 64 10. ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................. 66 10.1 Diésel: .......................................................................................................................... 66 5 10.2 Hidrógeno: ................................................................................................................... 66 10.3 Amoniaco: .................................................................................................................... 67 10.4 Metanol ........................................................................................................................ 68 10.5 𝑈𝑂2 .............................................................................................................................. 68 10.6 GNL ............................................................................................................................. 69 10.7 Comparación de resultados .......................................................................................... 71 11. ANÁLISIS TÉCNICO .................................................................................................... 73 12. CONCLUSIONES .......................................................................................................... 75 REFERENCIAS ........................................................................................................................... 77 6 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Características buque metanero Bilbao KNUTSEN ...................................................... 34 Tabla 2.Combustible diésel .......................................................................................................... 36 Tabla 3. Combustible hidrógeno .................................................................................................. 36 Tabla 4. Combustible amoniaco ................................................................................................... 36 Tabla 5. Combustible metanol ..................................................................................................... 37 Tabla 6. Combustible 𝑈𝑂2 .......................................................................................................... 37 Tabla 7. Combustible Gas Natural Licuado (GNL) ..................................................................... 38 Tabla 8. Comparativa masa-volumen combustibles .................................................................... 42 Tabla 9. Combustible diésel fase producción y operación ........................................................... 44 Tabla 10. Energía necesaria en la producción de 1 kg de H2 a través de carbón y GN .............. 48 Tabla 11. Emisiones de 𝐶𝑂2 en la producción de 1kW de electricidad a través de carbón ....... 48 Tabla 12. Emisiones de 𝐶𝑂2 por cada 1000 kg de H2 producido ............................................... 48 Tabla 13. Emisiones de 𝐶𝑂2 fase producción y operación ......................................................... 48 Tabla 14. Combustible Amoniaco fase producción y operación ................................................. 50 Tabla 15. Emisiones de 𝐶𝑂2 en fase de producción y operación de metanol a través de carbón, GN y biomasa. ............................................................................................................................. 53 Tabla 16. Producción anual y producción para 11 días para un reactor PWR de uranio. ............ 58 Tabla 17. Cantidad de 𝐶𝑂2 emitidas a la atmósfera en la producción de 1 kWh de electricidad, para cada fase de la vida del reactor nuclear. (32) ....................................................................... 59 Tabla 18. Emisiones de 𝐶𝑂2 para la producción de la potencia necesaria para realizar la travesía. ........................................................................................................................................ 59 Tabla 19. Emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de operación del 𝑈𝑂2 .................................................... 60 Tabla 20. Emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción y operación con GNL ............................ 62 Tabla 21. Resultados de kg de 𝐶𝑂2 emitidos en la fase de producción de los combustibles. ..... 64 Tabla 22. Resultados de kg de 𝐶𝑂2 en la fase de operación de los combustibles. ...................... 65 Tabla 23. Precio total combustible diésel. ................................................................................... 66 Tabla 24. Precio total hidrógeno .................................................................................................. 67 Tabla 25. Precio total combustible amoniaco. ............................................................................. 67 Tabla 26. Coste total de combustible metanol. ............................................................................ 68 Tabla 27. Coste total de 𝑈𝑂2 ....................................................................................................... 69 Tabla 28. Coste total GNL ........................................................................................................... 70 Tabla 29. Comparación de precio total por combustible ............................................................. 71 Tabla 30. Comparación combustibles volumen-masa ................................................................. 73 7 Tabla 31. Comparación combustibles diésel, %𝑈𝑂2, GNL volumen-masa .................................. 74 Tabla 32. Resumen comparativo de los diferentes combustibles ................................................ 75 8 ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 1.Buque metanero Bilbao KNUTSEN ....................................................................... 34 Ilustración 2. Gráfico comparativo de combustibles densidad (kg/L) ......................................... 39 Ilustración 3. Gráfico comparativo de combustibles volumen (L) .............................................. 40 Ilustración 4. Gráfico comparativo de combustibles masa (kg) ................................................... 41 Ilustración 5.Consumo anual de combustible de los buques en todo el mundo de 2019 a 2020, por tipo de combustible (21) ........................................................................................................ 42 Ilustración 6. Gráfico comparativo kg diésel producidos y emisiones 𝐶𝑂2 en su fase de producción. ................................................................................................................................... 44 Ilustración 7. Gráfico comparativo kg diésel emisiones 𝐶𝑂2 fase de operación. ....................... 45 Ilustración 8. Gráfico comparativo emisiones de 𝐶𝑂2 en fase de producción y operación del diésel. ........................................................................................................................................... 47 Ilustración 10. Gráfico emisiones de 𝐶𝑂2 fase de producción de hidrógeno a través de carbón. ...................................................................................................................................................... 49 Ilustración 11. Gráfico emisiones de 𝐶𝑂2 fase de producción de hidrógeno a través de GN .... 49 Ilustración 12. Gráfico comparativo de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción a través de carbón y GN ................................................................................................................................. 50 Ilustración 9. Gráfico comparativo kg amoniaco producidos y emisiones de 𝐶𝑂2 fase de producción de amoniaco. ............................................................................................................. 51 Ilustración 13. Gráfico comparativo kg de metanol producidos y emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de metanol a través de carbón. .................................................................................. 53 Ilustración 14. Gráfico comparativo kg de metanol producido y emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de metanol a través de GN. ....................................................................................... 54 Ilustración 15. Gráfico comparativo kg de metanol producido y emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de metanol a través de biomasa. ................................................................................ 54 Ilustración 16. Gráfico comparativo de emisiones de 𝐶𝑂2 en la producción de metanol a través de carbón, GN y biomasa ............................................................................................................. 55 Ilustración 17. Primera parte del ciclo de combustible (30) ........................................................ 56 Ilustración 19. Gráfico de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de Uranio. ..................... 60 Ilustración 20. Gráfico de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de operación con uranio ....................... 61 Ilustración 21. Gráfico comparativo de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de uranio y operación. ..................................................................................................................................... 61 Ilustración 22. Gráfico de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de producción de GNL ......................... 62 Ilustración 23. Gráfico de emisiones de 𝐶𝑂2 en la fase de operación con GNL ......................... 63 15 3. OBJETIVOS Y ALCANCE El objetivo principal de este trabajo es llevar a cabo una investigación exhaustiva y detallada que permita evaluar y comparar diversas opciones tecnológicas y estratégicas para la descarbonización del tráfico marítimo. A través de un análisis riguroso, buscamos proporcionar información clave y recomendaciones fundamentadas que permitan a la industria marítima y a los responsables de la toma de decisiones tomar medidas concretas hacia un transporte marítimo más limpio y sostenible. Los puntos específicos que perseguimos son los siguientes: 1. Evaluación de tecnologías emergentes: Investigar y analizar las tecnologías emergentes en el ámbito de la propulsión marítima, como los sistemas de propulsión eléctrica, celdas de combustible, reactores nucleares, entre otras alternativas de vanguardia. Comparar el rendimiento, la eficiencia, los costos y los impactos ambientales asociados con cada tecnología, identificando sus ventajas y limitaciones. 2. Análisis de combustibles alternativos: Estudiar la viabilidad de diferentes combustibles alternativos, como el hidrógeno verde, amoníaco, gas natural licuado (GNL) y otros combustibles más sostenibles. Evaluar los aspectos técnicos, económicos y logísticos relacionados con la implementación de estos combustibles en el transporte marítimo. 3. Impacto ambiental y regulaciones: Analizar el impacto ambiental actual del transporte marítimo y proyectar las reducciones de emisiones alcanzables con la adopción de las tecnologías y estrategias estudiadas. Examinar las regulaciones internacionales y locales que influyen en la descarbonización del tráfico marítimo y evaluar su efectividad en el cumplimiento de los objetivos ambientales. 4. Consideraciones económicas y de viabilidad: Realizar un análisis económico detallado que incluya los costos de inversión, operación y mantenimiento asociados con cada opción de descarbonización. Identificar posibles incentivos, barreras financieras y desafíos para la adopción generalizada de las tecnologías y prácticas más limpias. 16 5. Recomendaciones y conclusiones: Sobre la base de los resultados obtenidos, ofrecer recomendaciones fundamentadas y realistas para la descarbonización del tráfico marítimo. Resumir las principales conclusiones del estudio y destacar las opciones más prometedoras para lograr una transición exitosa hacia un transporte marítimo con bajas emisiones de carbono. Con este trabajo, se pretende contribuir significativamente al avance de la investigación en el campo de la descarbonización del transporte marítimo y proporcionar información relevante para la industria, los reguladores y la sociedad en su conjunto. Asimismo, se busca fomentar la conciencia sobre la importancia de un transporte marítimo sostenible y la urgencia de actuar para reducir su huella de carbono. 17 4. BENEFICIOS QUE APORTA EL TRABAJO El proyecto aporta distintos beneficios, los cuales se pueden destacar 3 grupos principales: contribución al conocimiento científico, identificación de soluciones viables e impulso a la sostenibilidad. 4.1 Contribución al conocimiento científico El trabajo de fin de máster representa una valiosa contribución al conocimiento científico y tecnológico en el campo de la descarbonización del tráfico marítimo. Al abordar un tema de gran relevancia global y emergente, este estudio se convierte en un referente para la comunidad académica y la industria marítima en busca de soluciones sostenibles. La investigación exhaustiva y rigurosa llevada a cabo en este trabajo permite arrojar luz sobre aspectos cruciales que antes podían ser escasamente explorados o carecer de comparación detallada. Al comparar diferentes opciones tecnológicas y estratégicas, el trabajo se convierte en una plataforma para generar nuevos datos y hallazgos que amplían la comprensión de cómo afrontar el desafío de la descarbonización en el transporte marítimo. La recopilación y análisis de información actualizada proporciona una visión integral de las fortalezas y debilidades de cada opción, lo que permite una evaluación objetiva y bien fundamentada de las medidas más adecuadas para lograr una transición exitosa hacia un transporte marítimo de bajas emisiones de carbono. Asimismo, este estudio no solo se centra en aspectos tecnológicos, sino también en estrategias y enfoques que puedan complementar y potenciar las soluciones tecnológicas existentes. Esto es esencial para una visión holística de la descarbonización, ya que las decisiones futuras deben considerar la combinación de tecnologías y medidas para maximizar su efectividad y minimizar los posibles riesgos e impactos colaterales. La metodología y el análisis riguroso aplicados en este trabajo también brindan un marco sólido y replicable para futuras investigaciones en el ámbito de la descarbonización del tráfico marítimo. Otros investigadores pueden utilizar este estudio como base para ampliar la investigación en áreas específicas o para adaptar el enfoque a diferentes contextos regionales o tipos de buques. 18 4.2 Identificación de soluciones viables El análisis comparativo de opciones de descarbonización en el transporte marítimo no solo permite identificar las alternativas más viables y prometedoras, sino que también evalúa los desafíos y obstáculos potenciales en su implementación. Comprender las limitaciones y riesgos asociados con cada tecnología y estrategia es esencial para desarrollar planes de acción sólidos y evitar retrocesos en la transición hacia una industria marítima más sostenible. El estudio abarca más allá de la eficiencia energética y las reducciones de emisiones, considerando también los impactos ambientales más amplios de cada opción, como la calidad del aire, la acidificación oceánica y la generación de residuos. Esta visión integral de las consecuencias potenciales de la descarbonización garantiza que las soluciones propuestas no solo mitiguen las emisiones de carbono, sino que también sean respetuosas con el medio ambiente en su conjunto. 4.3 Impulso a la sostenibilidad El presente trabajo no solo promueve la adopción de prácticas más sostenibles en el transporte marítimo, sino que también destaca la importancia de la responsabilidad ambiental en toda la cadena de valor de la industria. Al resaltar las alternativas más limpias y eficientes, se incentiva a las empresas navieras y a los actores del sector a asumir un papel activo en la mitigación de su impacto ambiental y a contribuir a la protección de los ecosistemas marinos y la biodiversidad. Además, al enfocarse en la descarbonización del transporte marítimo, este trabajo impulsa la alineación del sector con las metas y compromisos internacionales para combatir el cambio climático. La implementación de soluciones más sostenibles contribuiría no solo a la reducción global de las emisiones de carbono, sino también a fortalecer la posición de la industria en un mundo cada vez más enfocado en la sostenibilidad y la responsabilidad ambiental. En última instancia, el trabajo de fin de máster se convierte en un recurso valioso para inspirar y catalizar cambios positivos en la industria marítima, al ofrecer un enfoque integral para abordar los desafíos medioambientales y enfocarse hacia un futuro más 19 limpio y respetuoso con el entorno marino. Al aumentar la conciencia sobre la importancia de adoptar medidas sostenibles, se sientan las bases para una industria marítima más responsable y comprometida con la protección de los océanos y la conservación del planeta para las futuras generaciones. 20 5. NORMATIVA DE EMISIONES OMI La Organización Marítima Internacional, como sus siglas indican OMI, es la encargada de velar por la seguridad de la navegación y la prevención de la contaminación del transporte marítimo. Se trata también de un organismo de Naciones Unidas. Actualmente, según datos de la Conferencias de las Naciones Unidas sobre Comercio y Transporte (UNCTAD) (4) aproximadamente el 90% del comercio mundial se transporta por mar. Desde el 2008 la demanda del transporte marítimo mundial creció un 4,3 % con respecto al 2007. La Organización Marítima Internacional (OMI) es una agencia especializada de las Naciones Unidas encargada de regular y supervisar el transporte marítimo a nivel global. Establecida en 1948, su objetivo principal es garantizar la seguridad, la eficiencia y la protección del medio ambiente marino en el ámbito de la navegación comercial. En respuesta a los desafíos del cambio climático y la creciente preocupación por las emisiones de gases de efecto invernadero, la OMI ha establecido normativas para reducir las emisiones de 𝐶𝑂! provenientes del transporte marítimo. El transporte por mar es una de las fuentes significativas de emisiones de 𝐶𝑂!, y la OMI ha asumido la responsabilidad de abordar este problema y contribuir a la lucha contra el calentamiento global. (5) El principal instrumento regulador de la OMI en este ámbito es el Anexo VI del Convenio Internacional para prevenir la contaminación por los buques (MARPOL). El Anexo VI, que entró en vigor en 2005, establece límites máximos de emisiones de 𝐶𝑂! para los buques y promueve la eficiencia energética en la industria marítima. La normativa de emisiones de 𝐶𝑂! de la OMI busca reducir el impacto ambiental del transporte marítimo mediante la adopción de medidas que mejoren la eficiencia de los buques y reduzcan las emisiones por unidad de carga transportada. Esto incluye la implementación de tecnologías más limpias y eficientes, la optimización de las rutas y la adopción de prácticas operativas más sostenibles. La OMI también ha establecido una ambiciosa estrategia a largo plazo para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero del transporte marítimo. Esta estrategia tiene como objetivo disminuir en al menos un 50% las emisiones de 𝐶𝑂! para el año 2050 (6), en comparación con los niveles de 2008. Para lograr este objetivo, se buscará el desarrollo 21 y la adopción de combustibles más limpios y tecnologías de propulsión más sostenibles, como el uso de hidrógeno, amoniaco y otras fuentes de energía renovable. 22 6. ESTÁNDARES DE EMISIÓN Los estándares de emisión según la OMI (Organización Marítima Internacional) están establecidos en el Anexo VI del Convenio Internacional para prevenir la contaminación por los buques (MARPOL) (7), que regula la contaminación atmosférica proveniente de los buques y busca reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. Los principales estándares de emisión según el Anexo VI son los siguientes: Óxidos de Azufre (𝑺𝑶𝒙): El Anexo VI (8) establece límites máximos permitidos para las emisiones de óxidos de azufre provenientes de los gases de escape de los buques. Estos límites varían según la zona en la que opera el buque: En áreas designadas como "Zonas de Control de Emisiones" (ZCE), como el Mar Báltico, el Mar del Norte, el Mar del Canal de la Mancha, el Mar del Caribe y el Golfo de México, los límites son más estrictos (0,10% de contenido de azufre en el combustible). Fuera de las ZCE, los límites son menos rigurosos (0,50% de contenido de azufre en el combustible). Óxidos de Nitrógeno (𝑵𝑶𝒙): El Anexo VI (8) también establece límites para las emisiones de óxidos de nitrógeno, que varían según el tipo y la potencia del motor del buque. Los límites son más estrictos para los buques nuevos y se aplican tanto a motores diésel como a motores de gas. Partículas en suspensión: El Anexo VI (8) incluye estándares para la cantidad de partículas en suspensión que pueden ser emitidas por los buques, con el fin de reducir la contaminación atmosférica y proteger la calidad del aire. Emisiones de 𝑪𝑶𝟐: Aunque el Anexo VI (8) no establece un límite específico de emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!), la OMI ha desarrollado una estrategia a largo plazo para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero del transporte marítimo. Esta estrategia busca disminuir en al menos un 50% las emisiones de 𝐶𝑂! para el año 2050, en comparación con los niveles de 2008, y promueve el desarrollo y la adopción de tecnologías más limpias y combustibles alternativos. 23 Estos estándares de emisión buscan promover la protección del medio ambiente marino y reducir la contribución del transporte marítimo al cambio climático y la contaminación atmosférica. La OMI sigue trabajando en la implementación y mejora de estas regulaciones para alcanzar sus objetivos de sostenibilidad y eficiencia en la industria marítima. 24 7. ALTERNATIVAS DE COMBUSTIBLES 7.1 Diésel El diésel es un tipo de combustible utilizado principalmente en motores diésel, que son ampliamente empleados en vehículos, maquinaria y equipos industriales. Es un líquido derivado del petróleo y se obtiene a través de un proceso de destilación durante la refinación del crudo. El diésel se compone principalmente de hidrocarburos, que son moléculas compuestas por átomos de carbono e hidrógeno. Tiene una densidad energética mayor que la gasolina, lo que significa que proporciona más energía por unidad de volumen, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren alta eficiencia y rendimiento, como vehículos pesados, camiones, autobuses y barcos. En los motores diésel, el combustible es inyectado en la cámara de combustión, donde se mezcla con aire altamente comprimido y se enciende por la alta temperatura generada por la compresión. Esta combustión genera una fuerza que impulsa los pistones y convierte la energía térmica en movimiento, lo que permite el funcionamiento del motor. Aunque el diésel ofrece mayor eficiencia y economía de combustible en comparación con la gasolina, su uso también ha sido objeto de preocupación debido a las emisiones de gases contaminantes, como óxidos de nitrógeno (𝑁𝑂$) y partículas finas. Las regulaciones y estándares ambientales han impulsado el desarrollo de tecnologías más limpias y eficientes en los motores diésel, como filtros de partículas y sistemas de reducción de emisiones. El diésel también es ampliamente utilizado en la propulsión del transporte marítimo. Los motores diésel marinos son una opción común para propulsar una variedad de embarcaciones, desde barcos de carga y petroleros hasta cruceros y buques de guerra. La elección del diésel como combustible se debe a su alta eficiencia y capacidad para proporcionar la potencia necesaria para mover grandes buques a través del agua. Los motores diésel marinos funcionan de manera similar a los motores diésel terrestres, donde el combustible se inyecta en la cámara de combustión y se enciende por la alta compresión del aire. Esto genera la fuerza necesaria para hacer girar los ejes y propulsores del barco, impulsándolo hacia adelante. 31 7.5 Uranio El Uranio es un elemento poco abundante en la naturaleza. Se trata de un elemento químico perteneciente a la serie de los actínidos cuyo número atómico es el 92 y su símbolo U. Es uno de los elementos más pesados que se encuentran de forma natural en la tierra. En la naturaleza, el uranio se presenta en diversas formas isotópicas, siendo el U-238 el más común, seguido del U-235 y el U-234. El U-235 es el más relevante debido a su capacidad para sostener reacciones nucleares de fisión, lo que lo convierte en un componente esencial para la energía nuclear. Además de su uso en la generación nuclear y aplicaciones médicas y científicas, el uranio ha sido objeto de investigación en el campo de la propulsión del transporte marítimo. Aunque no es muy comúnmente empleado en la propulsión convencional de barcos y buques, se han realizado estudios sobre el uso de reactores nucleares como fuente de energía para embarcaciones. Uno de los ejemplos más notables de transporte marítimo propulsado por energía nuclear es el uso de portaviones nucleares en las fuerzas navales de ciertos países. Estos buques utilizan reactores nucleares para impulsar sus turbinas y propulsores, lo que les permite operar durante largos periodos sin necesidad de repostar combustible. El uso de la propulsión nuclear en el transporte marítimo también plantea desafíos significativos, como el almacenamiento y manejo seguro del combustible nuclear y la gestión adecuada de los desechos radiactivos. Además, la seguridad y la prevención de posibles accidentes o incidentes son temas cruciales a tener en cuenta en la implementación de esta tecnología. La investigación en el uso de la propulsión nuclear en el transporte marítimo también se ha relacionado con la reducción de las emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!), un importante gas efecto invernadero que contribuye al calentamiento global y al cambio climático. Al utilizar reactores nucleares como fuente de energía, se eliminaría la quema de combustibles fósiles, que es una de las principales causas de las emisiones de 𝐶𝑂! en la industria del transporte marítimo. Lo buques propulsados por energía nuclear tendría la capacidad de operar con una menor huellade carbono, lo que podría ayudar a mitigar el impacto del transporte marítimo en el medioambiente. Al evitar la liberación de grandes cantidades de 𝐶𝑂!, se reduciría 32 significativamente la contribución del transporte marítimo a la acumulación de gases efecto invernadero en la atmósfera. Además, la reducción de las emisiones de 𝐶𝑂! en el transporte marítimo podría contribuir a los esfuerzos globales para abordar el cambio climático y cumplir con los objetivos establecidos en acuerdos internacionales, como el Acuerdo de París. No obstante, como se mencionó anteriormente, el uso de la propulsión nuclear en el transporte marítimo presenta desafíos importantes y requeriría una planificación cuidadosa y un enfoque riguroso en materia de seguridad y gestión de desechos nucleares. La comunidad internacional sigue explorando diferentes opciones para lograr una navegación marítima más sostenible y amigable con el medio ambiente, y la propulsión nuclear representa una de las vías potenciales para alcanzar este objetivo. 7.6 Gas Natural Licuado El Gas Natural Licuado (GNL) es una forma de gas natural que se enfría a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de -162 grados Celsius (-260 grados Fahrenheit), para convertirlo en un líquido más denso y fácil de transportar y almacenar. Este proceso de licuefacción reduce el volumen del gas natural en aproximadamente 600 veces, lo que lo hace altamente compacto y adecuado para su transporte en buques metaneros y su almacenamiento en tanques criogénicos en tierra. El GNL es una fuente de energía versátil y limpia que se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluyendo la generación de electricidad, el suministro de gas natural a zonas remotas y, cada vez más, como combustible en el transporte marítimo y terrestre debido a sus ventajas ambientales y económicas. El Gas Natural Licuado (GNL) en las últimas décadas ha sido una alternativa en el trasporte marítimo. A medida que la industria busca reducir su huella de carbono y cumplir con regulaciones más estrictas sobre las emisiones, el GNL se ha convertido en una solución atractiva debido a sus ventajas ambientales y económicas. Las principales ventajas del GNL en el transporte marítimo incluyen la reducción de emisiones, ya que produce significativamente menos emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y contaminantes locales, como óxidos de nitrógeno (𝑁𝑂$) y partículas, en comparación con los combustibles fósiles convencionales. Esto permite a las 33 embarcaciones cumplir con los estándares de emisiones más estrictos y contribuir a la lucha contra el cambio climático. El GNL es altamente eficiente en términos de consumo de energía y puede proporcionar un rendimiento superior en términos de propulsión, lo que significa un menor consumo de combustible y, por lo tanto, una reducción de costos operativos a largo plazo. Además, el GNL es ampliamente accesible en muchas regiones del mundo y cuenta con una sólida infraestructura de suministro y regasificación, y su almacenamiento y manejo son seguros. Dadas las regulaciones cada vez más estrictas sobre las emisiones en la industria marítima, el GNL permite a las embarcaciones cumplir con los estándares actuales y futuros de emisiones de manera más efectiva. En conclusión, el Gas Natural Licuado (GNL) ha transformado el panorama del transporte marítimo al proporcionar una alternativa más limpia y eficiente a los combustibles fósiles tradicionales. A medida que la industria continúa evolucionando para reducir su impacto ambiental, se espera que el GNL desempeñe un papel crucial en la transición hacia un transporte marítimo más sostenible y respetuoso con el medio ambiente. 34 8. METODOLOGÍA DE ANÁLISIS 8.1 Cálculos Para realizar un estudio de la viabilidad de un determinado combustible se ha llevado a cabo la siguiente metodología. En primer lugar, se elegirá un buque metanero, Bilbao Knutsen. Ilustración 1.Buque metanero Bilbao KNUTSEN Modelo Eslora [m] Manga [m] Calado [m] DWT [t] GRT [t] Velocidad [knots] Potencia [MW] Desplazamiento estándar [t] Bilbao Knutsen 284,4 42,5 11,4 77237 90835 19,5 28 93450 Tabla 1. Características buque metanero Bilbao KNUTSEN Eslora: longitud del buque, frecuentemente medida en pies (10). Manga: es la mayor anchura de un buque. Calado: es la distancia vertical entre un punto de la línea de flotación y la línea base o quilla, incluido el espesor del casco. 35 DWT (Deadweight tonnage): Es la medida para determinar la capacidad de carga sin riesgo de una embarcación, cuyo valor se expresa en toneladas (11). GRT (Gross Register Tonnage): Es una medida del volumen interno total de un barco, donde una “tonelada” se define como 100 pies cúbicos (2.83 m³). Se utiliza para determinar las tasas portuarias y otras funciones (11). Desplazamiento estándar (t): se trata del peso total del buque, incluyendo, equipos, tripulación y mercancía. Para calcular la cantidad de combustible necesaria para la propulsión del buque metanero Knutsen durante una travesía de 9620 km a una velocidad media de 36,1 km/h, primero debemos tener en cuenta la eficiencia energética de cada tipo de combustible. Supondremos que los motores tienen una eficiencia de aproximadamente entre 40% y 50% en algunos casos dependiendo del tipo de combustible. Además, necesitamos considerar la densidad energética de cada combustible para calcular el consumo en términos de volumen o masa. (12) Datos: Distancia de la travesía 5000 nm 9260 km Velocidad 19,5 nudos 36,1 km/h Desplazamiento estándar 93450 t Potencia 28000 kW 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 =𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎$𝑑𝑒$𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑠í𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑$ = $ 9260 36,1 =256,41$ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 =11$𝑑í𝑎𝑠 Ecuación 1. Tiempo de travesía 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎$(𝑘𝑊ℎ)= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎$(𝑘𝑊)∗𝑟𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜$(%)∗𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜$(ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠) Ecuación 2. Energía utilizada por cada combustible 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜$𝑑𝑒$𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎$(𝑘𝑔) 𝑃𝑜𝑑𝑒𝑟$𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟í𝑓𝑖𝑐𝑜$(𝑘𝑊ℎ 𝑘𝑔 )$ Ecuación 3. Consumo de combustible 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜$𝑑𝑒$𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒$(𝑘𝑔) 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑$$(𝑘𝑔 𝐿) Ecuación 4. Volumen de combustible 36 8.1.1.1 Diésel Cálculo Diésel Poder calorífico (kWh/kg) 12,1 (13) Rendimiento 35% Densidad (kg/L) 0,885 (14) Horas 256,41 Días 11 Energía (kJ) 9046155600 Consumo combustible (kg) 207671,12 Volumen (L) 234656,6 Tabla 2.Combustible diésel 8.1.1.2 Hidrógeno Cálculo Hidrógeno Rendimiento 40% PCS (kWh/kg) 39,4 (17) PCI (kWh/kg) 33 (17) Densidad (kg/L) 0,0899 (17) Horas 256,41 Días 11 Energía (kJ) 1,03e+10 Consumo combustible (kg) 86153,85 Volumen (L) 958329,8 Tabla 3. Combustible hidrógeno 8.1.1.3 Amoniaco Cálculo Amoniaco Poder calorífico (kWh/kg) 6,25 (15) Rendimiento 37,5% Densidad (kg/L) 0,73 (16) Horas 256,41 Días 11 Energía (kJ) 9692308800 Consumo combustible (kg) 430769,23 Volumen (L) 558715,0 Tabla 4. Combustible amoniaco 37 8.1.1.4 Metanol Cálculo Metanol Rendimiento 50% PCS (kWh/kg) 6,3 PCI (kWh/kg) 5,5 Densidad (kg/L) 0,7918 (18) Horas 256,41 Días 11 Energía (kJ) 1,29e+10 Consumo combustible (kg) 649400,85 Volumen (L) 820157,7 Tabla 5. Combustible metanol 8.1.1.5 Óxido de uranio (𝑈𝑂!) Cálculo Uranio Producción anual media PWR (kWh) 8500000000 Combustible necesario kg 𝑼𝑶𝟐 30000 Producción para 11 días de travesía PWR (kWh) 7179487,2 Energía (kJ) 25846153846 kJ/kg combustible quemado 4000000000 Cantidad de combustible quemado necesaria (kg) 6,46 Tabla 6. Combustible 𝑈𝑂! 38 8.1.1.6 Gas Natural Licuado (GNL) Cálculo GNL Rendimiento 47,5% PCS (kWh/kg) 13,6 (19) PCI (kWh/kg) 12,28 (19) Densidad (kg/L) 0,45 (20) Horas 256,41 Días 11 Energía (kJ) 12276923076 Consumo combustible (kg) 261322,33 Volumen (L) 580716,29 Tabla 7. Combustible Gas Natural Licuado (GNL) 39 8.2 Comparación resultados Una vez realizados los cálculos de las cantidades de combustibles necesarios para llevar a cabo la travesía marítima, los que se han obtenido en el apartado anterior, se obtienen resultados clave que se representan en diversos gráficos. Estos gráficos muestran las densidades, volúmenes y masas de los diferentes combustibles que serán requeridos durante el trayecto, proporcionando información para la planificación y gestión del transporte marítimo. En primer lugar, el gráfico de densidades permite comparar las densidades de los diferentes combustibles utilizados en la navegación marítima. La densidad es una propiedad física importante, ya que indica la masa de un volumen específico de combustible. Al visualizar estas densidades en un gráfico, se puede determinar cuáles son los combustibles más pesados y cuáles son los más ligeros. Esto es fundamental para seleccionar el tipo de combustible más adecuado para las necesidades específicas de la travesía y garantizar una distribución eficiente y segura en el buque. Ilustración 2. Gráfico comparativo de combustibles densidad (kg/L) El gráfico de volúmenes, por otro lado, proporciona una representación visual de la cantidad de espacio que ocupará cada tipo de combustible en el barco. Al conocer los 6% 5% 1% 6% 79% 3% Densidad Diésel Amoniaco Hidrógeno Metanol UO2 GNL 40 volúmenes requeridos, los planificadores pueden estimar cuánto espacio se necesita para almacenar los combustibles a bordo. Esto es particularmente importante para embarcaciones con limitaciones de espacio, ya que permite una organización óptima del cargamento y evita problemas de almacenamiento excesivo o insuficiente. Ilustración 3. Gráfico comparativo de combustibles volumen (L) Además, el gráfico de masas muestra las cantidades de combustibles en términos de su masa total. Conocer las masas de los distintos combustibles es fundamental para determinar la carga total del barco y garantizar que se cumplan los límites de carga y estabilidad. Asimismo, esto ayuda a asegurar que el buque esté en cumplimiento con las regulaciones de peso y seguridad marítima. 7% 18% 30% 26% 0% 19% Volumen Diésel Amoniaco Hidrógeno Metanol UO2 GNL 47 Ilustración 8. Gráfico comparativo emisiones de 𝐶𝑂! en fase de producción y operación del diésel. Observando Ilustración 8. Gráfico comparativo emisiones de$𝐶𝑂2 en fase de producción y operación del diésel. La fase de producción de combustible diésel contribuye con un 47% significativamente a las emisiones de 𝐶𝑂! debido a la extracción, refinación y transporte del petróleo crudo. Esto es particularmente relevante si el diésel se produce a partir de fuentes no renovables y procesos intensivos en carbono. La fase de operación en un buque metanero también emite 𝐶𝑂! , un 53%. 9.2 Hidrógeno Las emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!) en la fase de producción de hidrógeno se deben principalmente al proceso de obtención del hidrógeno a partir de diversas fuentes de energía. El hidrógeno se puede producir mediante diferentes métodos, y cada uno de ellos tiene implicaciones diferentes en términos de emisiones de 𝐶𝑂!: Hidrógeno a partir de combustibles fósiles: Una de las formas más comunes de producir hidrógeno es a través del reformado de gas natural o metano. En este proceso, se utiliza gas natural y vapor de agua para producir hidrógeno y monóxido de carbono (CO) a través de una reacción química. Luego, el CO se convierte en 𝐶𝑂! en un proceso conocido como 47% 53% Diésel (producción + operación) kg C02 producción kg C02 operación 48 "shift" o cambio. Así, la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles libera 𝐶𝑂! a la atmósfera como subproducto, lo que contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Hidrógeno a partir de la electrólisis del agua: Esta técnica implica el uso de electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Si la electricidad proviene de fuentes renovables como la solar, eólica o hidroeléctrica, entonces la producción de hidrógeno será libre de emisiones de 𝐶𝑂!. Sin embargo, si la electricidad utilizada proviene de fuentes basadas en combustibles fósiles, entonces habrá emisiones de 𝐶𝑂! asociadas con la producción de hidrógeno. Para ello, en este trabajo se han estudiado las emisiones que se producen en la fase de producción de hidrógeno mediante electrólisis con el aparte de energía eléctrica producida a través de los combustibles fósiles, carbón y gas natural (GN): kW kg 𝑯𝟐 Carbón 52,5 (26) 1 GN 35 (26) 1 Tabla 10. Energía necesaria en la producción de 1 kg de H2 a través de carbón y GN kW kg C02 Carbón 1 (26) 1 Tabla 11. Emisiones de 𝐶𝑂! en la producción de 1kW de electricidad a través de carbón kg 𝑯𝟐 kg 𝑪𝑶𝟐 GN 1000 (27) 10500 (27) Tabla 12. Emisiones de 𝐶𝑂! por cada 1000 kg de H2 producido Hidrógeno Producción (extracción materias primas, transporte, refinado) (kg 𝑪𝑶𝟐/kg Carbón o GN) kg 𝑪𝑶𝟐 producción kg 𝑪𝑶𝟐 operación 86153,85 kg Carbón 4523076,9 (28) 4523076,9 - GN 904615,3846 (28) 904615,4 - Tabla 13. Emisiones de 𝐶𝑂! fase producción y operación 49 Ilustración 9. Gráfico emisiones de 𝐶𝑂! fase de producción de hidrógeno a través de carbón. Ilustración 10. Gráfico emisiones de 𝐶𝑂! fase de producción de hidrógeno a través de GN 0,00 500000,00 1000000,00 1500000,00 2000000,00 2500000,00 3000000,00 3500000,00 4000000,00 4500000,00 5000000,00 kg hidrógeno kg C02 producción Emisiones de CO2 fase de producción con carbón 0,00 100000,00 200000,00 300000,00 400000,00 500000,00 600000,00 700000,00 800000,00 900000,00 1000000,00 kg hidrógeno kg C02 producción Emisiones de CO2 fase de producción con GN 50 Ilustración 11. Gráfico comparativo de emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de producción a través de carbón y GN En cuanto a la fase de operación con celdas de combustible de hidrógeno en el transporte marítimo, estas celdas utilizan el hidrógeno como combustible para generar electricidad y propulsar el buque. Durante la operación de estas celdas, la reacción de combustión del hidrógeno con el oxígeno del aire produce energía eléctrica y vapor de agua. La reacción química de la celda de combustible no genera emisiones directas de 𝐶𝑂!, ya que su único subproducto es vapor de agua. 9.3 Amoniaco Amoniaco Producción (extracción materias primas, transporte, refinado) (kg 𝑪𝑶𝟐/kg Amoniaco) kg 𝑪𝑶𝟐 producción kg 𝑪𝑶𝟐 operación 430769,23 kg 2000 (24) 861538461,5 - Tabla 14. Combustible Amoniaco fase producción y operación Durante la producción de amoníaco, se producen emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!) debido al proceso de fabricación del amoníaco a partir de sus materias primas, como el gas natural, el metano y el agua. El nitrógeno (𝑁2) y el hidrógeno (𝐻2) se combinan en Emisiones de CO2 fase de producción de hidrógeno con carbón y GN kg C02 producción Carbón kg C02 producción GN 51 una reacción química conocida como “proceso Haber-Bosch” (25) para producir amoníaco (𝑁𝐻3). Para obtener las cantidades necesarias de nitrógeno e hidrógeno, se utilizan diversas fuentes de materias primas que se someten a un proceso de descomposición o reformado. La combinación del hidrógeno y el nitrógeno en condiciones de alta temperatura y presión es el paso más crucial y energéticamente intensivo en la síntesis de amoníaco. Esta reacción química es exotérmica y requiere una gran cantidad de energía para mantener la temperatura y presión adecuadas. La energía necesaria para este proceso proviene principalmente de la quema de combustibles fósiles, como el gas natural o el carbón, lo que libera grandes cantidades de 𝐶𝑂! a la atmósfera y contribuye a las emisiones de gases de efecto invernadero. Además, la producción de amoníaco también puede generar emisiones indirectas de 𝐶𝑂! debido a la energía requerida para la extracción, transporte de materias primas, fabricación y mantenimiento de equipos industriales, y otros aspectos logísticos asociados. Ilustración 12. Gráfico comparativo kg amoniaco producidos y emisiones de 𝐶𝑂! fase de producción de amoniaco. En la fase de operación con celdas de combustible de amoniaco en el transporte marítimo, las emisiones de 𝐶𝑂! pueden ocurrir debido a limitaciones tecnológicas y prácticas asociadas con el uso de esta tecnología. Aunque el amoniaco no emite 𝐶𝑂! durante su combustión en estas celdas, su producción puede requerir el uso de combustibles fósiles 0,00 100000000,00 200000000,00 300000000,00 400000000,00 500000000,00 600000000,00 700000000,00 800000000,00 900000000,00 1000000000,00 kg Amoniaco kg C02 producción Emisiones CO2 fase producción de Amoniaco 52 que generan emisiones de 𝐶𝑂!. También puede haber ineficiencias en la operación de las celdas, lo que podría resultar en la liberación de pequeñas cantidades de 𝐶𝑂! durante el proceso de conversión del amoniaco en electricidad y calor. Además, el manejo y almacenamiento seguro del amoniaco pueden representar desafíos logísticos, con posibles fugas o pérdidas que podrían generar emisiones de 𝐶𝑂!. Sin embargo, es importante tener en cuenta que, a pesar de estas limitaciones, el uso de celdas de combustible de amoniaco sigue siendo una opción más limpia y con menor huella de carbono en comparación con los combustibles fósiles convencionales, como el diésel o el fuel oil. Con avances tecnológicos y prácticas mejoradas, se espera que estas emisiones de 𝐶𝑂! asociadas con la fase de operación con celdas de combustible de amoniaco se reduzcan significativamente, impulsando así una navegación marítima más sostenible y respetuosa con el medio ambiente. La búsqueda de soluciones y tecnologías para reducir el impacto ambiental de la producción de amoniaco y el uso de celdas de combustible es esencial para lograr la descarbonización del transporte marítimo. 9.4 Metanol Las emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!) en la fase de producción de metanol se deben principalmente al proceso de obtención del metanol a partir de sus materias primas. El metanol, también conocido como alcohol metílico, se produce a través de diversas rutas, siendo una de las más comunes la síntesis a partir del gas natural. A continuación, se explica cómo se generan las emisiones de 𝐶𝑂! en ambas fases: - Fase de producción de metanol: La producción de metanol a partir de combustibles fósiles como el gas natural, el petróleo y el carbón es la fuente dominante de metanol industrial (29). A partir de 2020, la mayoría del metanol (~95%) se produce mediante la reforma con vapor de gas natural y otros hidrocarburos ligeros, la oxidación parcial de hidrocarburos más pesados y la gasificación del carbón (29). Otros métodos de producción de metanol incluyen la gasificación de biomasa y la pirólisis del metano. La pirólisis del metano y la electrólisis del agua pueden utilizar cualquier fuente de electricidad, incluida la energía renovable (29). La reforma con vapor de metano (SMR) produce metanol a partir de gas natural, principalmente metano (𝐶𝐻4), y agua. Es la fuente más barata de metanol industrial, 53 siendo la fuente de casi el 50% del metanol mundial1. El proceso consiste en calentar el gas a 700-1,100 °C (1,300-2,000 °F) en presencia de vapor sobre un catalizador de níquel. La reacción endotérmica resultante forma monóxido de carbono y hidrógeno molecular (𝐻2). En la reacción de cambio agua-gas, el monóxido de carbono reacciona con el vapor para obtener mayores cantidades de 𝐻2. El WGSR también requiere un catalizador, típicamente sobre óxido de hierro u otros óxidos. El subproducto es 𝐶𝑂! . Dependiendo de la calidad del material de partida (gas natural, nafta, etc.), una tonelada de metanol producido también producirá 9 a 12 toneladas de 𝐶𝑂!, un gas de efecto invernadero que puede ser capturado (29). Metanol Producción (extracción materias primas, transporte, refinado) (kg 𝑪𝑶𝟐/kg Carbón, GN o Biomasa) kg 𝑪𝑶𝟐 producción Operación 649400,85 kg Carbón 4 2597603,4 - GN 1,65 1071511,4 - Biomasa 2 1298801,7 - Tabla 15. Emisiones de 𝐶𝑂! en fase de producción y operación de metanol a través de carbón, GN y biomasa. Ilustración 13. Gráfico comparativo kg de metanol producidos y emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de producción de metanol a través de carbón. 0,0 500000,0 1000000,0 1500000,0 2000000,0 2500000,0 3000000,0 kg Metanol kg C02 producción Emisiones de CO2 fase de producción con Carbón 54 Ilustración 14. Gráfico comparativo kg de metanol producido y emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de producción de metanol a través de GN. Ilustración 15. Gráfico comparativo kg de metanol producido y emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de producción de metanol a través de biomasa. . 0,0 200000,0 400000,0 600000,0 800000,0 1000000,0 1200000,0 kg Metanol kg C02 producción Emisiones de CO2 fase de producción con GN 0,0 200000,0 400000,0 600000,0 800000,0 1000000,0 1200000,0 1400000,0 kg Metanol kg C02 producción Emisiones de CO2 fase de producción con Biomasa 55 Ilustración 16. Gráfico comparativo de emisiones de 𝐶𝑂! en la producción de metanol a través de carbón, GN y biomasa Como resultado, la elección de la materia prima para la producción de metanol tiene un impacto directo en las emisiones de 𝐶𝑂! asociadas con el proceso. La producción a partir de biomasa y gas natural tiende a ser más sostenible y respetuosa con el medio ambiente, con emisiones de 𝐶𝑂! relativamente bajas en comparación con la producción a partir de carbón. Esto resalta la importancia de considerar las fuentes de materias primas en la toma de decisiones para reducir las emisiones de 𝐶𝑂! en la producción de metanol y avanzar hacia prácticas más sostenibles en la industria química. - Fase de operación con celdas de combustible de metanol en el transporte marítimo: Las celdas de combustible de metanol utilizan metanol como combustible para generar electricidad y propulsar el buque. Durante la operación de estas celdas, el metanol se oxida en un proceso electroquímico para producir 𝐶𝑂!, agua y electricidad. La reacción química de la celda de combustible de metanol genera emisiones directas de 𝐶𝑂!, ya que el carbono presente en el metanol se convierte en 𝐶𝑂! durante el proceso de oxidación. Es importante destacar que el metanol se considera un portador de energía, similar al hidrógeno, y la elección de utilizarlo como combustible depende de la disponibilidad de fuentes de metanol y de la tecnología empleada en el buque, por lo tanto, para la fase de operación, se ha considerado que las emisiones de 𝐶𝑂! producidas son 0. 52% 22% 26% Metanol (producción) Carbon GN Biomasa 56 9.5 Uranio Las emisiones de dióxido de carbono (𝐶𝑂!) en la fase de producción de 𝑈𝑂! (dióxido de uranio) y en la fase de operación con un reactor PWR (Reactor de Agua a Presión) en el transporte marítimo están asociadas principalmente a la cadena de suministro y a la generación de energía nuclear. A continuación, se explica cómo se generan las emisiones de 𝐶𝑂! en ambas fases: Ilustración 17. Primera parte del ciclo de combustible (30) Fase de producción de 𝑈𝑂!: Etapa 1 de exploración y extracción mediante el proceso de lixiviación "in situ", en superficie o bajo tierra, destinada a obtener el uranio presente en la naturaleza. Este elemento es sometido a procesos que reducen su tamaño a partículas uniformes, seguido de la acción de la molienda que da lugar a un polvo seco compuesto de uranio natural. Este producto, conocido como "yellow cake" o "torta amarilla", es comercializado en el mercado del uranio bajo la forma 𝑈%𝑂). 63 A continuación, se explicará los factores que influyen en las emisiones de 𝐶𝑂! durante la producción de GNL: En primer lugar, si el gas proviene de fuentes no convencionales, pueden existir emisiones adicionales a la extracción. Dependiendo de la eficiencia del proceso que se lleve a cabo durante la licuefacción puede llegar a tener un impacto importante en las emisiones. Las tecnologías más eficientes pueden reducir las pérdidas de energía y con ello las emisiones. Algunas instalaciones de producción de GNL implementan tecnologías de captura y utilización de carbono para reducir las emisiones, como la inyección de 𝐶𝑂! en yacimientos petroleros. Por último, el transporte de GNL puede generar emisiones de 𝐶𝑂!, como se expone en este trabajo, en buques metaneros, por ello es muy importante tener en cuenta la eficiencia del transporte y las diversas tecnologías de recuperación de calor que pueden influir en las emisiones. Ilustración 22. Gráfico de emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de operación con GNL En cuanto a las emisiones que se producen en la fase de operación del buque con Gas Natural Licuado (GNL), son más bajas, como podemos observar el gráfico de abajo, en comparación con su fase de producción. Estas emisiones dependen de diversos factores, como el diseño y la eficiencia del motor, la calidad del GNL y las prácticas de operación. El gas natural es considerado una opción más limpia en comparación con otros 0,00 50000,00 100000,00 150000,00 200000,00 250000,00 300000,00 kg GNL kg CO2 operación Emisiones de CO2 en la fase de operación GNL 64 combustibles fósiles, debido a que su combustión produce menos emisiones de 𝐶𝑂! por unidad de energía liberada. Ilustración 23. Gráfico emisiones de 𝐶𝑂! en la etapa de producción y operación de GNL Como observamos en el siguiente gráfico, una vez analizadas las emisiones de 𝐶𝑂! que se producen en la fase producción y operación del GNL, existe un ligero despunte en las emisiones de 𝐶𝑂! durante su fase de producción en un 53% por encima de un 47% de las emisiones que se producen en la fase de operación del buque. 9.7 Comparación de resultados DIESEL HIDRÓGENO AMONIACO METANOL 𝑈𝑂! GNL 591862,7 861538461,5 1013,6 11759,5 Carbón 4523076,9 2597603,4 GN 904615,4 1071511,4 Biomasa 1298801,7 Tabla 21. Resultados de kg de 𝐶𝑂! emitidos en la fase de producción de los combustibles. Según los datos obtenidos en la tabla, el 𝑈𝑂! tiene las emisiones de 𝐶𝑂! más bajas en su producción, con solo 1013.6 kg de emisiones de 𝐶𝑂!. Esto es significativamente más bajo que los otros combustibles enumerados, como el diésel, el amoníaco, el hidrógeno, el 47% 53% GNL (producción + operación) kg CO2 operación kg CO2 producción 65 metanol y el GNL. Por lo tanto, si el objetivo es seleccionar el combustible con las emisiones de 𝐶𝑂! más bajas en su producción, el Uranio sería la mejor opción. DIESEL HIDRÓGENO AMONIACO METANOL 𝑈𝑂! GNL 628879,8 0,0 0,0 0,0 83138,5 10452,9 Tabla 22. Resultados de kg de 𝐶𝑂! en la fase de operación de los combustibles. En cuanto a la fase de operación del buque, el combustible más sostenible en términos de emisiones de 𝐶𝑂! producidas en la fase de operación sería el amoniaco, el hidrógeno el metanol y el 𝑈𝑂!, ya que todos ellos tienen una emisión de 0. Este último se ha supuesto un 0 de emisiones de 𝐶𝑂!durante la travesía del barco, las emisiones producidas en la Tabla 19. Emisiones de 𝐶𝑂! en la fase de operación del 𝑈𝑂!, corresponden al ciclo de vida total del combustible. El siguiente combustible más sostenible sería el GNL, con una emisión de 10452,9 kg de 𝐶𝑂! . El combustible menos sostenible en términos de emisiones de 𝐶𝑂! producidas al producirlo sería el diésel, con una emisión de 628879,8 kg. 66 10. ANÁLISIS ECONÓMICO La elección del combustible en la industria marítima es una decisión crucial desde una perspectiva económica, ya que el costo total del depósito necesario para una travesía en un buque puede impactar significativamente en la rentabilidad de la operación. En este análisis económico, examinaremos los precios y factores económicos asociados con cinco combustibles diferentes: diésel, amoniaco, hidrógeno, metanol, uranio y gas natural en el contexto de la propulsión de los buques metaneros Knutsen. 10.1 Diésel: El diésel es un combustible tradicionalmente utilizado en la industria marítima. Los precios del diésel pueden variar según las condiciones del mercado internacional del petróleo. Para obtener el coste total del depósito para realizar la travesía, hemos obtenido los datos del precio de combustible diésel €/litro (33) en la provincia de Vizcaya, y hemos multiplicado por los litros necesarios que hemos obtenido anteriormente, obteniendo así los resultados que aparecen en la siguiente tabla. Combustible Precio €/l Total € Diésel 1,603 376154,53 Tabla 23. Precio total combustible diésel. 10.2 Hidrógeno: Los factores que intervienen en el precio del hidrógeno son principalmente: - El gasto asociado a la electricidad consumida durante el proceso de electrólisis - El desembolso vinculado a la infraestructura de la planta de electrólisis. A medida que la capacidad de generación aumenta, la relación entre el coste y la potencia en megavatios (€/MW) disminuirá. - Las horas en la cuales la planta permanece en funcionamiento. Un mayor número de horas operativas resultará una mayor producción de hidrógeno con la misma inversión, lo que reducirá el coste por unidad. 67 Considerando todos estos factores, el precio del hidrógeno podría variar desde 3 a 4 €/kg hasta alrededor de 10€/kg. Sin embargo, al analizar el precio de venta en hidrogeneras, el coste del hidrógeno se sitúa en unos 8-10€/kg. (35) Combustible Precio €/kg Total € Hidrógeno 9 775384,2 Tabla 24. Precio total hidrógeno 10.3 Amoniaco: El amoniaco ha emergido como una opción prometedora debido a su potencial para generar cero emisiones de carbono. Según la información encontrada en la página web de la empresa Fuel Positive (34) cada una de sus unidades modulares de producción de amoniaco, se ha podido obtener el total del depósito de combustible, realizando los mismos cálculos que para el combustible diésel, multiplicando el valor de amoniaco verde y amoniaco gris por la cantidad necesaria para realizar la travesía: Combustible Precio USD/t Total USD Total € Amoniaco verde 444 191261,52 178906,03 Amoniaco gris 714,50 307784,59 287901,71 Tabla 25. Precio total combustible amoniaco. A principios de noviembre de 2021 los precios del amoniaco superaban de media los 1.250 USD/t, frente a os 550 USD/t en 2018. (34) 68 10.4 Metanol El metanol es un combustible versátil que puede producirse a partir de diversas fuentes, incluidas las renovables. Se calcularán los costos de producción y distribución de metanol, teniendo en cuenta los precios de las materias primas y la infraestructura requerida. Además, se analizarán las implicaciones económicas y logísticas de la adaptación de motores y sistemas para el uso de metanol. Para calcular el coste total de metanol que es necesario para realizar la travesía, se ha multiplicado el valor obtenido en la referencia (36), por el total de metanol necesario, calculado anteriormente. Combustible Precio USD/t Total USD Total € Metanol verde 643 417564,78 390593,94 Metanol gris 417 270800,18 253306,49 Tabla 26. Coste total de combustible metanol. 10.5 𝑈𝑂! El uso de UO2 en la propulsión marítima plantea desafíos únicos debido a la tecnología nuclear necesaria. Se evaluarán los costos de adquisición de uranio en el mercado mundial, así como los costos de diseño, construcción y mantenimiento de sistemas nucleares a bordo. También se considerarán los aspectos regulatorios, de seguridad y gestión de desechos radiactivos. En cada caso, se realizará un análisis de costos completo que abarque la cadena de suministro, la infraestructura requerida, la inversión inicial y los gastos operativos a lo largo del ciclo de vida de los combustibles. Además, se tendrán en cuenta las implicaciones económicas de las regulaciones ambientales y las políticas gubernamentales relacionadas con la sostenibilidad y las emisiones. El resultado será un panorama detallado de la viabilidad económica de cada combustible en la propulsión del buque metanero Knutsen, lo que permitirá tomar decisiones informadas en función de criterios económicos y ambientales. (37) 69 Ilustración 24. Evolución del Uranio precio por tonelada métrica 2023 (37) Para llevar a cabo la travesía, el reactor utilizado en la propulsión como se ha mencionado anteriormente es un PWR, y el combustible necesario son 6,46 kg de 𝑈𝑂2, por tanto: 𝑼𝑶𝟐 kg $/libra €/kg Total € 6,46 50,4 (38) 105,28 680,27 Tabla 27. Coste total de 𝑈𝑂! 10.6 GNL El precio del Gas Natural Licuado (GNL) en Bizkaia es un factor crucial en la industria del transporte marítimo y la logística de la región. Se trata de una fuente de energía limpia y eficiente que se utiliza ampliamente en buques metaneros para propulsión y generación de energía a bordo. El precio de GNL está sujeto a una serie de factores que influyen en su fluctuación y que son esenciales para calcular el coste total de una travesía de un buque metanero. El precio está sujeto a factores de oferta y demanda en el mercado internacional de energía, la disponibilidad de infraestructuras de importación y regasificación, los costes de licuefacción y transporte, así como los impuestos y regulaciones gubernamentales. Además, el precio del GNL puede variar estacionalmente y estar sujeto a eventos geopolíticos y cambios en la producción global de gas natural. 70 Para llevar a cabo el cálculo del coste total de nuestra travesía, se tendrá en cuenta la capacidad de carga del buque, la distancia que recorrerá el buque, el consumo de GNL por parte de la embarcación, los costes de operación y mantenimiento. GNL €/l Total € 617129,282 0,824 (40) 508514,53 Tabla 28. Coste total GNL 71 10.7 Comparación de resultados Combustible Precio/L Unidades Total € Diésel 1,603 €/L 376154,58 Hidrógeno 9 €/kg 775384,20 Amoniaco verde 444 USD/t 177873,22 Amoniaco gris 714,5 USD/t 286239,67 UO2 105,28 €/kg 680,27 GNL 0,824 €/L 508514,53 Metanol verde 643 USD/t 388335,24 Metanol gris 417 USD/t 251844,16 Tabla 29. Comparación de precio total por combustible En la Tabla 29. Comparación de precio total por combustible se han representado en la primera columna los posibles combustibles, seguida a ella los precios establecidos en el mercado a día 3 de septiembre de 2023, la tercera columna las unidades de medida en las que se han encontrado los precios y por último el precio del coste del depósito de combustible necesario para realizar la travesía. En primer lugar, las celdas en color rojo representan el menor valor económico, seguida de esta el color naranja, a continuación, le sigue el color amarilla y lima y por último el color verde, representando así el mayor coste económico. Centrándonos en solo una visión económica, el combustible más barato sería el % 𝑈𝑂! con un precio total de 680,27 euros, aunque su uso en el transporte marítimo puede presentar desafíos técnicos y regulatorios, su bajo costo lo convierte en una opción atractiva desde el punto de vista económico. El amoniaco verde, por otro lado, tiene un costo total de 177.873,22 euros. Aunque es más caro que el 𝑈𝑂! sigue siendo significativamente más barato que otras opciones como el diésel o el hidrógeno. Pero la elección no se limita a estos dos combustibles. También se pueden considerar otras opciones, cada una con su propio precio característico. Por ejemplo, el diésel, con un costo de 376.154,53 euros, es una alternativa más tradicional, ampliamente utilizada en la navegación, pero también más costosa en comparación con el % 𝑈𝑂!. El hidrógeno, con un precio de 775.384,20 euros, es una opción más limpia desde el punto de vista ambiental, pero su alto costo inicial puede ser una barrera. 72 Además, el amoníaco, tanto el "verde" con un costo de 177.873,22 euros como el "gris" con 286,239,67 euros, es otra opción para considerar. El amoníaco, aunque menos común en la navegación, es conocido por su potencial de reducción de emisiones. Por último, el metanol, en sus variantes "verde" a 388.335,24 euros y "gris" a 251.844,16 euros, es otra alternativa con un precio para tener en cuenta. En resumen, la elección del combustible para una travesía de buque es una decisión compleja que debe ser analizada cuidadosamente, considerando no solo los precios de % 𝑈𝑂! y amoniaco verde, sino también los costos y beneficios asociados con otros combustibles disponibles en el mercado, así como los aspectos ambientales y regulatorios. No se trata únicamente del precio por unidad de combustible, sino de una decisión estratégica que puede tener un impacto significativo en la economía y la sostenibilidad de la operación marítima. 79 31. Gobierno, Vicepresidencia Tercera del. Ministerio para la Transción Ecológica y el Reto Demográfico. Enriquecimiento del uranio. [En línea] https://energia.gob.es/nuclear/Combustible/Paginas/enriquecimiento.aspx. 32. Bohigas, Xavier. Centrales nucleares, emisiones de CO2 y cambio climático. 33. Gasolina, Disel o. [En línea] https://www.dieselogasolina.com/. 34. Atlas, New. World Energy Trade. 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Luz y Gas [en línea], Disponible en: https://www.luz-gas.es/precio-gasnatural/licuado/#:~:text=El%20precio%20del%20gas%20licuado%20de%20petr%C3% B3leo%20o%20GLP%20est%C3%A1,la%20demanda%20en%20cada%20zona. 80