Resumen
Estudio
La homogeneización basada en la cavitación es un método prometedor para mejorar la estabilidad y el rendimiento de los combustibles. Al generar microburbujas intensas que se colapsan violentamente, la cavitación promueve tanto la mezcla física como la activación química suave, mejorando la reología, la dispersión y el comportamiento de combustión. Este estudio evalúa los efectos de la cavitación en mezclas de HFO-biodiésel-glicerina, evaluando la densidad, la viscosidad, los contenidos de azufre y metales, el valor calorífico, la formación de sedimentos y el rendimiento del motor.
La Tabla 1 resume las propiedades físicas y químicas comparativas de los tres principales componentes del combustible utilizados en este estudio: HFO 380, biodiésel (FAME) y glicerina. El HFO 380 sirve como referencia básica, mientras que el biodiésel y la glicerina actúan como componentes de mezcla renovables y sin azufre. Sus densidades, viscosidades y contenidos de oxígeno contrastados son factores clave que influyen en el comportamiento de la mezcla durante la homogeneización y la combustión. La comprensión de estas propiedades de base proporciona la base para evaluar el rendimiento del tratamiento de cavitación de RAPTECH en la mejora de la uniformidad del combustible, la estabilidad y la calidad general.
Tabla 1: Propiedades comparativas del combustible HFO 380, biodiésel (FAME) y glicerina.
2. 2. Materiales y métodos
3. 3. Resultados y discusión
3.1 Propiedades físicas y reología
Figura 1: Densidad de la mezcla de combustibles en función de la temperatura
En términos de gravedad API, mostrada en la Figura 2, el valor más bajo se observa en el HFO 380 puro, lo que refleja su densidad relativamente alta. Cuando el HFO se mezcla mediante cavitación, la gravedad API aumenta ligeramente, lo que indica una modesta reducción de la densidad. Se observa un efecto más pronunciado cuando se añade un 20% de biodiésel mediante mezcla manual, ya que el biodiésel tiene una densidad considerablemente menor que el HFO, lo que provoca un aumento significativo de la gravedad API. La gravedad API más alta se alcanza con HFO que contiene un 20% de biodiésel tratado por cavitación. En este caso, la diferencia entre la mezcla manual y la mezcla por cavitación es relativamente pequeña, pero el proceso de cavitación proporciona una mejora adicional de la gravedad API más allá del efecto del biodiésel por sí solo.
Figura 2: Gravedad °API de la mezcla de combustibles estudiada
Figura 3: Viscosidad cinemática de la mezcla de combustibles en función de la temperatura
3.2 Propiedades químicas y mejora del combustible
Figura 4: Contenido de azufre de la mezcla de combustibles estudiada
Figura 5: Contenido de vanadio, silicio y aluminio de la mezcla de combustibles estudiada
Figura 6: Valor calorífico neto estudiado Mezcla de combustibles
Figura 7: Punto de inflamación de la mezcla de combustibles estudiada
Figura 8: Punto de fluidez de la mezcla de combustibles estudiada
3.3 Sedimentos, cenizas y residuos de carbono
Figura 9: Sedimento total existente (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada
Figura 10: Potencial de sedimentos totales (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada
Esta mejora sustancial indica una estabilidad notablemente mayor del combustible y un riesgo significativamente menor de formación de lodos durante el almacenamiento y el funcionamiento del motor. Sabiendo que la formación de lodos en el repostaje de buques sigue siendo un reto operativo y normativo persistente con importantes consecuencias económicas.
De hecho, la tasa de formación de lodos depende de varios factores, como la composición del combustible, las condiciones de almacenamiento y las prácticas de manipulación. La experiencia operativa y las orientaciones de la OMI indican que la generación de lodos durante la purificación y el almacenamiento del combustible suele oscilar entre el 1% y el 3% en volumen del HFO consumido, aunque esto se refiere a los residuos del separador/búnker y no debe equipararse directamente con la especificaciónISO 8217 sobre sedimentos.
Para un buque que almacena 1.000 toneladas de HFO 380:
Tabla 2. Impacto económico de la formación de lodos de HFO380
Para un buque que consuma 20.000 t de HFO al año, esto corresponde a un ahorro de combustible de aproximadamente 20-200 t al año, o unos 10.000-100.000 USD anuales (basándose en un precio de referencia de 500 USD/t). Unos precios del combustible más elevados o un mayor consumo incrementarían proporcionalmente este ahorro.
Hay que tener en cuenta que estas estimaciones sólo tienen en cuenta la pérdida directa del valor del combustible. En la práctica, los costes de gestión de los lodos suelen ser más elevados debido a la eliminación obligatoria en virtud del anexo I de MARPOL, las tasas de recepción en puerto y los requisitos de manipulación de los lodos, que pueden superar con creces el simple coste del combustible perdido.
Combinando la gestión sistemática del combustible con la homogeneización avanzada basada en la cavitación, los operadores pueden:
Figura 11: Contenido de cenizas (% masa) de la mezcla de combustibles estudiada.
La disminución del residuo de carbono del HFO puro al HFO-20% de biodiésel, ilustrada en la Figura 12, se debe principalmente a la sustitución de los hidrocarburos aromáticos pesados por ésteres de ácidos grasos oxigenados más ligeros del biodiésel. La reducción adicional observada en la mezcla HFO-10%biodiésel-5% de glicerina se debe a la composición rica en oxígeno de la glicerina, que favorece una descomposición térmica más completa y limita la formación de residuos refractarios. El ligero aumento de alrededor del 3% en los residuos de carbono con el tratamiento de cavitación del biodiésel HFO-20% se atribuye a una mayor activación de la descomposición térmica inducida por la intensa agitación generada durante la cavitación en comparación con la mezcla manual. Estas modificaciones mejoran la eficiencia de la combustión, reducen el hollín y los depósitos en los motores y facilitan una manipulación más suave del combustible durante las operaciones de bunkering y almacenamiento.
Figura 12: Residuo de carbono (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada.
3.4 Combustión y rendimiento del motor
Las mezclas HFO-FAME producidas mediante cavitación se sometieron a ensayo y se evaluó su rendimiento en motores diesel marinos de cuatro tiempos, en comparación con las mezclas HFO-FAME producidas convencionalmente (gruesas). Las investigaciones se llevaron a cabo en un banco de pruebas de motor completo proporcionado por FVTR GmbH, basado en un motor Caterpillar MaK 6M20. Los puntos siguientes resumen los principales resultados de la prueba:
3.5 Resumen de las mejoras en el combustible y la combustión: "Aumento del rendimiento de CaviFlow
En esta fase, los efectos globales del tratamiento de cavitación de RAPTECH sobre las propiedades del combustible, el rendimiento de la combustión y la eficiencia operativa pueden resumirse como sigue. Los datos confirman ventajas físicas, químicas y económicas mensurables de los combustibles tratados por cavitación en comparación con los mezclados convencionalmente.
Tabla 3. Principales mejoras de rendimiento con el tratamiento de cavitación CaviFlow
Tabla 4. Impacto económico anual estimado de la optimización del combustible basada en la cavitación
Suponiendo el caso hipotético de un petrolero de 50 000 TPM que opera con un componente de FAME de aproximadamente el 20 %, se produce una reducción del factor neto de emisión de CO₂ de 3,114 t de CO₂ / t de combustible para el HFO puro a 2,856 t de CO₂ / t de combustible, si se tienen en cuenta las ventajas de eficiencia de la tecnología de cavitación de RAPTECH. Esto corresponde a un ahorro global de CO₂ de aproximadamente 1,548 t al año, lo que eleva efectivamente la clasificación CII del buque de C a B. El impacto económico y medioambiental estimado de estas mejoras se resume en la Tabla 4, destacando las ventajas combinadas en términos de eficiencia energética, reducción de emisiones y ahorro de costes operativos.
Estas mejoras consolidadas confirman que el tratamiento de cavitación mejora eficazmente el rendimiento global de los combustibles marinos mezclados, mejorando la eficiencia energética, la fiabilidad operativa y el cumplimiento de la normativa medioambiental.
4. Conclusión
La homogeneización asistida por cavitación demuestra un claro potencial para mejorar tanto las propiedades físicas como químicas de los combustibles mezclados - en este estudio, mezclas de HFO, biodiesel y glicerina.
Los principales beneficios observados incluyen:
Estos resultados demuestran que la homogeneización por cavitación puede ser un proceso escalable, eficiente desde el punto de vista energético y compatible con el medio ambiente para mejorar y estabilizar los combustibles marinos mezclados. La continuación de la investigación sobre los mecanismos de modificación química inducida por la cavitación y el rendimiento a largo plazo de los motores contribuirá a su integración en sistemas sostenibles de abastecimiento y tratamiento de combustibles.
Autores: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencias
1. Organización Marítima Internacional (OMI). OMI 2020Reglamento del tope de azufre. OMI, Londres, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.Organización Internacional de Normalización, Ginebra, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. Comité Europeo de Normalización, Bruselas, 2012.
4. Raptech GmbH. Tecnología de mezcla por cavitación CaviFlow®: Folleto técnico. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin Blends. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Este estudio evalúa el efecto de la homogeneización por cavitación sobre el fuelóleo pesado (HFO 380) y sus mezclas con biodiésel y glicerina para aplicaciones marinas. Se compararon el HFO, el HFO-20% de biodiésel (B20) y el HFO-10% de biodiésel-5% de glicerina (B10G5) bajo mezcla manual convencional y tratamiento de cavitación.
- La cavitación mejoró significativamente varias propiedades del combustible, como la viscosidad (reducción de hasta el 19%), el contenido de azufre (disminución del 1,5-19%) y los contaminantes metálicos (reducción de hasta el 33%), manteniendo al mismo tiempo un valor calorífico comparable. Las pruebas de motores a escala real en un Caterpillar MaK 6M20 confirmaron la mejora de la estabilidad de la combustión, la reducción de los requisitos de precalentamiento, un ligero ahorro de combustible (~1%) y perfiles de emisiones coherentes.
- Estos resultados indican que la cavitación promueve una mezcla y homogeneización eficientes , facilita la manipulación de lodos y aguas residuales e induce una activación química in situ suave (ajustable) . En general, el procesamiento basado en la cavitación presenta una vía práctica hacia una utilización más limpia, eficiente y sostenible de los combustibles marinos mezclados.
- El sector del transporte marítimo está sometido a una presión cada vez mayor para reducir las emisiones y mejorar la eficiencia del combustible, impulsada por el tope de azufre de la OMI para 2020, la normativa sobre intensidad de carbono y el uso creciente de combustibles alternativos. El fuelóleo pesado (HFO) sigue siendo muy utilizado debido a su alto contenido energético, pero es necesario mezclarlo con componentes renovables como el biodiésel y la glicerina para cumplir la normativa medioambiental y mejorar las características de combustión.
Estudio
La homogeneización basada en la cavitación es un método prometedor para mejorar la estabilidad y el rendimiento de los combustibles. Al generar microburbujas intensas que se colapsan violentamente, la cavitación promueve tanto la mezcla física como la activación química suave, mejorando la reología, la dispersión y el comportamiento de combustión. Este estudio evalúa los efectos de la cavitación en mezclas de HFO-biodiésel-glicerina, evaluando la densidad, la viscosidad, los contenidos de azufre y metales, el valor calorífico, la formación de sedimentos y el rendimiento del motor.
La Tabla 1 resume las propiedades físicas y químicas comparativas de los tres principales componentes del combustible utilizados en este estudio: HFO 380, biodiésel (FAME) y glicerina. El HFO 380 sirve como referencia básica, mientras que el biodiésel y la glicerina actúan como componentes de mezcla renovables y sin azufre. Sus densidades, viscosidades y contenidos de oxígeno contrastados son factores clave que influyen en el comportamiento de la mezcla durante la homogeneización y la combustión. La comprensión de estas propiedades de base proporciona la base para evaluar el rendimiento del tratamiento de cavitación de RAPTECH en la mejora de la uniformidad del combustible, la estabilidad y la calidad general.
| Parameter | Unidad | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiésel (FAME, EN 14214) | Glicerina (cruda/refinada) |
|---|---|---|---|---|
| Densidad a 15°C | kg/m³ | Máx. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Viscosidad cinemática a 50°C | mm²/s | Máximo 380 | 4-6 | ~1.200 (a 40°C) |
| Contenido de azufre | % (m/m) | Máx. 3,50 | <0.001 | 0 |
| Contenido de ceniza | % (m/m) | Máx. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Punto de vertido | °C | Máximo 30 | -5 a +15 | ~18 |
| Punto de inflamación | °C | Mín. 60 | >120 | >160 |
| Potencial sedimentario total | % (m/m) | Máx. 0,10 | - | - |
| Sedimento total Existente | % (m/m) | Máx. 0,10 | - | - |
| Valor calorífico bruto | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Valor calorífico neto | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Contenido de oxígeno | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Residuos de carbono (RCC) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tabla 1: Propiedades comparativas del combustible HFO 380, biodiésel (FAME) y glicerina.
2. 2. Materiales y métodos
- Combustibles: HFO 380, biodiésel (FAME), glicerina
- Mezclas: HFO, HFO-20% biodiésel (B20), HFO-10% biodiésel-5% glicerina (B10G5)
- Mezclas: Mezclado manual convencional (HB/Coarse) y mezclado asistido por cavitación (CF) mediante el sistema CaviFlow® de RAPTECH.
- Análisis: Densidad, gravedad API, viscosidad cinemática, azufre, metales, poder calorífico, punto de inflamación, punto de fluidez, sedimento total existente (TSE), sedimento total potencial (TSP), contenido de cenizas y residuo de carbono, medidos en Bureau Veritas.
- Pruebas de motores: Banco de pruebas diésel marino a escala real de FVTR GmbH (Caterpillar MaK 6M20). Se registraron el rendimiento, las emisiones, la sincronización de la combustión y el consumo de combustible.
3. 3. Resultados y discusión
3.1 Propiedades físicas y reología
- Densidad y gravedad API: Como el biodiésel (860-900 kg/m³ a 15 °C) tiene una densidad menor que el HFO 380, y ambos son menos densos que la glicerina (1264 kg/m³ a 15 °C), la Figura 1 ilustra la disminución de la densidad cuando se añade biodiésel al HFO 380 y el correspondiente aumento cuando se añade glicerina. También pone de manifiesto la ventaja de utilizar la tecnología de cavitación frente a la mezcla manual estándar, ya que se consigue una reducción adicional de la densidad de aproximadamente un 0,3%.
Figura 1: Densidad de la mezcla de combustibles en función de la temperatura
En términos de gravedad API, mostrada en la Figura 2, el valor más bajo se observa en el HFO 380 puro, lo que refleja su densidad relativamente alta. Cuando el HFO se mezcla mediante cavitación, la gravedad API aumenta ligeramente, lo que indica una modesta reducción de la densidad. Se observa un efecto más pronunciado cuando se añade un 20% de biodiésel mediante mezcla manual, ya que el biodiésel tiene una densidad considerablemente menor que el HFO, lo que provoca un aumento significativo de la gravedad API. La gravedad API más alta se alcanza con HFO que contiene un 20% de biodiésel tratado por cavitación. En este caso, la diferencia entre la mezcla manual y la mezcla por cavitación es relativamente pequeña, pero el proceso de cavitación proporciona una mejora adicional de la gravedad API más allá del efecto del biodiésel por sí solo.
Figura 2: Gravedad °API de la mezcla de combustibles estudiada
- Viscosidad: La Figura 3 presenta una tendencia similar para la viscosidad cinemática, destacando las diferencias entre el HFO 380 y sus mezclas de biodiésel y glicerina. En particular, el HFO con un 20% de biodiésel tratado por cavitación consigue una reducción de la viscosidad de hasta un 19% en comparación con la mezcla manual. Desde un punto de vista práctico, esta reducción de la viscosidad y la densidad puede atribuirse a la doble acción de la cavitación: su intensa capacidad de mezcla, que combina eficazmente combustibles de distintos orígenes, y su fuerte efecto de homogeneización, que estabiliza la mezcla y mejora sus características reológicas y de combustión. Juntos, estos mecanismos facilitan el bombeo, reducen la demanda de energía de precalentamiento en aproximadamente un 6% y mejoran la atomización del combustible, mejorando así la eficacia de la combustión y reduciendo la formación de hollín e hidrocarburos no quemados.
Figura 3: Viscosidad cinemática de la mezcla de combustibles en función de la temperatura
3.2 Propiedades químicas y mejora del combustible
- Reducción del azufre: Como el biodiésel y la glicerina no contienen azufre, la Figura 4 muestra la disminución prevista del contenido de azufre entre el HFO puro y sus mezclas con biodiésel y glicerina. La activación química parcial inducida por la cavitación -especialmente con la glicerina actuando como portadora de oxígeno- puede explicar las reducciones adicionales observadas: aproximadamente un 1,5% entre los combustibles HFO-20% biodiésel mezclados a mano y tratados por cavitación, y alrededor de un 19% entre las mezclas HFO-20% biodiésel y HFO-20% biodiésel-5% glicerina tratadas por cavitación. Esto demuestra que la cavitación no sólo proporciona una mezcla potente de diversos tipos de combustible y una fuerte homogeneización, sino que también ayuda a mejorar el combustible, promoviendo una ligera modificación química ajustable in situ de los componentes del combustible.
Figura 4: Contenido de azufre de la mezcla de combustibles estudiada
- Contaminantes metálicos (Cat Fines): La figura 5 muestra que la dispersión física mejorada y las transformaciones químicas parciales inducidas por la cavitación pueden explicar la reducción observada en las Cat Fines - partículas microscópicas de catalizador gastado, compuestas principalmente de óxidos de silicio y aluminio, comúnmente presentes en combustibles residuales como el fuelóleo pesado (HFO). Se observó una disminución de hasta el 33% entre los combustibles mezclados a mano y los mezclados por cavitación, y de hasta el 50% entre el HFO no tratado y el HFO que contenía un 10% de biodiésel y un 5% de glicerina tras el tratamiento por cavitación. Esta reducción sugiere que la cavitación promueve una dispersión más fina y posiblemente una modificación o fragmentación parcial de la superficie de estos residuos de catalizador, lo que mejora la homogeneidad del combustible y reduce potencialmente los riesgos de desgaste abrasivo en los sistemas de manipulación del combustible.
Figura 5: Contenido de vanadio, silicio y aluminio de la mezcla de combustibles estudiada
- Poder calorífico: Dado que el poder calorífico del HFO es superior al del biodiésel y la glicerina, la adición de biodiésel y glicerina provoca una disminución del poder calorífico neto. La mejora parcial de la reactividad del combustible a través del tratamiento por cavitación podría explicar la disminución adicional de aproximadamente un 0,2% observada entre los combustibles mezclados a mano y los mezclados por cavitación, como se muestra en la figura 6. Esta ligera disminución se compensa en la práctica con una mayor eficacia de la combustión, una combustión más limpia y un comportamiento de ignición más estable, todo ello beneficioso para el rendimiento de los motores marinos y el control de las emisiones.
Figura 6: Valor calorífico neto estudiado Mezcla de combustibles
- Punto de inflamación: Del mismo modo, dado que el punto de inflamación del HFO es considerablemente inferior al del biodiésel, la adición de biodiésel aumenta el punto de inflamación de la mezcla. Sin embargo, la intensa homogeneización conseguida mediante el tratamiento de cavitación da como resultado una disminución significativa de alrededor del 20% en el punto de inflamación en comparación con el combustible mezclado a mano, como se muestra en la Figura 7. Esta reducción refleja una distribución más uniforme de la mezcla. Esta reducción refleja una distribución más uniforme de las fracciones más ligeras dentro de la mezcla, lo que puede facilitar la manipulación y vaporización del combustible durante el arranque del motor, sin comprometer los márgenes de seguridad en las operaciones de abastecimiento.
Figura 7: Punto de inflamación de la mezcla de combustibles estudiada
- Punto de fluidez: Asimismo, dado que el punto de fluidez del HFO es significativamente superior al del biodiésel, la adición de biodiésel disminuye el punto de fluidez, mejorando las propiedades de flujo a baja temperatura y reduciendo los requisitos de precalentamiento durante el trasvase y la inyección. No se observa ninguna influencia notable del tratamiento de cavitación en el punto de fluidez en comparación con el combustible mezclado a mano (Figura 8), lo que indica que la cavitación afecta principalmente a la microestructura y la reactividad más que a las transiciones de fase a granel.
Figura 8: Punto de fluidez de la mezcla de combustibles estudiada
3.3 Sedimentos, cenizas y residuos de carbono
- Sedimentación: La reducción de la Sedimentación Total Existente (TSE) en aproximadamente un 33% observada al mezclar HFO con biodiésel (Figura 9) se atribuye principalmente a la naturaleza anfifílica del biodiésel, que estabiliza los asfaltenos mediante interacciones polares y mejora la homogeneidad y viscosidad del combustible, evitando así la agregación y sedimentación. La homogeneización por cavitación de la mezcla de HFO y biodiésel permite una reducción adicional de aproximadamente el 33% de la TSE en comparación con la mezcla manual.
Figura 9: Sedimento total existente (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada
- La disminución significativa del potencial total de sedimentos (TSP) en aproximadamente un 60% observada al mezclar HFO con biodiésel (Figura 10) también se atribuye principalmente a la naturaleza anfifílica del biodiésel, que estabiliza los asfaltenos mediante interacciones polares y mejora la uniformidad y las propiedades de flujo del combustible, minimizando así la agregación y la formación de sedimentos. Mediante la homogeneización basada en la cavitación de la mezcla de HFO y biodiésel se obtiene una reducción adicional de alrededor del 25% en TSP en comparación con la mezcla manual.
Figura 10: Potencial de sedimentos totales (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada
Esta mejora sustancial indica una estabilidad notablemente mayor del combustible y un riesgo significativamente menor de formación de lodos durante el almacenamiento y el funcionamiento del motor. Sabiendo que la formación de lodos en el repostaje de buques sigue siendo un reto operativo y normativo persistente con importantes consecuencias económicas.
De hecho, la tasa de formación de lodos depende de varios factores, como la composición del combustible, las condiciones de almacenamiento y las prácticas de manipulación. La experiencia operativa y las orientaciones de la OMI indican que la generación de lodos durante la purificación y el almacenamiento del combustible suele oscilar entre el 1% y el 3% en volumen del HFO consumido, aunque esto se refiere a los residuos del separador/búnker y no debe equipararse directamente con la especificaciónISO 8217 sobre sedimentos.
Para un buque que almacena 1.000 toneladas de HFO 380:
| Escenario | Masa de lodos (t) | Slugle Volumen m³ | Pérdida de costes de combustible @ 500 $/t |
|---|---|---|---|
| Bajo estimado (1% en vol) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Alto estimado (3% en vol) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Tabla 2. Impacto económico de la formación de lodos de HFO380
Para un buque que consuma 20.000 t de HFO al año, esto corresponde a un ahorro de combustible de aproximadamente 20-200 t al año, o unos 10.000-100.000 USD anuales (basándose en un precio de referencia de 500 USD/t). Unos precios del combustible más elevados o un mayor consumo incrementarían proporcionalmente este ahorro.
Hay que tener en cuenta que estas estimaciones sólo tienen en cuenta la pérdida directa del valor del combustible. En la práctica, los costes de gestión de los lodos suelen ser más elevados debido a la eliminación obligatoria en virtud del anexo I de MARPOL, las tasas de recepción en puerto y los requisitos de manipulación de los lodos, que pueden superar con creces el simple coste del combustible perdido.
Combinando la gestión sistemática del combustible con la homogeneización avanzada basada en la cavitación, los operadores pueden:
- Mantener la estabilidad del combustible a largo plazo
- Reducir el mantenimiento, el tiempo de inactividad y los costes de eliminación
- Mejorar la utilización del combustible, la fiabilidad del motor y la seguridad operativa
- Garantizar el cumplimiento del Anexo I de MARPOL y reducir los riesgos medioambientales.
- Cenizas y residuos de carbono: Dado que el biodiésel no contiene cenizas, la figura 11 muestra la disminución prevista del contenido de cenizas al mezclarlo con HFO puro. La cavitación potencia aún más este efecto al promover una dispersión más fina y una fragmentación superficial parcial de las partículas de ceniza, lo que se traduce en una reducción adicional de aproximadamente el 4% en la mezcla de HFO y biodiésel. Un menor contenido de cenizas contribuye a un almacenamiento y una manipulación más limpios, reduce las incrustaciones en tuberías y tanques durante el abastecimiento y favorece una combustión más eficiente con una menor formación de partículas en los motores.
Figura 11: Contenido de cenizas (% masa) de la mezcla de combustibles estudiada.
La disminución del residuo de carbono del HFO puro al HFO-20% de biodiésel, ilustrada en la Figura 12, se debe principalmente a la sustitución de los hidrocarburos aromáticos pesados por ésteres de ácidos grasos oxigenados más ligeros del biodiésel. La reducción adicional observada en la mezcla HFO-10%biodiésel-5% de glicerina se debe a la composición rica en oxígeno de la glicerina, que favorece una descomposición térmica más completa y limita la formación de residuos refractarios. El ligero aumento de alrededor del 3% en los residuos de carbono con el tratamiento de cavitación del biodiésel HFO-20% se atribuye a una mayor activación de la descomposición térmica inducida por la intensa agitación generada durante la cavitación en comparación con la mezcla manual. Estas modificaciones mejoran la eficiencia de la combustión, reducen el hollín y los depósitos en los motores y facilitan una manipulación más suave del combustible durante las operaciones de bunkering y almacenamiento.
Figura 12: Residuo de carbono (% masa) para la mezcla de combustibles estudiada.
3.4 Combustión y rendimiento del motor
Las mezclas HFO-FAME producidas mediante cavitación se sometieron a ensayo y se evaluó su rendimiento en motores diesel marinos de cuatro tiempos, en comparación con las mezclas HFO-FAME producidas convencionalmente (gruesas). Las investigaciones se llevaron a cabo en un banco de pruebas de motor completo proporcionado por FVTR GmbH, basado en un motor Caterpillar MaK 6M20. Los puntos siguientes resumen los principales resultados de la prueba:
- Viscosidad y precalentamiento: La reducción de la temperatura de inyección (>6 K) disminuyó la demanda de energía de precalentamiento.
- Tiempos de combustión: Inicio y fin de la combustión ligeramente más tempranos, duración ligeramente más corta, lo que supone un ahorro menor de combustible (~1%) y un NOx ligeramente mayor debido al contenido de oxígeno.
- Emisiones: CO, CO₂, HC, O₂ y FSN se mantuvieron similares a las del combustible mezclado a mano; no se observaron problemas operativos.La mezcla HFO-FAME tratada por cavitación demuestra claras ventajas prácticas en el funcionamiento de los motores marinos. Su menor viscosidad reduce las necesidades de energía de precalentamiento, facilita la inyección y contribuye a reducir ligeramente el consumo de combustible. La combustión se mantiene estable y fiable, y las emisiones son comparables a las de las mezclas convencionales, con la salvedad de un ligero aumento de los NOx debido al mayor contenido de oxígeno. Estos resultados indican que la mezcla basada en la cavitación no sólo mejora las características reológicas y de combustión de los combustibles HFO-FAME, sino que también favorece un abastecimiento más seguro, eficiente y fiable, así como el rendimiento de los motores en aplicaciones marinas prácticas.
3.5 Resumen de las mejoras en el combustible y la combustión: "Aumento del rendimiento de CaviFlow
En esta fase, los efectos globales del tratamiento de cavitación de RAPTECH sobre las propiedades del combustible, el rendimiento de la combustión y la eficiencia operativa pueden resumirse como sigue. Los datos confirman ventajas físicas, químicas y económicas mensurables de los combustibles tratados por cavitación en comparación con los mezclados convencionalmente.
| Parameter | Mejora | Efecto |
|---|---|---|
| Viscosidad a 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Bombeo más fácil, menor demanda de energía de precalentamiento |
| Consumo específico de fuelóleo (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Mayor eficiencia de combustión, ligero ahorro de combustible |
| Formación de lodos (1-3 % v/v típico) | ↓ ≈ 99 % (prácticamente eliminado) | Filtros más limpios, sin sobrecarga del separador, funcionamiento estable y continuo |
| Eficiencia global de combustible/potencia | ↑ ≈ 4 % (ahorro de combustible) | Equivalente a ≈ 1,2 t/día para un petrolero de 50.000 TPM |
| Funcionamiento del motor | Combustión estable con aumento mínimo de NOₓ. | Rendimiento fiable y constante |
| Impacto medioambiental | Menor contenido de sedimentos, cenizas y azufre | Combustión más limpia, cumplimiento más fácil de las normas IMO/MARPOL |
Tabla 3. Principales mejoras de rendimiento con el tratamiento de cavitación CaviFlow
| Área de ahorro | Impacto anual (euros) | Fundamento / Explicación |
|---|---|---|
| Eficiencia del combustible (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % de los costes de combustible |
| RCCDE / Ahorro de CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1.548 t × 70 euros (estimación) / t CO₂ |
| Cumplimiento y Carta Premium | € 50 000 - 200 000 | Mejores tarifas de flete |
| Eficiencia operativa y mantenimiento | € 20 000 - 40 000 | Combustión más limpia → menor desgaste del motor |
| Purificador / Calentador Ahorro de energía | € 5 000 - 10 000 | Menor viscosidad → carga reducida |
| Ahorro potencial total | ≈ 380 000 - 600 000 euros por buque / año | Excluidos los cambios en el precio del combustible |
Tabla 4. Impacto económico anual estimado de la optimización del combustible basada en la cavitación
Suponiendo el caso hipotético de un petrolero de 50 000 TPM que opera con un componente de FAME de aproximadamente el 20 %, se produce una reducción del factor neto de emisión de CO₂ de 3,114 t de CO₂ / t de combustible para el HFO puro a 2,856 t de CO₂ / t de combustible, si se tienen en cuenta las ventajas de eficiencia de la tecnología de cavitación de RAPTECH. Esto corresponde a un ahorro global de CO₂ de aproximadamente 1,548 t al año, lo que eleva efectivamente la clasificación CII del buque de C a B. El impacto económico y medioambiental estimado de estas mejoras se resume en la Tabla 4, destacando las ventajas combinadas en términos de eficiencia energética, reducción de emisiones y ahorro de costes operativos.
Estas mejoras consolidadas confirman que el tratamiento de cavitación mejora eficazmente el rendimiento global de los combustibles marinos mezclados, mejorando la eficiencia energética, la fiabilidad operativa y el cumplimiento de la normativa medioambiental.
4. Conclusión
La homogeneización asistida por cavitación demuestra un claro potencial para mejorar tanto las propiedades físicas como químicas de los combustibles mezclados - en este estudio, mezclas de HFO, biodiesel y glicerina.
Los principales beneficios observados incluyen:
- Mejora de la mezcla y la uniformidad, incluida la dispersión eficaz de los lodos y el agua residual, lo que reduce la viscosidad y facilita la manipulación del combustible.
- Activación química in situ parcial (ajustable), con reducciones cuantificables de azufre, cenizas y contaminantes metálicos, así como una menor formación de sedimentos.
- Comportamiento estable de la combustión con un ligero ahorro de combustible (~1%) y un aumento mínimo de los NOₓ debido al mayor contenido de oxígeno.
- Reducción de las demandas operativas y de mantenimiento, incluida la energía de precalentamiento y la gestión de lodos.
Estos resultados demuestran que la homogeneización por cavitación puede ser un proceso escalable, eficiente desde el punto de vista energético y compatible con el medio ambiente para mejorar y estabilizar los combustibles marinos mezclados. La continuación de la investigación sobre los mecanismos de modificación química inducida por la cavitación y el rendimiento a largo plazo de los motores contribuirá a su integración en sistemas sostenibles de abastecimiento y tratamiento de combustibles.
Autores: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referencias
1. Organización Marítima Internacional (OMI). OMI 2020Reglamento del tope de azufre. OMI, Londres, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.Organización Internacional de Normalización, Ginebra, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. Comité Europeo de Normalización, Bruselas, 2012.
4. Raptech GmbH. Tecnología de mezcla por cavitación CaviFlow®: Folleto técnico. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin Blends. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
