I Signori della tecnologia dei motori a Gas

I motori a gas erano stati inizialmente sviluppati per l’uso su piattaforme offshore di produzione del gas e del petrolio perché offrivano elevati livelli di affidabilità con qualunque tipo di combustibile gassoso. Le innovazioni tecnologiche di Wärtsilä si sono tradotte in una serie di prodotti che offrono tre tipi di tecnologie per i motori a gas, tutte e tre valide, efficienti in termini di costi ed ecocompatibili.

 “Abbiamo iniziato a sviluppare il motore gas-diesel (GD) nel 1985 - dice Mikael Troberg, direttore dei programmi di sviluppo tecnologico presso Wärtsilä - Il vantaggio principale è che, trattandosi di una tecnologia che prevede la doppia alimentazione, i motori possono funzionare con gas di qualsiasi qualità e quantità”.

I motori gas-diesel (GD) di Wärtsilä utilizzano il processo di combustione diesel in tutte le modalità operative. Nella modalità a gas, il gas viene iniettato a pressione elevata dopo il combustibile a iniezione pilota e incendiato dalla combustione dell'iniezione pilota. La quantità di combustibile pilota è pari a circa il 5% dell’input totale dell’energia combustibile a pieno carico. I motori GD possono passare immediatamente al funzionamento a combustibile liquido che può essere LFO, HFO o petrolio greggio; inoltre, i tenori di NOx sono simili a quelli generati da un motore diesel.
Nella modalità a doppia alimentazione, la proporzione fra le quantità di combustibile liquido e gas può essere modificata durante il funzionamento. Il processo GD è in grado di tollerare ampie variazioni nella qualità del gas ed è particolarmente adatto a essere usato con il “combustibile del pozzo”, come il gas associato nei campi petroliferi.

“È un’esigenza tipica che si presenta quando si sviluppa un nuovo pozzo poiché in periodi diversi si può produrre gas di qualità differente - spiega Troberg - Con la tecnologia GD il rapporto gas/diesel può essere pari a 0-100%, il che significa usare il gas che si ha a disposizione e poi iniettare il gasolio per ottenere l'output desiderato”.

Un motore che funziona solo a gas

“Dieci anni dopo, nel 1995, l’attenzione verso i livelli di emissione stava aumentando e noi prevedevamo la futura esigenza del mercato di un motore ad alta efficienza e con bassi tenori di NOx, un motore a gas puro con meno emissioni, un sistema semplice che funzionasse solo a gas - dice Troberg - Prendemmo quindi la decisione strategica di lanciare i motori ad accensione comandata che stavamo mettendo a punto sin dal 1992”.

I motori SG di Wärtsilä sono motori a gas a ciclo Otto a miscela magra e ad accensione comandata. Il gas viene miscelato all’aria prima delle valvole d’aspirazione e durante il periodo d’aspirazione il gas viene inoltre spinto in una piccola precamera dove la miscela di gas è grassa rispetto al gas nel cilindro. Alla fine della fase di compressione la miscela di gas e aria nella precamera viene incendiata da una candela di accensione e attraverso la luce della precamera le fiamme incendiano la miscela di gas e aria nel cilindro. Con una combustione più magra, le temperature massime vengono ridotte e si producono meno NOx.

“Poiché il gas viene iniettato nella porta di aspirazione, l'aria e il combustibile vengono miscelati prima di raggiungere la camera di combustione – spiega ancora Troberg - Ciò significa che i livelli di NOx generati durante la combustione sono trascurabili in quanto ogni molecola di gas è circondata da un’ottimale quantità d’aria”.

Il motore dual-fuel offre flessibilità

“Nel 1997 avevamo ormai capito che i futuri regolamenti sulle emissioni relativi al trasporto marittimo si sarebbero fatti più rigidi e che i requisiti sarebbero stati severi - racconta Troberg - Sapevamo che la tecnologia dei motori a gas poteva costituire una soluzione concorrenziale ma avevamo anche capito che i clienti del settore del trasporto marittimo probabilmente non avrebbero accettato motori a gas puro perché ciò avrebbe significato dipendere completamente dal gas. Per avere successo dovevano esserci più possibilità; così, anche in caso di problemi di disponibilità del gas, le navi sarebbero comunque state in grado di salpare e di eseguire le manovre. Il risultato è stata la tecnologia dual-fuel (DF), il terzo tipo di motore a gas nel portfolio prodotti di Wärtsilä, un motore in grado di funzionare sia a gas sia a gasolio”.

Durante il funzionamento a gas, il motore  Wärtsilä DF utilizza un processo di combustione Otto a miscela magra. Il gas viene miscelato all'aria prima delle valvole di aspirazione e la miscela viene infiammata da una piccola quantità di combustibile liquido pilota. I motori DF sono dotati di un sistema di alimentazione di riserva: se l’alimentazione a gas viene interrotta, il motore passa in modo immediato e automatico dal funzionamento a gas a quello a combustibile liquido a qualsiasi carico. Durante il funzionamento a combustibile liquido, i motori DF usano il normale processo diesel.
I motori Wärtsilä DF offrono l’elevata efficienza di un motore a gas unita alla possibilità di usare un combustibile di riserva (alla fine degli anni Novanta era la nafta leggera).

“Ora siamo in grado di usare qualunque tipo di combustibile, persino HFO - prosegue Troberg - I nostri motori DF offrono agli armatori e agli operatori completa flessibilità in termini di combustibile”.

Una solida base per lo sviluppo tecnologico

 Una questione fondamentale quando si sviluppano nuove tecnologie per motori è avere un buon progetto di partenza del motore.

“Questo è uno dei segreti del nostro successo - dice Troberg - Il motore diesel di Wärtsilä è una base solida e noi lo trasformiamo in un ottimo motore a gas adattandovi le tecnologie necessarie. Al suo interno Wärtsilä vanta tutte le competenze necessarie. Sappiamo come iniettare il gas, come incendiarlo e come controllare il processo di combustione con il sistema di automazione del motore. Siamo forti in tutte e tre le aree. Inoltre, poiché disponiamo di un motore di base già testato e in ottima forma, dover sviluppare solo tre componenti ci consente di inserirci rapidamente nel mercato”.

Motori a gas per tutte le applicazioni dei clienti

Dallo sviluppo dei motori a gas SG che Wärtsilä ha iniziato negli anni Novanta, l’efficienza termica è stata incrementata di quasi cinque punti percentuali e la potenza del motore (BMEP, pressione media effettiva del freno) è stata aumentata da 15 a 22 bar.

“Nei motori a gas abbiamo inoltre un’estesa gamma di output, da 2 MW a 18,61 MW - aggiunge Troberg - Nessun altro vanta un range così ampio. Una novità recente è il Wärtsilä 20DF che ci consente di fornire ai nostri clienti del settore marittimo una sala motori completa, compresi i motori ausiliari con funzionamento a gas. E l’ultimo arrivato in famiglia è il Wärtsilä 50SG. Disponibile nella versione a 18 cilindri, questo motore ad accensione comandata fornisce a centrali elettriche altamente efficienti e affidabili con potenza anche di 300 MW la flessibilità operativa necessaria a sostenere le fonti di energia rinnovabile. Tutti i motori racchiudono l'equilibrio fra potenza, tenori di NOx ed efficienza termica – prosegue - Grazie al nostro ottimo motore di base e alle competenze interne a tutto tondo, siamo sicuri di reggere le sfide future con motori a gas che rispettano le necessità di qualunque applicazione dei clienti”.

Leader nelle prestazioni ambientali

Nell’ottimizzare i motori per soddisfare le esigenze della clientela, le questioni ambientali si fanno sempre più importanti. Anche l’opinione pubblica influisce sempre più sulle operazioni, soprattutto quando si parla di emissioni. Si tratta di una sfida impegnativa perché, a differenza degli ingegneri che lavorano con specifici obiettivi quantificabili (g/kWh per il consumo di combustibile, g/kWh per le emissioni di NOx, €/kW per il costo del motore ecc.), di rado l’opinione pubblica fissa dei requisiti concreti delle prestazioni.

“Nel settore marittimo, la mancanza di requisiti misurabili complica la situazione – afferma ancora il direttore dei programmi di sviluppo tecnologico in Wärtsilä - Ad esempio, anche se a Miami alla gente dà fastidio la vista del fumo che esce da un motore, il fatto che il fumo si veda o meno dipende da molti fattori, fra cui il combustibile usato, la configurazione del tubo di scarico dell’imbarcazione, l’umidità, la temperatura dell’aria e la posizione del sole rispetto all'osservatore. E solo alcuni di essi si possono controllare”.

Nel caso dei motori a gas, mentre le emissioni di NOx sono trascurabili, quelle di metano non convertito, dette “methane slip”, sono oggetto di un'attenzione crescente. Oltre a essere un costo, il metano incombusto emesso da un motore è infatti un gas serra che contribuisce al surriscaldamento globale.

“La quantità di gas incombusto dopo la combustione in un motore a gas Wärtsilä è minima - spiega Troberg - Viene infatti intrappolato negli spazi della camera di combustione (fasce elastiche, fascia elastica anti-depositi, sedi delle valvole ecc.), dove la proporzione aria/combustibile fa sì che il gas non bruci durante la combustione ma che venga invece rilasciato non convertito insieme ai gas esausti durante lo scarico dei cilindri. Per assicurarci che nei nostri motori la quantità emessa di metano non convertito sia minima, utilizziamo due modi. Il continuo sviluppo delle tecnologie per la camera di combustione in modo da migliorare il processo di combustione (i nuovi prodotti Wärtsilä devono essere il termine di paragone quanto a efficienza, potenza ed emissioni di gas serra) e l’ossidazione del metano incombusto usando un catalizzatore. Tale tecnologia di comprovata efficacia di solito viene inclusa nei pacchetti di soluzioni di Wärtsilä e stiamo lavorando sodo per ridurne ulteriormente le dimensioni e il costo”.

 Stefania Vergani