Slittamento del metano nei motori a LNG: tipi di motori e impatto sul bilancio GHG

I motori alimentati a gas non bruciano tutto il metano: una piccola parte attraversa la camera di combustione senza bruciare e finisce nei gas di scarico come cosiddetto slittamento del metano (methane slip). Poiché il metano è un potente gas serra, lo slittamento peggiora il bilancio delle emissioni, anche quando il combustibile è il bioLNG. L’entità dello slittamento dipende dal tipo di motore, dal carico, dal rapporto aria-combustibile e dalla regolazione. Nel regolamento FuelEU Maritime i valori predefiniti variano a seconda del tipo di motore marino – da circa 0,2% a oltre il 3% della massa di combustibile consumato.

Conversione dello slittamento in gCO₂e/MJ

Il metano ha un potere calorifico di circa 50 MJ/kg. Uno slittamento di valore s (come frazione della massa di combustibile) indica s kg di CH₄ non combusto per ogni kg di combustibile, ovvero s/50 kg per MJ. L’emissione in gCO₂e/MJ = s/50 × 1000 g × GWP. Per GWP₁₀₀ = 28:

Per un orizzonte di 20 anni (GWP circa 80–84) i valori sarebbero circa tre volte superiori.

Tipi di motori

Nel FuelEU Maritime sono state individuate diverse categorie di motori a LNG, per le quali sono stati adottati valori predefiniti di slittamento (i valori possono essere aggiornati; è necessario verificare l’allegato attuale): tra questi, motori dual-fuel a medio regime con accensione a scintilla (slittamento nell’ordine di alcuni punti percentuali), dual-fuel a basso regime con accensione a scintilla (circa 1,7%), dual-fuel a basso regime con accensione spontanea (circa 0,2%) e motori a miscela povera con accensione a scintilla (circa 2,6%). Nel trasporto stradale i valori dipendono dalla tecnologia: i motori stechiometrici con catalizzatore trifunzionale hanno solitamente un basso slittamento, i motori dual-fuel HPDI hanno un diverso profilo di emissioni, mentre i motori a miscela povera senza sistemi aggiuntivi presentano uno slittamento più elevato.

Origine dello slittamento

1. Basso carico: combustione meno efficiente, pareti della camera fredde.
2. Interstizi e volumi morti nella camera: il gas non raggiunge la fiamma.
3. Lavaggio del cilindro nei motori a due tempi e dual-fuel: parte della miscela fuoriesce.
4. Miscela troppo povera o troppo ricca.
5. Invecchiamento del catalizzatore e contaminazione.

Riduzione

• scelta di un motore a basso slittamento (ad es. dual-fuel con accensione spontanea, motore stechiometrico con catalizzatore),
• ottimizzazione del controllo ed evitamento di un funzionamento prolungato a basso carico,
• utilizzo di catalizzatori ossidanti per il metano (difficile a causa della stabilità del CH₄ e della temperatura richiesta),
• ricircolo dei gas di scarico e modifiche costruttive,
• nel settore marittimo – scelta di altri combustibili o sistemi ibridi.

Esempio di calcolo per una nave

Ipotesi: una nave consuma 10 000 t di bioLNG all’anno (energia 500 TJ a 50 MJ/kg), con uno slittamento del 3,1%. Metano non combusto: 310 t. Con GWP₁₀₀ = 28, ciò corrisponde a 8 680 t CO₂e all’anno. Se il motore viene sostituito con un tipo con slittamento dello 0,2%, le emissioni da slittamento scendono a 20 t di CH₄ e 560 t CO₂e, ovvero una riduzione di oltre 8 000 t CO₂e all’anno. Per confronto, la CO₂ derivante dalla combustione di questa quantità di combustibile ammonterebbe a circa 27 500 t (10 000 × 2,75), ma è di origine biogenica e non viene conteggiata nel bilancio secondo le regole del FuelEU.

Conclusioni per fornitori e armatori

• La sola scelta del bioLNG non garantisce basse emissioni; è necessario un motore adeguato.
• Le condizioni dei contratti di fornitura di combustibile dovrebbero includere la documentazione GHG e i parametri del motore.
• I produttori di bioLNG possono competere sull’impronta di produzione, ma non controllano lo slittamento presso l’utente finale.
• Le normative continueranno a sviluppare la metodologia di calcolo dello slittamento.

Dove trovare i valori aggiornati

I valori predefiniti di slittamento nel FuelEU Maritime sono contenuti negli allegati del regolamento e possono essere aggiornati tramite atti delegati, pertanto per i calcoli utilizzi la versione attuale del testo su EUR-Lex. Gli armatori possono anche utilizzare valori reali basati su misurazioni certificate, se riconosciuti dagli organismi di verifica. Nel trasporto stradale, i dati dei produttori di motori e le ricerche di istituti indipendenti sono la base per la valutazione dello slittamento, ma gli standard dei test non sempre includono il metano incombusto, quindi è opportuno informarsi presso i fornitori.

Sintesi

Lo slittamento del metano nei motori è un fattore che può annullare parte dei vantaggi del bioLNG. La scelta appropriata della tecnologia e l’ottimizzazione del funzionamento del motore limitano questo effetto.