U NIVERSITÀ DEGLI S TUDI DI N APOLI
F EDERICO II
SCUOLA POLITECNICA E DELLE SCIENZE DI BASE
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA NAVALE
Tesi di laurea
IMPIANTI DUAL FUEL DIESEL-GAS NATURALE
PER MOTORI NAVALI SEMIVELOCI
Relatore:
Chiar.mo
Prof. Franco QUARANTA
Candidato:
Luigi CALIFANO
N48/37
__________________________________________________________________
ANNO ACCADEMICO 2012-2013
Indice
Introduzione ...................................................................................................................................................1
1
2
3
QUESTIONE ENERGETICA E PRIMA COMPARSA DEI MOTORI DIESEL-GAS ...................... 2
1.1
INTRODUZIONE ......................................................................................................................................... 2
1.2
LO SCENARIO ENERGETICO MONDIALE...................................................................................... 3
1.3
PRIMI SVILUPPI DEGLI IMPIANTI DIESEL-GAS: LE NAVI METANIERE ...................... 6
1.3.1
Propulsione con turbina a vapore: i BOG ........................................................................... 6
1.3.2
Prime applicazioni diesel sulle metaniere ......................................................................... 7
1.3.3
Comparsa dei motori diesel-gas sulle metaniere ........................................................... 8
MOTORI DUAL FUEL IN PRODUZIONE..................................................................................................11
2.1
GENERALITÀ .............................................................................................................................................11
2.2
SCHEMA GENERALE DI UN IMPIANTO MOTORE DUAL FUEL ......................................14
2.3
MOTORI DUAL FUEL SEMIVELOCI: LA SOLUZIONE DI WÄRTSILÄ .............................16
2.3.1
WÄRTSILÄ 34DF: dati tecnici.................................................................................................16
2.3.2
Specifiche dei combustibili ......................................................................................................17
2.3.3
Sistema di alimentazione principale dell’olio combustibile ...................................20
2.3.4
Sistema di alimentazione del gasolio pilota ....................................................................22
2.3.5
Sistema di alimentazione del gas combustibile ............................................................23
2.3.6
Gas Valve Unit (GVU) ..................................................................................................................25
SICUREZZA DEGLI IMPIANTI DUAL FUEL E PIANI DI ADATTAMENTO ..............................28
3.1
INTRODUZIONE .......................................................................................................................................28
3.2
SAFETY CONCEPT ..................................................................................................................................29
3.3
ZONE A RISCHIO DI ESPLOSIONE ..................................................................................................29
3.4
LOCALE DELLA GAS VALVE UNIT (GVU ROOM) .....................................................................30
3.5
LOCALE DEL MOTORE (ENGINE ROOM).....................................................................................30
3.6
REQUISITI DEL SISTEMA DI VENTILAZIONE ..........................................................................31
3.7
REQUISITI DEI DISPOSITIVI DI RILEVAZIONE GAS .............................................................32
3.8
PIANI DI ADATTAMENTO ..................................................................................................................34
Piano di adattamento, caso generale................................................................................34
Piano di adattamento, unico locale motore in comune ..........................................35
Piano di adattamento, due locali motore separati ....................................................36
Piano di adattamento, due locali motore separati ....................................................37
Introduzione
Nell’ambito della ricerca e dello sviluppo dei motori marini, il motore dual fuel
diesel-gas naturale è certamente la testimonianza più pragmatica del
conseguimento di un notevole risultato. Questa soluzione tecnica, seppure non
identifichi una vera e propria novità tra i motori navali, si propone oggi come
rimedio ad alcune “inadeguatezze” del motore diesel. Insufficienze, queste, che
certamente esistono fin dalla nascita del motore diesel, ma che solo negli ultimi
tempi si è capaci di apprezzare con maggior criticità. È il caso delle consistenti
emissioni inquinanti, specie di NOx ed SOx, che ormai non passano più inosservate,
ma anche dei costi esagerati che oggigiorno bisogna sostenere per rifornirsi di
combustibile. Il prezzo del greggio, difatti, non cessa di aumentare, mentre la
percentuale di combustibili marini prodotti è sempre più carente, al fine di
soddisfare una domanda sempre crescente di combustibili leggeri e benzine al alto
numero di ottano.
Alla luce di un panorama mondiale in cui è sempre più mitizzato il ricorso
all’ecologico, anche le industrie motoristiche hanno sentito la necessità di investire
i propri sforzi in favore dello sfruttamento di fonti di energie alternative e,
soprattutto, rinnovabili. Le normative sulle emissioni, tra l’altro, sempre più
restrittive, insieme con la consapevolezza di poter trarre evidenti vantaggi
economici da risorse energetiche diverse dai prodotti del greggio, sono
indubbiamente i fattori che hanno sposato l’evoluzione di questa classe di motori
diesel.
1
1 QUESTIONE ENERGETICA E PRIMA COMPARSA DEI
MOTORI DIESEL-GAS
1.1 INTRODUZIONE
Negli ultimi trent’anni il panorama mondiale, tutto, è stato oggetto dei più
grandiosi cambiamenti. Innovazione e tecnologia sono stati, e sono tutt’ora, gli
obbiettivi che guidano l’economia. Gli straordinari risultati ottenuti da un
consistente sviluppo della scienza e della tecnica sono ormai penetrati in ogni
angolo del mercato. Ancor più, i profondi mutamenti, attuati in favore di uno
sfruttamento più ragionato delle risorse energetiche mondiali, non ha lasciato
indietro alcun settore.
Nell’ambito dei trasporti è ormai assolutamente ridondante sottolineare quanta
strada sia stata percorsa dal motore a combustione interna; esso è certamente uno
dei più accreditati tra gli impianti motore disponibili, e per tale ragione è oggetto
di continui aggiornamenti e correzioni. All’interno di questa particolare macchina
termica sono ormai celate le soluzioni tecniche più raffinate; del principio di
funzionamento dei primi motori a scoppio, è rimasto ormai inalterato solamente il
concetto.
Dunque, ogni opera di rielaborazione, rivalutazione ed adattamento nei confronti
del motore a combustione interna, è stata praticata al fine di dar ragione alle
continue evoluzioni (e parallelamente involuzioni) del mercato ed ottenere
vantaggi in termini pratici e, in modo particolare, economici.
Il problema dell’alimentazione, mediante combustibili alternativi, dei motori a
combustione interna, inclusi quelli adoperati per la propulsione navale, non è di
recente formulazione. Ad oggi, la consapevolezza del fatto che le risorse
energetiche di cui si dispone non potranno assecondare per sempre i desideri
2
dell’uomo, unitamente all’ inesorabile, costante, aumento del prezzo dei
combustibili fossili, sono i fattori che
maggiormente contribuiscono alla
realizzazione di tecniche di alimentazione sostitutive. Se si aggiunge poi, non meno
importante, la grave problematica dell’inquinamento che affligge il pianeta, si
capisce perché i maggiori sforzi delle case costruttrici sono tesi all’ottimizzazione
di una nuova classe di motori per la propulsione navale: i motori dual fuel.
1.2 LO SCENARIO ENERGETICO MONDIALE
Il consumo energetico mondiale, come prospettato dal International Energy
Outlook 20131, vedrà impennare il suo valore dai 524 quadrilioni di BTU del 2010
ai 630 quadrilioni di BTU del 2020 fino agli 820 del più lontano 2040. Un aumento,
dunque, di oltre il 56% in trent’anni. Nel dettaglio, un incremento della domanda
energetica superiore all’85% si verificherà fra le nazioni in via di sviluppo al di
fuori dell’OCSE2 (Organizzazione per la Cooperazione e lo Sviluppo Economico) ,
giustificato da una forte crescita economica e da una sensibile espansione della
popolazione. Al contrario, i paesi membri dell’OCSE sono consumatori di energia
già più maturi, la cui evoluzione è scandita da un ritmo di crescita economica più
lenta e da una scarsa (o nulla) espansione demografica.
Alla luce di questi pronostici, si comprende come gli scenari energetici mondiali e,
con essi, i mercati internazionali, saranno presto oggetto di radicali cambiamenti. I
combustibili fossili, fin dalla seconda Rivoluzione Industriale (fine 1800), sono
stati i protagonisti indiscussi sullo scenario mondiale quale principale risorsa di
energia, destinata ad ogni settore del mercato. I vantaggi derivanti dal loro
sfruttamento, hanno altresì permesso il raggiungimento degli elevati livelli di
1Valutazione,
a cura della EIA (Energy Information Administration), riguardo le prospettive del mercato
energetico mondiale. L’EIA è la principale agenzia del U.S. Federal Statistical System (Sistema Statistico
Federale statunitense), responsabile per la raccolta, l’analisi e la diffusione di informazioni sulla situazione
energetica globale. I programmi EIA riguardano essenzialmente dati sul carbone, petrolio, gas naturale,
elettricità, fonti rinnovabili ed energia nucleare.
2L’organizzazione,
con sede a Parigi, raccoglie oggi 34 Paesi membri . Gli obiettivi dell'OCSE, che
tendono alla realizzazione di più alti livelli di crescita economica, alla luce del concetto di sviluppo
sostenibile, di occupazione, di tenore di vita, favorendo gli investimenti e la competitività e
mantenendo la stabilità finanziaria, sono altresì orientati a contribuire allo sviluppo dei Paesi non
membri.
3
industrializzazione e la cospicua evoluzione tecnologica che, ad oggi, è possibile
apprezzare e che fomenta l’economia internazionale.
Nel frattempo, i problemi ambientali che affliggono il pianeta sono ben noti e di
certo poco confortanti. Piogge acide, effetto serra, riduzione dell’ozono sono
purtroppo questioni all’ordine del giorno. Queste, ed altre sciagure, sono anch’esse
la testimonianza del fatto che qualcosa sta cambiando e, ancor più, sono la concreta
dimostrazione dell’abuso di risorse energetiche operato dall’uomo.
In questo contesto, si comprendono bene le ragioni per cui il rispetto
dell’ambiente, la ricerca di fonti di energia alternative, o, ancora, il tema
dell’ecologico, sono oggetti di dibattiti sempre più accesi.
Importanti alternative energetiche provengono dall’impiego di “fonti di energia
rinnovabili”, intendendo con esse tutte quelle risorse che non sono destinate a
scomparire e che, fattore determinante, non hanno alcun impatto ambientale (è il
caso dell’energia eolica, solare e della produzione di energia mediante lo
sfruttamento delle maree, delle biomasse e delle precipitazioni meteoritiche).
È chiaro, però, che il soddisfacimento di una richiesta energetica dell’ordine delle
820 BTU – pronosticate, come detto, dall’IEO2013 - , sia pressoché impossibile
attraverso le fonti rinnovabili di cui oggi si dispone. Come prevedono importanti
aziende impegnate nel mercato dell’energia, un contributo decisivo sarà piuttosto
fornito nei prossimi anni dal gas naturale. Una presunta “età dell’oro” del gas
porterebbe ad un aumento della domanda di più del 50% entro il 2035, elevando al
25% il valore attribuito al gas nella graduatoria mondiale del soddisfacimento
energetico.
Dunque, pur con qualche discordanza sul maggiore o minore ritmo di crescita, è
indubbio che il gas svolgerà un ruolo cruciale nel futuro più prossimo, con
particolare riguardo alla regione asiatica (è proprio l’Asia, infatti, che registra il più
veloce e massiccio aumento della domanda di energia, quella elettrica in
particolare, rendendo necessario un ricorso crescente alle importazioni).
Il possibile rallentamento del nucleare, tra l’altro, insieme con l’adozione di
normative sempre più restrittive sul piano ambientale, concorreranno in misura
importante a privilegiare il consumo di gas. Ad aprire poi definitivamente le porte
a questa nuova “età dell’oro” sarà presumibilmente lo sfruttamento di fonti non
4
Figura 1.1 - Richiesta energetica pronosticata (in quadrilioni di BTU), entro il 2040, dalle
fonti di energia disponibili
convenzionali, di shale gas3 soprattutto, la cui produzione negli USA è già da
qualche anno superiore a quella del gas convenzionale ed ha già apportato
profondi mutamenti nel mercato energetico, e non solo in quello interno. Con
molta probabilità, dunque, il contributo fornito dalla produzione di shale gas, in
aggiunta all’estrazione di gas e petrolio da quelle riserve già note ma fin d’ora
considerate economicamente svantaggiose (per via dei costi di estrazione, oggi
diminuiti con l’adozione di nuove tecniche ), permetteranno, entro i prossimi dieci
anni, di ampliare l’offerta, rendendo l’intero Nord America un importante
esportatore di energia.
3Con
il termine shale gas, o gas di scisto, si intende il gas naturale intrappolato nelle rocce poco
porose, derivate dalle argille, situate ad alta profondità. Si tratta di gas a tutti gli effetti, costituito in
buona parte metano, che però non si trova in un normale giacimento. Di conseguenza, non basta
trivellare un pozzo tradizionale per tirarlo fuori. Per estrarlo si usano due tecniche: la trivellazione
orizzontale e il fracking idraulico. Entrambe sono tecniche già note all’industria petrolifera da
diversi anni, ma solo di recente si è scoperto che usandole insieme si possono pompare dal
sottosuolo, con ottimi risultati, sia il gas intrappolato negli scisti che altri idrocarburi non
convenzionali.
Negli ultimi anni lo shale gas è stato il protagonista degli scenari energetici, soprattutto negli Stati
Uniti, dove è partita una nuova “corsa all’oro” che ha portato alla trivellazione di centinaia di pozzi.
Rispetto al gas convenzionale, contenuto in una sacca naturale sottoterra, il gas di scisto è difficile
da quantificare finché non lo si estrae. Essendo intrappolato nella roccia, infatti, è quasi impossibile
avere una fotografia realistica di quanto gas contenga un giacimento di shale gas. Le stime
dell’Unione europea parlano di circa 450 trilioni di metri cubi, a livello mondiale.
5
1.3 PRIMI SVILUPPI DEGLI IMPIANTI DIESEL-GAS: LE NAVI
METANIERE
L’utilizzo del gas combustibile nei motori a combustione interna, come prima
accennato, non è propriamente una novità attuata dalle case costruttrici ed ha
percorso sviluppi differenti in relazione ai campi di applicazione degli stessi
motori. Rispetto dell’ambiente ed abbattimento dei costi sono certamente i primi
due fattori che più facilmente si allacciano al concetto di alimentazione mediante
gpl o gas naturale. Questo stretto collegamento, però, trova riscontro specie se si
rimane nell’ambito dell’autotrazione, ambiente in cui le industrie motoristiche
hanno effettivamente teso i propri sforzi tutti in favore di una riduzione delle
emissioni inquinanti e di un costo di esercizio nettamente più contenuto.
Ponendo adesso l’attenzione sul settore di nostro interesse, si vogliano
ripercorrere le vicende fondamentali che hanno dato come risultato le prime
apparizioni di impianti motori navali alimentati a gas.
A tale scopo, bisogna anzitutto tener presente che le navi portacontainers e le
metaniere sono quelle che negli ultimi anni hanno fatto registrare il più alto
incremento, in termini sia di numero di unità che di servizio svolto. Per tale
ragione, gli impianti di propulsione destinati a queste speciali imbarcazioni sono
stati maggiormente interessati da particolari novità.
1.3.1 Propulsione con turbina a vapore: i BOG
Le navi metaniere, sin dal loro apparire negli anni ’60 e fino ai primissimi anni di
questo secolo, hanno tutte utilizzato, come impianto principale di propulsione,
esclusivamente turbine a vapore. Questa scelta deriva essenzialmente dal fatto che
i generatori di vapore, che alimentano le turbine, bruciano con elevata facilità ed
efficienza i BOG (Boil Off Gas) ottenuti dall’evaporazione naturale del gas, da soli o
miscelati all’Heavy Fuel Oil (HFO), la cui pressione deve essere innalzata solo di
pochi bar, con gli appositi compressori, prima di essere immessi nella caldaia. La
possibilità di utilizzare i BOG è stata determinante nel tenere alto il successo della
turbina a vapore. Se dalle prime applicazioni degli anni ’60, infatti, l’installazione di
tale impianto motore era giustificato dalla possibilità di ottenere potenze piuttosto
elevate (all’epoca circa 30 MW per una metaniera da 135.000 m3), non ancora
6
erogabili con motori diesel, nemmeno negli anni successivi, durante i quali lo
sviluppo del motore a combustione interna faceva registrare potenze erogabili
superiori ai 60 MW, si scelse di rimpiazzare la turbina a vapore.
1.3.2 Prime applicazioni diesel sulle metaniere
Il monopolio della turbina a vapore sulle navi metaniere è stato messo in
discussione solo nei primi anni di questo secolo. È proprio in questo periodo,
infatti, che il motore diesel ha raggiunto risultati tanto importanti, derivanti da un
lavoro di ricerca costante, peraltro ancora in atto. È possibile riassumere in quattro
punti le ragioni più significative che hanno determinato il passaggio al più
moderno motore diesel.

L’evoluzione tecnologica del motore diesel è stata tale da far raggiungere
valori del rendimento variabili tra lo 0,50÷0,51 per la versione due tempi e
lo 0,46÷0,48 per la versione a quattro tempi; rendimento elevatissimo se
confrontato con quello di solo 0,30 ottenuto mediamente con la turbina a
vapore. Un valore del rendimento tanto basso comporta, tra l’altro, un
inutile spreco di combustibile ad alto pregio (ovvero il metano contenuto
nei BOG) nonché l’immissione in atmosfera di elevate quantità di CO 2.

Le metaniere in uso fino a qualche anno fa sono state realizzate secondo un
criterio che, ad oggi, non può essere ritenuto del tutto valido. Le metaniere
propulse da turbina a vapore, infatti, sono state per lungo tempo impegnate
a prestare servizio percorrendo rotte ben precise, facendo spola tra fissati
impianti di liquefazione e rigassificazione, con carichi di metano costanti
per ogni viaggio. Oggi le richieste di gas naturale stanno rapidamente
impennando, tanto che per il 2020 si prevede una richiesta addirittura
superiore a quella del petrolio. Dunque, aumentando i Paesi che necessitano
di metano, le metaniere dovranno essere pronte a servire carichi di gas
percorrendo rotte non più invariabili. Questa circostanza giustifica la
grande flessibilità della quale una metaniera deve essere oggi in grado di
disporre; elasticità di servizio che non può essere ottenuta da una
propulsione con turbina a vapore, in grado di garantire il rendimento più
alto, comunque già scarso, solo per determinati valori della potenza erogata
7
e della velocità di crociera. Nasce da qui l’esigenza di un impianto di
propulsione il cui valore del rendimento si mantenga piuttosto costante al
variare del carico e, comunque, che sia sensibilmente più elevato di quello
0,30 che, come detto, caratterizza la turbina a vapore.

Gli impianti con turbina a vapore presentano lo svantaggio di una
discutibile difficoltà di manovra, oltre che l’assenza di redundancy, cioè la
mancanza di un motore di riserva nel caso sfortunato di avaria di quello
principale. La difficoltà di manovra si avverte particolarmente quando la
metaniera debba effettuare un attracco in condizioni di mare avverse,
presso una piattaforma off shore od una FPSO4.

Sempre a discapito della turbina a vapore, bisogna tener presente che
questo tipo di impianto motore è stato ormai abbandonato in quasi tutti i
settori del trasporto via mare. Perciò diventa sempre più complicato poter
disporre a bordo di tecnici esperti, capaci di intervenire in casi di guasti, e,
cosa altrettanto difficile, è riuscire a reperire i pezzi di ricambio
eventualmente necessari.
Tutto quanto detto è servito a giustificare i principali motivi che hanno segnato il
passaggio, almeno per le navi metaniere, dall’impianto motore con turbina a
vapore a quello diesel. Ciò che interessa maggiormente, però, è scoprire le vicende
che hanno condotto all’utilizzo di un motore diesel particolare, capace di bruciare,
insieme al combustibile convenzionale, anche gas naturale.
1.3.3 Comparsa dei motori diesel-gas sulle metaniere
Nonostante l’abbandono della turbina a vapore sulle metaniere, non tutti i
problemi erano difatti risolti. Utilizzando dei comuni motori diesel a due o quattro
tempi, restava ancora aperta la questione dei BOG: i Boil Off Gas continuavano ad
essere comunque presenti, in misura dello 0,10 ÷ 0,15% del carico al giorno e
4Una
Floating Production Storage and Offloading Unit, è una nave, o comunque una unità
galleggiante, per la produzione, lo stoccaggio e lo scarico di petrolio e/o di gas naturale. Una FPSO
viene caricata con i prodotti di estrazione, provenienti da piattaforme petrolifere o pozzi
sottomarini, ed esegue a bordo il loro stoccaggio e trattamento. Successivamente, una nave
preposta allo scopo, può eseguire il bunkeraggio mediante una boa posta ad una certa distanza
dall’unità FPSO.
8
Figura 1.2 - La metaniera Umm Bab (145.000 m3), partita dal porto di Ras Laffan, in Quatar,
fa rifornimento presso il terminal di rigassificazione Adriatic LNG, al largo di Porto Levante.
dovevano perciò essere gestiti; era da escludere, nella maniera più tassativa, la
possibilità di disperderli in atmosfera e per motivi di carattere ambientale e per
motivi economico-energetici, essendo improponibile la perdita di tonnellate (per
ogni traversata) di un combustibile così costoso e pregiato quale è il metano.
Il primo passo in favore del recupero dei BOG fu l’installazione a bordo delle
metaniere di impianti di riliquifazione, che potessero riportare i BOG allo stato
liquido, ottenendo la possibilità di poterli poi vendere ai terminal di
rigassificazione cui la metaniera era destinata. Si calcolò che il guadagno
proveniente dalla vendita dei BOG recuperati, grazie all’installazione congiunta del
motore diesel e dell’impianto di riliquifazione, ammontava a cifre dell’ordine di
milioni di dollari ogni anno. Una tale soluzione, seppure allettante, non risolveva
comunque altri importanti problemi: alcuni di carattere puramente tecnico e di
gestione dell’apparato motore, altri che riguardano la flessibilità dell’impianto,
ancora troppo scarsa per fronteggiare un mercato spot su rotte sempre differenti,
che richiedono erogazioni della potenza comunque variabile.
Altro modo di gestire i BOG, a bordo di una metaniera che prevede uno o due
motori diesel a due tempi come impianto di propulsione, è stata la realizzazione di
tali motori del tipo dual fuel, in grado cioè di bruciare i BOG miscelati all’HFO.
9
Anche in tal caso, però, si disponeva di un impianto di riliquifazione, la cui presenza
a bordo, apparentemente inutile, trovava giustificazione nell’ampia libertà che si
voleva conferire a chi era preposto alla gestione del motore: l’operatore poteva
decidere di alimentare il motore solo con HFO, riliquifacendo i BOG nella loro
totalità, oppure con una miscela di entrambi i combustibili. Tali scelte, modificabili
nel corso della navigazione, sarebbero state effettuate essenzialmente sulla base
dei costi dell’HFO e del metano.
La soluzione appena illustrata sembrerebbe proprio quella ideale, in grado di
garantire flessibilità di utilizzo, nonché proficua gestione dei combustibili a bordo.
Pur tuttavia la realizzazione di impianti motori di questo genere è stata presto
screditata, in modo particolare per la seguente complicazione: per poter essere
bruciati nei motori diesel a due tempi, i BOG devono raggiungere pressioni molto
elevate (circa 250 ÷ 300 bar) e poi essere miscelati all’aria in tempi brevissimi per
ottenere una combustione efficiente; raggiungere detti valori di pressione significa
impegnare una potenza pari a circa il 6% di quella complessiva erogata dal motore,
e solo in parte compensata dal minore assorbimento dell’impianto di riliquifazione.
Se a questa faccenda si aggiunge anche la problematica della sicurezza,
compromessa, in una certa misura, per via dell’attraversamento in sala macchine
delle tubazioni che trasportano metano ad alta pressione, si comprende perché
neanche questo particolare impianto è stato un consolidato successore della
turbina a vapore. I migliori risultati derivanti dall’impiego di questi impianti si
sono ottenuti solo quando, pochi anni fa, sono entrati in servizio i moderni motori
a controllo elettronico, in grado di risolvere gran parte dei problemi di gestione
dell’apparato.
10
2 MOTORI DUAL FUEL IN PRODUZIONE
2.1 GENERALITÀ
Le tecnologie più recenti stanno mirando a un continuo sviluppo di questo
particolare tipo di motore, del quale, nel seguito, si vedranno illustrate le
caratteristiche più salienti. Per motivi di chiarezza, si fa presente che la descrizione
di questo raffinato apparato motore è stata avviata facendo riferimento ai manuali
resi disponibili dalle stesse case costruttrici. Tali documentazioni (product guide),
alle volte seminano alcune incertezze, specie per quel che riguarda le condizioni di
funzionamento (inclusi anche i cicli di riferimento) dei singoli motori.
Ciononostante si tenterà, nei paragrafi successivi, di far luce almeno sugli aspetti
chiave che caratterizzano i motori dual fuel, nell’impresa di conseguire una visione
d'insieme di questo articolato impianto di propulsione.
Come già accennato, i motori dual fuel presentano l’importante vantaggio di poter
bruciare, oltre che il convenzionale combustibile fossile (HFO oppure MDO), anche
gas naturale, costituito essenzialmente da metano. Individuano una categoria di
motori che si differenziano sia dai motori diesel gas, alimentati da una miscela
omogenea composta di gas e diesel insieme,in percentuale variabile, che dai motori
cosiddetti ignition gas; questi ultimi in grado di funzionare utilizzando il gas quale
unico combustibile.
La differenza sostanziale risiede nel fatto che i motori dual fuel possono operare
seguendo tre distinte modalità di funzionamento:

Gas mode.
Ciascun cilindro è alimentato da una miscela di gas ed aria, la quale, verso la
fine della fase di compressione, viene fatta bruciare per mezzo di una
11
piccola quantità di gasolio pilota; nel dettaglio, la miscela di gas ed aria
inizia a formarsi nel collettore di aspirazione, a monte della valvola di
adduzione, dove una opportuna quantità di gas viene iniettato ad una
pressione relativamente bassa, di circa 4 ÷ 5 bar. La piccola percentuale di
gasolio pilota, invece, viene fornita dall’iniettore principale posto in testa al
cilindro. È la modalità secondo cui l’armatore si auspica di poter navigare,
avendo così la possibilità di usufruire dei vantaggi dell’impianto dual fuel.

Diesel mode.
Il gas combustibile viene escluso. La carica introdotta nel cilindro è
costituita dal solo combustibile liquido, in una quantità pari a quella del
combustibile pilota più una ulteriore aliquota fornita ancora dall’iniettore
principale. Questa modalità consente il funzionamento dell’apparato, al pari
di un impianto motore diesel tradizionale.

Back-up mode.
Ad alimentare il motore è soltanto il combustibile liquido, stavolta non
comprensivo della porzione di combustibile pilota. L’impianto motore
esegue il passaggio alla back-up generalmente in modo automatico, essendo
questa una modalità di emergenza, avviata non appena il sistema di
iniezione pilota fallisce.
La necessità dell’impianto motore di dover funzionare seguendo le appena citate
modalità, fa intuire subito il bisogno di dover adottare soluzioni ben differenti per i
motori dual fuel rispetto a quelle dei motori diesel classici. Tali diversità
coinvolgono in maniera sostanziale gli organi di alimentazione. Difatti, si è visto
come l’innesco della combustione durante la gas mode sia procurata non già da
una candela, ma dall’iniezione di gasolio pilota. A tale scopo, l’iniettore che affaccia
nella camera di combustione, che d’ora in poi verrà indicato come iniettore
principale, non è un iniettore del tutto convenzionale. Esso è attraversato da due
distinti condotti coassiali, uno dei quali di dimensioni minori. La necessità
dell’impianto motore di dover funzionare seguendo le appena citate modalità, fa
intuire subito il bisogno di dover adottare soluzioni ben differenti per i motori dual
fuel rispetto a quelle dei motori diesel classici.
12
Figura 2.1 - Evoluzione delle fasi in un motore dual fuel, in gas mode (in alto) e in diesel mode
(in basso)
Tali diversità coinvolgono in maniera sostanziale gli organi di alimentazione.
Difatti, si è visto come l’innesco della combustione durante la gas mode sia
procurata non già da una candela, ma dall’iniezione di gasolio pilota. A tale scopo,
l’iniettore che affaccia nella camera di combustione, che d’ora in poi verrà indicato
come iniettore principale, non è un iniettore del tutto convenzionale. Esso è
attraversato da due distinti condotti coassiali, uno dei quali di dimensioni minori. È
proprio in quest’ultimo che viene fatto fluire il gasolio pilota quando si sceglie di
impostare il motore sulla gas mode o sulla diesel mode. Il condotto principale
invece, quello di maggior diametro, vede il passaggio del combustibile soltanto
durante il funzionamento in diesel mode o back-up mode. La quantità di gasolio
pilota è molto piccola rispetto a quella dell’iniezione principale; essa corrisponde a
circa l’1% del totale a carico nominale.
Altro principio alla base del motore dual fuel, è la sua possibilità di evolvere
percorrendo cicli di riferimento che variano insieme con la modalità di
funzionamento impostata. Nel particolare, la gas mode si svolgerà seguendo il ciclo
Otto mentre la diesel mode sarà regolata, come di norma, dal ciclo Diesel.
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Con questa speciale soluzione si giustificano i cambiamenti più consistenti nei
confronti del motore diesel tradizionale. L’accensione della miscela tramite gasolio
pilota, infatti, offre il vantaggio di non dover comprimere la miscela gas-aria fino al
raggiungimento delle condizioni di autoignizione, oltre che la possibilità di
iniettare il gas naturale a bassa pressione (4÷ 5 bar). Bisogna osservare che, per
ottenere una combustione ottimale ed evitare indesiderati fenomeni di
detonazione, facilitati peraltro dall’elevato valore del rapporto volumetrico di
compressione del motore, è necessario che la miscela sia sensibilmente povera in
gas, ma non al punto di verificare mancate accensioni (misfiring). In proposito,
risultati soddisfacenti si ottengono installando opportuni dispositivi a controllo
elettronico e valvole del tipo a solenoide che dosino l’opportuna quantità di gas
combustibile e gasolio pilota.
2.2 SCHEMA GENERALE DI UN IMPIANTO MOTORE DUAL FUEL
Per meglio comprendere la logica di funzionamento di un impianto dual fuel, è
possibile schematizzarlo come l’unione congiunta di tre macro-aree, ovvero tre
locali che “comunicano e interagiscono” tra loro, ognuno dei quali è sede di un
certo processo. Dunque, la compartimentazione che va dal serbatoio di LNG fino al
motore, così come previsto dai registri, divide l’ambiente nei seguenti locali:

Tank room: è il locale che accoglie il serbatoio di LNG, con annessa cold-box
per la rigassificazione.

Gas Valve Unit room: ospita la GVU.

Engine room: è l’ambiente in cui trova locazione il motore.
Ciascuno dei precedenti, così come previsto dai registri, è fisicamente separato
dagli altri due. Ogni area, come si vedrà in maniera più dettagliata, deve essere
regolata e controllata da opportuni dispositivi, al fine di garantire un valore
ottimale della pressione vigente nell’ambiente ed assicurare che in alcun modo
avvenga la formazione di atmosfere esplosive.
È possibile ricalcare i processi principali evolventi in un generico impianto motore
dual fuel, dal momento in cui inizia il rifornimento di LNG fino alle normali
condizioni di funzionamento, sempre che il motore sia impostato sulla gas mode.
14
Il bunkeraggio del gas combustibile può dirsi avviato non appena si apre la linea di
rifornimento alla bunkering station. Giunti a riempimento del serbatoio di LNG, la
linea di rifornimento viene occlusa ed inizia la manovra di incremento di
pressione, facendo passare il gas liquido nel circuito PBU (Pressure Buit Up) e
rinviandolo, poi, sottoforma di vapore, ancora nel serbatoio. L’incremento della
pressione vigente nella cassa, ingenera dunque un processo iterativo: la più
accentuata pressione idrostatica conferita all’LNG vaporizzato permette, cioè, di
forzare un flusso di combustibile liquido verso la PBU che lo rimanda, a sua volta,
alla sommità del serbatoio, sottoforma, come detto, di vapori di gas naturale.
Figura 2.2 - Schema generale di un impianto dual fuel
Il gas potrà continuare il suo percorso solo quando la pressione all’interno della
tank si assesterà ad un valore prossimo ai 5 bar. Raggiunta tale condizione, viene
interrotto il circuito PBU ed aperta la valvola STOP & MASTER. Il flusso di LNG in
pressione può allora attraversare l’evaporatore, in cui effettua il passaggio di stato
da liquido a gassoso, e quindi giungere fino alla Gas Valve Unit (GVU), nel
compartimento successivo.
La GVU è un potente mezzo di monitoraggio del gas combustibile.
L’attraversamento del fluido entro questo particolare dispositivo è, dunque, di
cruciale importanza per un impianto motore dual fuel. È proprio questa la sede in
15
cui vengono conferite al gas tutte le proprietà necessarie per essere accolto in
maniera ottimale dall’apparato motore. L’adduzione del gas al motore, difatti, può
avvenire solo dopo che lo stesso fluido venga opportunamente filtrato,
pressurizzato e dosato in funzione del carico.
Risulta chiaro, in base agli accenni appena precedenti, che una sostanziale
differenza tra un impianto dual fuel ed uno diesel tradizionale risiede nella
caratteristica del primo di possedere due distinti circuiti del combustibile, uno
dedicato all’HFO (o MDO), l’altro riservato al gas. I due combustibili, dal momento
in cui vengono stoccati a bordo della nave, non si incontrano mai, se non all’interno
della camera di combustione di ciascun cilindro.
2.3 MOTORI DUAL FUEL SEMIVELOCI: LA SOLUZIONE DI
WÄRTSILÄ
Di seguito verranno passati in rassegna i principali sistemi che regolano il
funzionamento di un impianto dual fuel. Nel dettaglio, l’impianto scelto è quello
destinato a lavorare nel contesto di una nave propulsa da un motore diesel
semiveloce, della serie WÄRTSILÄ 34DF, di recente produzione. I dati cui si farà
riferimento sono quelli resi ufficiali dalla ben nota azienda finlandese, leader
mondiale nella fornitura di soluzioni per la generazione di energia.
2.3.1 WÄRTSILÄ 34DF: dati tecnici
Il motore WÄRTSILÄ 34DF è un motore diesel dual fuel a quattro tempi, non
reversibile, sovralimentato e interrefrigerato. È provvisto di iniezione diretta
dell’olio combustibile e indiretta del gas combustibile. Offre la possibilità di
operare in gas mode e in diesel mode. Di seguito si riportano alcune caratteristiche
costruttive.
WÄRTSILÄ 34DF dual fuel
Alesaggio
Corsa
340 mm
400 mm
Cilindrata
36,3 l/cil
Numero valvole
2 di immissione, 2 di scarico
Configurazione cilindri
6 e 9 in linea, 12 e 16 a V
Direzione di rotazione
orario, antiorario (a richiesta)
16
Velocità
720 ÷ 750 rpm
Velocità media pistone
9,6 ÷ 10,0 m/s
Pressione media effettiva
22,0 bar
Configurazioni
Potenza nominale [kW]
Wärtsilä 6L34DF
3.000
Wärtsilä 9L34DF
4.500
Wärtsilä 12V34DF
6.000
Wärtsilä 16V34DF
8.000
Il motore WÄRTSILÄ 34DF permette una grande flessibilità di impiego. Lo switch
tra i combustibili può essere effettuato con continuità, senza perdite di potenza o
di velocità. Quando si opera in gas mode, il motore è conforme alle normative IMO
Tier III, senza necessitare di alcun sistema secondario di depurazione dei gas di
scarico. Ciò permette, nonostante le recenti prescrizioni, la navigazione nelle aree
ad emissioni controllate (ECA). Quando alimentati con olio combustibile, i motori
dual fuel Wärtsilä sono pienamente conformi alle norme IMO Tier II sulle emissioni
dei gas di scarico (di cui all’allegato VI della convenzione MARPOL 73/78). Il
motore, infine, è in grado di operare in modo efficiente con carburanti a basso
tenore di zolfo (<0,1%), il che permette di registrare valori ridotti di SOx emessi e
di ottenere una bassa fumosità allo scarico.
2.3.2 Specifiche dei combustibili
Il motore WÄRTSILÄ 34DF, in qualità di motore dual fuel, è progettato per un
funzionamento continuo, operando sia in gas mode che in diesel mode. Affinché il
suo funzionamento avvenga in modo regolare, senza riduzioni della potenza
nominale, il gas naturale utilizzato per l’alimentazione deve soddisfare i requisiti di
qualità riportati in tabella.
17
Tabella 2.I - Specifiche del Fuel Gas
1)
Dal valore del LHV (potere calorifico inferiore) deriva anche il valore della pressione del gas di
alimentazione necessaria.
2)
Il simbolo “N” che accompagna l’unità, indica che la valutazione è da praticarsi in condizioni normali,
ovvero a 0°C e 101,3 kPa.
3)
È un indice della resistenza alla combustione, dei combustibili gassosi.
4)
Nel caso la quantità di idrogeno superi il 3% del volume totale, tale condizione deve essere
considerata in fase di progetto.
5)
Il punto di rugiada del gas naturale è inferiore alle normali condizioni, di pressione e temperatura, di
esercizio.
Anche il combustibile liquido, che sia esso HFO, MDO, o, in casi meno numerosi,
biocombustibile, deve soddisfare alcuni requisiti di qualità. Le specifiche richieste,
sono basate sulle normative vigenti, ovvero le ISO 8217:2010. I combustibili
impiegati non debbono contenere, tra l’altro, sostanze chimiche di scarto che
possano compromettere la sicurezza di tutto l’impianto o, comunque, contribuire
all’immissione di sostanze dannose in atmosfera.
18
Figura 2.3 - Sezione trasversale del motore Wärtsilä con cilindri in linea
19
Figura 2.4 - Sezione trasversale del motore Wartsila con cilindri a V
2.3.3 Sistema di alimentazione principale dell’olio combustibile
Il sistema di iniezione principale dell’olio combustibile, è attivo quando il motore
opera nella diesel mode, oppure nella back-up mode. Quando, al contrario, il
funzionamento è impostato in gas mode, allora sarà attivo solo il circuito del
combustibile pilota. Il sistema di iniezione principale comprende i seguenti
equipaggiamenti per ciascun cilindro:

Pompa di iniezione combustibile

Condotti di alta pressione

Duplice valvola di iniezione combustibile (per iniezione principale e pilota)
20
Figura 2.5 - Sistema interno di alimentazione del fuel oil, per motore con cilindri in linea
La pompa di iniezione è del tipo a singolo elemento ed è progettata per conferire al
combustibile pressioni anche superiori ai 150 MPa. È dotata di punteria a rullo e di
un cilindretto interno ad azionamento pneumatico. Il condotto di alta pressione,
che collega la pompa di iniezione con la valvola di adduzione, è del tipo a doppia
parete e ben protetto all’interno della hot box.
La hot box racchiude tutti i dispositivi del sistema di iniezione principale,
assicurando la massima sicurezza ed affidabilità. In questo modo, gli organi che
lavorano ad alta pressione, vengono completamente separati dalla zona
attraversata dai condotti dei gas di scarico e dell’olio lubrificante. Qualsiasi perdita
21
viene così trattenuta dalla hot box ed è esclusa la possibilità che l’olio lubrificante
venga inquinato dal combustibile.
Per la medesima ragione, le pompe di iniezione sono completamente isolate dal
vano dell’albero a camme.
2.3.4 Sistema di alimentazione del gasolio pilota
Come già precedentemente illustrato, quando il motore è impostato sulla gas mode,
la combustione è innescata da una piccola quantità di olio combustibile (circa l’1%
del totale a pieno carico), il gasolio pilota, che si autoaccende in camera di
combustione. Il sistema di iniezione del combustibile pilota, sfrutta lo stesso
sistema esterno di alimentazione del combustibile principale. Esso comprende i
seguenti dispositivi:

Filtro dell’olio combustibile pilota

Pompa di alta pressione common rail

Condotti del common rail

Duplice valvola di iniezione del combustibile (per iniezione principale e
pilota)
Il filtro del combustibile impedisce l’ingresso di impurità all’interno del sistema; le
maglie hanno una finezza di circa 10 µm. La pompa ad alta pressione del
combustibile è azionata direttamente dal motore ed è in grado di conferire al
combustibile pressioni di circa 100 Mpa. La presenza del common rail ad alta
pressione, impedisce il verificarsi di anomalie nel funzionamento delle valvole di
adduzione, dovute alle eventuali pulsazioni che si ingenerano per repentini cali di
pressione.
I condotti di alta pressione, che mettono in comunicazione il common rail con le
valvole, anche stavolta sono schermati da una doppia parete e rientrano nella hot
box. Le valvole di cui si parla, inoltre, sono del tipo a solenoide e governate dal
sistema di controllo dell’impianto.
22
2.3.5 Sistema di alimentazione del gas combustibile
Nella zona appena superiore alla testata del motore, il sistema di alimentazione si
sviluppa in maniera abbastanza semplice. Una tubazione attraversata da gas
combustibile, proveniente dal locale GVU, alimenta un common rail a doppia
parete, dal quale si dipartono ulteriori condotti di adduzione del gas, uno per ogni
cilindro disponibile. Questi ultimi condotti, terminano con una particolare valvola,
ognuna delle quali si affaccia direttamente nel collettore di aspirazione della
macchina.
Figura 2.6 - Common rail con valvola di ammissione gas e valvola di sfogo
Durante il funzionamento nella gas mode, il gas combustibile viene quindi
iniettato, mediante le apposite valvole di adduzione, all’interno dei condotti di
aspirazione sistemati in testa a ciascun cilindro. La regolazione delle valvole
avviene individualmente, per mezzo di un sistema di controllo elettronico, capace
di gestire la potenza erogata dal motore e il numero di giri, dosando la giusta
quantità di gas da inviare ad ogni cilindro. Frapposti tra il common rail e ciascuna
valvola, vi sono i filtri del gas; sono dei filtri di sicurezza di circa 90 µm. Lo stesso
rail, infine, è fornito di una valvola di sfiato.
Gli organi di ammissione ed i condotti di adduzione (pipings) sono progettati in
modo che solamente l’aria, e non il gas, invada la zona del collettore di aspirazione
a monte della valvola del gas. In particolare, le valvole sono del tipo a solenoide: il
passaggio viene aperto quando, per mezzo dei segnali elettronici percepiti, le
spirali si allontanano; vengono invece occluse quando, cessati i medesimi impulsi,
le spirali vengono richiamate da un sistema a molla.
23
Figura 2.7 - Sistema gas fuel interno, per motore con sei cilindri in linea
Un’importante soluzione costruttiva adottata per i motori dual fuel, prevede una
particolare lavorazione dei condotti entro i quali fluisce il gas in pressione,
compresi anche gli organi di immissione. La particolarità risiede nel fatto che essi
sono tutti realizzati a doppia parete, in modo da garantire un accentuato
isolamento del gas dall’ambiente esterno. Peraltro, l’intercapedine ricavata tra le
due pareti interne, deve essere opportunamente ventilata: sono necessari, come
stabiliscono le norme, perlomeno trenta ricambi per ora, monitorati da almeno due
rilevatori di gas, installati tra la sala GVU e quella del motore.
Per lavorare sempre in condizioni di sicurezza e prevenire seri incidenti, i condotti,
ancora, sono realizzati con esclusivi materiali, al fine di resistere ad indesiderate
esplosioni. La buona duttilità dei materiali scelti, consente, difatti, di assecondare
potenziali esplosioni con deformazioni del tutto ammissibili.
24
Figura 2.8 - Sistema gas fuel esterno, compreso tra la GVU room e la engine room
Anche le tubazioni che partono dalla GVU e giungono fino al locale motore, sono
del tipo a doppia parete, e così i collettori che arrivano alla macchina termica.
Esattamente come nel caso precedente, si rende necessaria una ventilazione che
assicuri un ricambio d’aria nella cavità tra le pareti interne. I materiali utilizzati per
la realizzazione delle parti, sono ancora a prova di esplosione.
2.3.6 Gas Valve Unit (GVU)
Prima che il gas giunga all’apparato motore, è costretto ad attraversare la GVU. Ne
è presente una per ogni apparato motore. È l’unità centrale che assolve il compito,
essenziale, di preparare il gas combustibile da avviare al locale motore , ed
interviene, non meno importante, per svolgere cruciali operazioni di sicurezza
previste in caso di anomalie.
La GVU include tutta una serie di valvole, destinate a svolgere diverse mansioni;
sono presenti valvole per il controllo della pressione del gas combustibile, per la
ventilazione, per l’isolamento del circuito e per il pompaggio di gas inerte nei
25
condotti. Alcune di esse sono manuali, altre vengono comandate elettronicamente.
Ulteriori elementi indispensabili, installati nella GVU, sono filtro, rilevatori di
pressione e temperatura ed, infine, il pannello di controllo. Detto filtro, in
particolare, è necessario ad impedire l’ingresso di impurità all’interno del sistema;
esso è realizzato con una maglia di finezza pari a 5 µm. La caduta di pressione a
valle del filtro deve essere costantemente monitorata: nel caso si porti al di sotto
dei valori limite fissati, un allarme avviserà l’operatore, il quale dovrà procedere
con la sostituzione del dispositivo.
La valvola di controllo pressione del gas combustibile, regola la pressione di
alimentazione compatibilmente con le condizioni di carico. Il sistema è progettato
per fornire, in ogni circostanza, il giusto valore di compressione del gas, stazionato
all’interno del common rail.
Ogni valore, rilevato dai sensori elettronici della GVU, può essere letto sul Local
Display Unit (LDU), una particolare interfaccia installata sullo stesso pannello di
controllo della GVU.
Figura 2.9 - Shema di una Gas Valve Unit
26
Al fine di riuscire a bloccare, quando si rende necessario, l’alimentazione al
motore, l’unità dispone di un sistema block-and-bleed (blocco e sfiato). Sul
condotto di adduzione sono cioè posizionate due valvole di occlusione (V03 e V05),
tra le quali è frapposta una valvola di sfogo (V04). In caso di blocco, le prime due
valvole vengono occluse, mentre viene liberata quella centrale. Al contempo, una
ulteriore valvola (V07) viene aperta e si lascia attraversare da un gas inerte, in
genere nitrogeno. Questa operazione viene sempre eseguita in condizioni di
emergenza (blocco valvola/e di ammissione gas nel collettore di aspirazione del
motore, per esempio), ma anche durante le normali operazioni di funzionamento,
quando viene eseguito lo switch dalla gas mode alla diesel mode.
La GVU, prima di ogni avviamento del motore, esegue un test per assicurare che
non ci siano fughe di gas, di qualsiasi entità esse siano. Questa misura di sicurezza
è un mezzo per valutare la tenuta delle valvole e il regolare funzionamento dei
componenti.
Il gas inerte e l’aria compressa debbono essere asciutti e privi di impurità. La
massima pressione autorizzata per il nitrogeno è di 15 bar.
Riassumendo, allora, la GVU assolve i seguenti incarichi:

Verifica, prima di ogni avvio del motore, che non ci siano fughe di gas
nell’impianto

Controlla la pressione del gas di alimentazione da inviare al motore

Alla fine di ogni operazione in gas mode o in caso di emergency stop, blocca
automaticamente la fornitura di gas e lo espelle dai condotti, sostituendolo
con gas inerte

Inertizza le tubazioni dell’impianto per motivi di manutenzione
L’installazione a bordo della GVU deve essere ben studiata. Prima di tutto è
necessaria una unità per ciascun apparato motore. È d’obbligo, inoltre, che essa
venga installata ad una precisa distanza dal locale motore, tale che i condotti tra la
GVU e le valvole di adduzione gas non superino la lunghezza di 10 m.
Maggiori indicazioni, riguardo le disposizioni previste per il locale GVU, verranno
date successivamente, nella sezione che riguarda i piani di adattamento.
27
3 SICUREZZA DEGLI IMPIANTI DUAL FUEL E PIANI DI
ADATTAMENTO
3.1 INTRODUZIONE
Diversamente da un impianto di propulsione diesel tradizionale, si è potuto
constatare che un impianto dual fuel necessita di un certo numero di componenti
ulteriori. A parte quegli organi installati in corrispondenza del motore, di
dimensioni relativamente piccole, ne sono necessari altri, ben più ingombranti. È il
caso delle Gas Valve Units, una per ogni motore, e dei serbatoi di LNG, abbastanza
capienti da garantire l’autonomia necessaria alla nave, e di tutte le parti corredate,
necessarie al funzionamento dell’apparato.
Data l’elevata quantità di gas naturale stoccato a bordo, si può facilmente
comprendere il motivo per cui, le navi allestite con un impianto dual fuel, debbano
rispondere a severe norme di sicurezza, imposte dai Registri. Non è dunque un
caso, né una scelta della singola casa produttrice, che, come visto nelle descrizioni
precedenti, ogni parte del motore venga costruita adottando criteri ben specifici.
Ad esempio, l’utilizzo del rivestimento a doppia parete per la realizzazione dei
componenti, è una condizione di radicale importanza in un impianto dual fuel. È
proprio questa soluzione, difatti, che rende possibile una organizzazione degli
spazi disponibili a bordo in maniera non molto discostante rispetto agli impianti
motori diesel tradizionali. È chiaro che debbono essere comunque osservate, tra
l’altro, specifiche disposizioni o raccomandazioni.
L’allestimento di una nave con impianto di propulsione dual fuel, può essere
avviato solo dopo l’approvazione, da parte della società di classificazione, di
ciascuno dei piani di adattamento proposti per l’imbarcazione in questione. Questi
28
stessi piani, dovranno rispondere a tutti i requisiti imposti dalle normative (IGFCode, IGC-Code, IACS unified requirements, ecc.).
3.2 SAFETY CONCEPT
Con il termine safety concept si intendono tutte quelle disposizioni messe in opera
al fine di evitare, o limitare, eventuali danni provenienti da indesiderate esplosioni
o deflagrazioni. In base a tali disposizioni, è possibile intervenire sulla sicurezza
dell’impianto seguendo tre criteri fondamentali:

Prevenire la formazione di atmosfere esplosive (mediante apparecchi di
ventilazione, rilevatori di gas, sistemi di allarme e di inertizzazione, ecc.)

Escludere la presenza di fonti pericolose (superfici che superano la
temperatura critica di infiammabilità delle sostanze che possono venire in
contatto con esse, sorgenti pericolose di tipo elettriche o elettrostatiche,
generatori di scintille, fiamme libere, ecc.)

Limitare gli effetti delle esplosioni mediante dispositivi di sicurezza (dischi
di rottura, valvole di sicurezza, materiali a prova di esplosione, ecc.)
3.3 ZONE A RISCHIO DI ESPLOSIONE
Ogni componente installato a bordo della nave deve possedere specifici requisiti,
compatibilmente con la zona entro il quale trova locazione. In conformità alle
norme IEC 60092–502: 1999, è possibile dare le seguenti definizioni:

Zona 0: area nella quale è permanentemente presente un’atmosfera
esplosiva, o, comunque, per lunghi periodi

Zona 1: area nella quale è probabile che si verifichi un’atmosfera esplosiva,
durante le normali operazioni

Zona 2: area nella quale è possibile che si vengano a formare atmosfere
esplosive solo per brevi periodi e, comunque, non durante le normali
operazioni di funzionamento.
29
3.4 LOCALE DELLA GAS VALVE UNIT (GVU ROOM)
Viene allestito in un compartimento separato dagli altri. È considerato un ambiente
pericoloso ed è, pertanto, classificato come ZONA 1. In esso trovano generalmente
locazione, oltre che la GVU, anche i seguenti sistemi:

Sistemi di rilevazione di gas e fiamme

Sistema antincendio

Sistema di ventilazione

Sistema di illuminazione
La pressione che regna all’interno del locale GVU, è sempre inferiore sia a quella
del locale motore adiacente che a quella esterna. Questa circostanza, permette di
ottenere una ventilazione tra le pareti dei condotti in direzione del locale GVU. I
valori di depressione sono continuamente monitorati e, nel caso di anomalie, viene
immediatamente interrotto il flusso di gas mentre il funzionamento del motore
esegue lo switch in diesel mode.
L’isolamento del locale con l’ambiente esterno, è garantito dalla presenza di un
sistema a doppia porta. Se, invece, il sistema di ventilazione è in grado di produrre
una depressione di almeno 25 mbar, è possibile realizzare l’accesso al locale
mediante una porta singola. Le stesse porte, debbono essere a chiusura
automatica, equipaggiate di un allarme che entra in funzione solo quando restano
aperte per più di 60 secondi.
Utilizzare una GVU per ogni apparato motore consente, in caso di allarme, di
coinvolgere un solo motore per volta, senza alterare il funzionamento degli altri.
Come testé detto, i provvedimenti di sicurezza vengono inizializzati non appena si
riscontrano anomalie nel funzionamento dell’unità. In particolare, il sistema di
ventilazione resta attivo in caso di perdite di gas; se viene riscontrato un principio
di incendio, invece, viene immediatamente sospeso, in favore dell’iniezione
nell’ambiente di agenti estinguenti.
3.5 LOCALE DEL MOTORE (ENGINE ROOM)
Il locale macchine è considerato una zona sicura. Questo perché tutti i condotti
utilizzati per l’alimentazione sono del tipo a doppia parete. In più, ogni motore è
30
equipaggiato con almeno quattro rilevatori continui di gas, da installare in quelle
zone del locale in cui c’è una possibile formazione di accumuli di gas. Il numero di
sensori utilizzati, sia per il motore che per l’impianto di ventilazione, dipende
essenzialmente dalle dimensioni e dal layout della sala entro la quale alloggiano.
Oltre che l’apparato motore, nella sala macchine trovano generalmente posto:

Alternatori

Scatola degli ingranaggi

Sistema per la movimentazione del propulsore

Sistemi di rilevazione di gas e fiamme

Sistema antincendio

Sistemi di ventilazione di immissione ed espulsione

Sistema di illuminazione

Pompe dell’olio lubrificante

Impianto dell’olio lubrificante

Pompe dell’olio combustibile

Impianto dell’olio combustibile

Pompe dell’acqua di raffreddamento

Sistema dell’acqua di raffreddamento

Componenti ausiliari dell’apparato motore
Come accade all’interno del locale della GVU, nel caso in cui venga rilevata una fuga
di gas, i circuiti di adduzione vengono immediatamente interrotti, mentre viene
eseguito lo switch del motore sulla diesel mode. Intanto le ventole dell’aria
continuano a girare, permettendo la fuoriuscita del gas dalla sala.
3.6 REQUISITI DEL SISTEMA DI VENTILAZIONE
Il
sistema
di
ventilazione,
generalmente
a
ventilazione
forzata,
deve
necessariamente ottemperare a requisiti tecnici ben precisi, in particolare:

Il progetto completo del sistema di ventilazione, per impianti dual fuel di
nuova costruzione, deve essere compatibile con le norme in vigore (IGC
31
Code, IGF Code, ecc.) e necessita dell’approvazione da parte delle società di
classificazione

L’impianto di ventilazione deve essere ottimizzato per la specifica GVU
room ed engine room, in modo da renderlo il più efficiente possibile, senza
sacrificare gli spazi disponibili. L’efficacia del sistema deve essere mostrata
attraverso opportuni test e simulazioni .

L’aria canalizzata dal sistema deve provenire dall’ambiente esterno oppure
da aree ad atmosfera sicura

Il sistema deve garantire per lo meno 30 ricambi d’aria per ora, nelle zone
non sicure

Un allarme deve inviare un segnale ,nel caso in cui si verifica una perdita
della capacità dell’impianto

Devono essere previsti sistemi di ventilazione indipendenti per ogni locale
dell’impianto motore

Le ventole adoperate per l’allestimento dell’impianto, devono essere
approvate per il funzionamento in atmosfere esplosive

L’aria espulsa dai locali e dalle zone non sicure, deve essere convogliata
lontano da fonti pericolose

Non è permessa l’installazione delle ventole all’interno dei condotti di
ventilazione.
3.7 REQUISITI DEI DISPOSITIVI DI RILEVAZIONE GAS
Come prescritto dalle norme vigenti:

Ogni locale motore deve essere equipaggiato con almeno quattro sensori di
monitoraggio continuo per il gas naturale, due dei quali installati in
corrispondenza delle prese di ventilazione, altri due, invece, posti nelle zone
più vicine al motore, in cui possono esserci accumuli di gas

Il locale GVU deve disporre di due rilevatori

I dispositivi devono essere tutti connessi ad un sistema di controllo comune,
che, in caso di allarme, emana segnali acustici e visivi
32

I dispositivi devono essere del tipo certificato, con approvazione da parte
delle società di classificazione IACS

Il sistema di monitoraggio deve essere autonomo: in caso di allarme, le
misure di sicurezza devono essere attuate immediatamente, senza
necessitare di una procedura manuale.
33
3.8 PIANI DI ADATTAMENTO
Si riportano di seguito gli schemi di alcuni possibili piani di adattamento per un
impianto motore dual fuel.
Figura 3.1 - Piano di adattamento, caso generale
34
Figura 3.2 - Piano di adattamento, unico locale motore in comune
35
Figura 3.3 - Piano di adattamento, due locali motore separati
36
Figura 3.4 - Piano di adattamento, due locali motore separati
37
Bibliografia

energyviews.enel.it,

www.eia.gov, U.S. Energy Information Administration, INTERNATIONAL
ENERGY OUTLOOK 2013

Renato della Volpe, Impianti Motori per la Propulsione Navale, Liguori
editore, Napoli, 2007

www.wartsila.com,

www.mandieselturbo.com
38