Astratto
Studio
L'omogeneizzazione basata sulla cavitazione è un metodo promettente per migliorare la stabilità e le prestazioni dei carburanti. Generando intense microbolle che collassano violentemente, la cavitazione promuove sia la miscelazione fisica che una lieve attivazione chimica, migliorando la reologia, la dispersione e il comportamento di combustione. Questo studio valuta gli effetti della cavitazione sulle miscele HFO-biodiesel-glicerina, valutando la densità, la viscosità, i contenuti di zolfo e metalli, il potere calorifico, la formazione di sedimenti e le prestazioni del motore.
La Tabella 1 riassume le proprietà fisiche e chimiche comparative dei tre principali componenti del carburante utilizzati in questo studio: HFO 380, biodiesel (FAME) e glicerina. L'HFO 380 serve come riferimento di base, mentre il biodiesel e la glicerina fungono da componenti rinnovabili e privi di zolfo. Le loro densità, viscosità e contenuti di ossigeno contrastanti sono fattori chiave che influenzano il comportamento della miscela durante l'omogeneizzazione e la combustione. La comprensione di queste proprietà di base costituisce la base per valutare le prestazioni del trattamento di cavitazione RAPTECH nel migliorare l'uniformità, la stabilità e la qualità complessiva del carburante.
Tabella 1: Proprietà comparative del carburante di HFO 380, biodiesel (FAME) e glicerina.
2. Materiali e metodi
3. Risultati e discussione
3.1 Proprietà fisiche e reologia
Figura 1: Densità della miscela di carburanti in funzione della temperatura
In termini di gravità API, mostrata nella Figura 2, il valore più basso si osserva per l'HFO 380 puro, che riflette la sua densità relativamente elevata. Quando l'HFO viene miscelato utilizzando la cavitazione, la gravità API aumenta leggermente, indicando una modesta riduzione della densità. Un effetto più pronunciato si osserva quando si aggiunge il 20% di biodiesel mediante miscelazione manuale, poiché il biodiesel ha una densità notevolmente inferiore a quella dell'HFO, con un conseguente aumento significativo della gravità API. La gravità API più elevata si ottiene con HFO contenente il 20% di biodiesel trattato mediante cavitazione. In questo caso, la differenza tra la miscelazione manuale e quella con cavitazione è relativamente piccola, ma il processo di cavitazione fornisce comunque un ulteriore miglioramento della gravità API rispetto all'effetto del solo biodiesel.
Figura 2: Gravità API per le miscele di carburanti studiate
Figura 3: Viscosità cinematica della miscela di carburanti in funzione della temperatura
3.2 Proprietà chimiche e upgrading del combustibile
Figura 4: Contenuto di zolfo della miscela di carburanti studiata
Figura 5: Contenuto di vanadio, silicio e alluminio per le miscele di combustibili studiate
Figura 6: Potere calorifico netto studiato Miscela di carburanti
Figura 7: Punto di infiammabilità della miscela studiata di Fuels
Figura 8: Punto di scorrimento della miscela di combustibili studiata
3.3 Sedimenti, ceneri e residui carboniosi
Figura 9: Sedimento totale esistente (%massa) per la miscela di carburanti studiata
Figura 10: Potenziale di sedimenti totali (%massa) per la miscela di carburanti studiata
Questo miglioramento sostanziale indica una stabilità del carburante nettamente superiore e un rischio significativamente inferiore di formazione di fanghi durante lo stoccaggio e il funzionamento del motore. È noto che la formazione di fanghi nel bunkeraggio delle navi rimane una sfida operativa e normativa persistente con notevoli conseguenze economiche.
Infatti, il tasso di formazione dei fanghi dipende da vari fattori, tra cui la composizione del carburante, le condizioni di stoccaggio e le pratiche di manipolazione. L'esperienza operativa e le linee guida dell'IMO indicano che la generazione di fanghi durante la purificazione e lo stoccaggio del combustibile varia in genere dall'1 al 3% del volume di HFO consumato, sebbene ciò si riferisca ai residui del separatore/bunker e non debba essere direttamente equiparato alla specifica ISO 8217 sui sedimenti.
Per una nave che stocca 1.000 tonnellate di HFO 380:
Tabella 2. Impatto economico della formazione di fanghi da HFO380
Per una nave che consuma 20.000 t di HFO all'anno, ciò corrisponde a un risparmio di carburante di circa 20-200 t all'anno, o di circa 10.000-100.000 USD all'anno (sulla base di un prezzo di riferimento di 500 USD/t). Prezzi del carburante più alti o consumi maggiori aumenterebbero proporzionalmente questi risparmi.
Va notato che queste stime tengono conto solo della perdita diretta del valore del combustibile. In pratica, i costi di gestione dei fanghi sono spesso più elevati a causa dello smaltimento obbligatorio ai sensi dell'Allegato I della Convenzione MARPOL, delle tasse di ricezione portuale e dei requisiti di gestione dei fanghi, che possono superare notevolmente il semplice costo del carburante perso.
Combinando la gestione sistematica del carburante con l'omogeneizzazione avanzata basata sulla cavitazione, gli operatori possono:
Figura 11: Contenuto di ceneri (%massa) per la miscela di combustibili studiata.
La diminuzione dei residui di carbonio dall'HFO puro all'HFO-20% di biodiesel, illustrata nella Figura 12, è dovuta principalmente alla sostituzione degli idrocarburi aromatici pesanti con gli esteri ossigenati degli acidi grassi del biodiesel. L'ulteriore riduzione osservata per la miscela HFO-10% biodiesel-5% glicerina deriva dalla composizione ricca di ossigeno della glicerina, che favorisce una decomposizione termica più completa e limita la formazione di residui refrattari. Un leggero aumento di circa il 3% dei residui carboniosi con il trattamento di cavitazione di HFO-20% biodiesel è attribuito a una maggiore attivazione della decomposizione termica indotta dall'intensa agitazione generata durante la cavitazione rispetto alla miscelazione manuale. Queste modifiche migliorano l'efficienza della combustione, riducono la fuliggine e i depositi nei motori e facilitano una gestione più fluida del carburante durante le operazioni di bunkeraggio e stoccaggio.
Figura 12: Residuo di carbonio (%massa) per la miscela di combustibili studiata.
3.4 Combustione e prestazioni del motore
Le miscele HFO-FAME prodotte con la cavitazione sono state testate e valutate per le prestazioni in un motore marino diesel a quattro tempi, rispetto alle miscele HFO-FAME prodotte in modo convenzionale (grossolano). Le indagini sono state condotte su un banco prova a motore completo fornito da FVTR GmbH, basato su un motore Caterpillar MaK 6M20. I punti seguenti riassumono i principali risultati del test:
3.5 Sintesi dei miglioramenti del combustibile e della combustione - "Guadagni di prestazioni CaviFlow® ".
A questo punto, gli effetti complessivi del trattamento di cavitazione RAPTECH sulle proprietà del carburante, sulle prestazioni di combustione e sull'efficienza operativa possono essere riassunti come segue. I dati confermano vantaggi fisici, chimici ed economici misurabili per i combustibili trattati con la cavitazione rispetto a quelli miscelati in modo tradizionale.
Tabella 3. Principali guadagni in termini di prestazioni con il trattamento di cavitazione CaviFlow®.
Tabella 4. Impatto economico annuale stimato dell'ottimizzazione del combustibile basata sulla cavitazione
Ipotizzando uno scenario di una nave cisterna da 50.000 DWT che opera con una componente di FAME pari a circa il 20%, si ottiene una riduzione del fattore di emissione netto di CO₂ da 3,114 t CO₂ / t di carburante per l'HFO puro a 2,856 t CO₂ / t di carburante, se si considerano i vantaggi in termini di efficienza della tecnologia di cavitazione RAPTECH. Ciò corrisponde a un risparmio complessivo di CO₂ di circa 1.548 t all'anno, che di fatto migliora la classificazione CII della nave da C a B. L'impatto economico e ambientale stimato di questi miglioramenti è riassunto nella Tabella 4, che evidenzia i vantaggi combinati in termini di efficienza energetica, riduzione delle emissioni e risparmio sui costi operativi.
Questi miglioramenti consolidati confermano che il trattamento di cavitazione migliora effettivamente le prestazioni complessive dei combustibili marini miscelati, migliorando l'efficienza energetica, l'affidabilità operativa e la conformità ambientale.
4. Conclusioni
L'omogeneizzazione assistita da cavitazione dimostra un chiaro potenziale di miglioramento delle proprietà fisiche e chimiche dei carburanti miscelati - in questo studio, miscele di HFO, biodiesel e glicerina.
I principali vantaggi osservati includono:
Questi risultati dimostrano che l'omogeneizzazione per cavitazione può essere un processo scalabile, efficiente dal punto di vista energetico e compatibile con l'ambiente per migliorare e stabilizzare i carburanti marini miscelati. Ulteriori ricerche sui meccanismi di modifica chimica indotti dalla cavitazione e sulle prestazioni a lungo termine dei motori ne favoriranno l'integrazione in sistemi di bunkeraggio e trattamento del carburante sostenibili.
Autori: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Riferimenti
1. Organizzazione marittima internazionale (IMO). Regolamento sul tetto dello zolfo dell'IMO 2020. IMO, Londra, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifiche dei combustibili per uso marittimo. Organizzazione internazionale per la standardizzazione, Ginevra, 2017.
3. EN 14214. EN 14214. Esteri metilici degli acidi grassi (FAME) per il carburante biodiesel - Requisiti e metodi di prova. Comitato Europeo di Standardizzazione, Bruxelles, 2012.
4. Raptech GmbH. Raptech GmbH. Tecnologia di miscelazione a cavitazione CaviFlow®: Opuscolo tecnico. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Rapporto di prova completo del motore - CaterpillarMaK 6M20, miscele HFO-Biodiesel-Glicerina. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Questo studio valuta l'effetto dell'omogeneizzazione per cavitazione sull'olio combustibile pesante (HFO 380) e sulle sue miscele con biodiesel e glicerina per applicazioni marine. L'HFO, l'HFO-20% di biodiesel (B20) e l'HFO-10% di biodiesel-5% di glicerina (B10G5) sono stati confrontati con la miscelazione manuale convenzionale e il trattamento di cavitazione.
- La cavitazione ha migliorato significativamente diverse proprietà del carburante, tra cui la viscosità (riduzione fino al 19%), il contenuto di zolfo (riduzione dall'1,5 al 19%) e i contaminanti metallici (riduzione fino al 33%), mantenendo un potere calorifico comparabile. I test su motori in scala reale su un Caterpillar MaK 6M20 hanno confermato una migliore stabilità della combustione, una riduzione dei requisiti di preriscaldamento, un leggero risparmio di carburante (~1%) e profili di emissioni coerenti.
- Questi risultati indicano che la cavitazione promuove una miscelazione e un'omogeneizzazione efficienti , facilita la gestione dei fanghi e dell'acqua residua e induce una lieve attivazione chimica in situ (regolabile) . Nel complesso, il trattamento basato sulla cavitazione rappresenta un percorso pratico verso un utilizzo più pulito, efficiente e sostenibile dei carburanti marini miscelati.
- L'industria navale è sottoposta a crescenti pressioni per ridurre le emissioni e migliorare l'efficienza del carburante, a causa del limite massimo di zolfo fissato dall'IMO per il 2020, delle normative sull'intensità di carbonio e del crescente uso di carburanti alternativi. L'olio combustibile pesante (HFO) rimane ampiamente utilizzato grazie al suo elevato contenuto energetico, ma la miscelazione con componenti rinnovabili come il biodiesel e la glicerina è necessaria per soddisfare le normative ambientali e migliorare le caratteristiche di combustione.
Studio
L'omogeneizzazione basata sulla cavitazione è un metodo promettente per migliorare la stabilità e le prestazioni dei carburanti. Generando intense microbolle che collassano violentemente, la cavitazione promuove sia la miscelazione fisica che una lieve attivazione chimica, migliorando la reologia, la dispersione e il comportamento di combustione. Questo studio valuta gli effetti della cavitazione sulle miscele HFO-biodiesel-glicerina, valutando la densità, la viscosità, i contenuti di zolfo e metalli, il potere calorifico, la formazione di sedimenti e le prestazioni del motore.
La Tabella 1 riassume le proprietà fisiche e chimiche comparative dei tre principali componenti del carburante utilizzati in questo studio: HFO 380, biodiesel (FAME) e glicerina. L'HFO 380 serve come riferimento di base, mentre il biodiesel e la glicerina fungono da componenti rinnovabili e privi di zolfo. Le loro densità, viscosità e contenuti di ossigeno contrastanti sono fattori chiave che influenzano il comportamento della miscela durante l'omogeneizzazione e la combustione. La comprensione di queste proprietà di base costituisce la base per valutare le prestazioni del trattamento di cavitazione RAPTECH nel migliorare l'uniformità, la stabilità e la qualità complessiva del carburante.
| Parameter | Unità | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiesel (FAME, EN 14214) | Glicerina (grezza/raffinata) |
|---|---|---|---|---|
| Densità a 15°C | kg/m³ | Max. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Viscosità cinematica a 50°C | mm²/s | Massimo 380 | 4-6 | ~1.200 (a 40°C) |
| Contenuto di zolfo | % (m/m) | Max. 3,50 | <0.001 | 0 |
| Contenuto di cenere | % (m/m) | Max. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Punto di scorrimento | °C | Massimo 30 | Da -5 a +15 | ~18 |
| Punto di infiammabilità | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Potenziale sedimentario totale | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Sedimento totale Esistente | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Potere calorifico lordo | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Potere calorifico netto | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Contenuto di ossigeno | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Residuo di carbonio (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tabella 1: Proprietà comparative del carburante di HFO 380, biodiesel (FAME) e glicerina.
2. Materiali e metodi
- Combustibili: HFO 380, biodiesel (FAME), glicerina
- Miscele: HFO, HFO-20% biodiesel (B20), HFO-10% biodiesel-5% glicerina (B10G5)
- Miscelazione: Miscelazione manuale convenzionale (HB/Coarse) e miscelazione assistita da cavitazione (CF) con il sistema CaviFlow® di RAPTECH.
- Analisi: Densità, gravità API, viscosità cinematica, zolfo, metalli, potere calorifico, punto di infiammabilità, punto di scorrimento, sedimenti totali esistenti (TSE), sedimenti totali potenziali (TSP), contenuto di ceneri e residui carboniosi, misurati presso Bureau Veritas.
- Test del motore: Banco di prova diesel marino in scala reale di FVTR GmbH (Caterpillar MaK 6M20). Sono state registrate le prestazioni, le emissioni, i tempi di combustione e il consumo di carburante.
3. Risultati e discussione
3.1 Proprietà fisiche e reologia
- Densità e gravità API: Poiché il biodiesel (860-900 kg/m³ a 15 °C) ha una densità inferiore a quella dell'HFO 380 ed entrambi sono meno densi della glicerina (1264 kg/m³ a 15 °C), la Figura 1 illustra la diminuzione della densità quando il biodiesel viene aggiunto all'HFO 380 e il corrispondente aumento quando viene aggiunta la glicerina. Evidenzia inoltre il vantaggio dell'utilizzo della tecnologia di cavitazione rispetto alla miscelazione manuale standard, ottenendo una riduzione aggiuntiva della densità di circa lo 0,3%.
Figura 1: Densità della miscela di carburanti in funzione della temperatura
In termini di gravità API, mostrata nella Figura 2, il valore più basso si osserva per l'HFO 380 puro, che riflette la sua densità relativamente elevata. Quando l'HFO viene miscelato utilizzando la cavitazione, la gravità API aumenta leggermente, indicando una modesta riduzione della densità. Un effetto più pronunciato si osserva quando si aggiunge il 20% di biodiesel mediante miscelazione manuale, poiché il biodiesel ha una densità notevolmente inferiore a quella dell'HFO, con un conseguente aumento significativo della gravità API. La gravità API più elevata si ottiene con HFO contenente il 20% di biodiesel trattato mediante cavitazione. In questo caso, la differenza tra la miscelazione manuale e quella con cavitazione è relativamente piccola, ma il processo di cavitazione fornisce comunque un ulteriore miglioramento della gravità API rispetto all'effetto del solo biodiesel.
Figura 2: Gravità API per le miscele di carburanti studiate
- Viscosità: La Figura 3 presenta un andamento simile per la viscosità cinematica, evidenziando le differenze tra l'HFO 380 e le sue miscele di biodiesel e glicerina. In particolare, l'HFO con il 20% di biodiesel trattato mediante cavitazione ottiene una riduzione della viscosità fino al 19% rispetto alla miscela manuale. Da un punto di vista pratico, questa riduzione della viscosità e della densità può essere attribuita alla duplice azione della cavitazione: la sua intensa capacità di miscelare efficacemente combustibili di origine diversa e il suo forte effetto di omogeneizzazione che stabilizza la miscela e ne migliora le caratteristiche reologiche e di combustione. Insieme, questi meccanismi facilitano il pompaggio, riducono la richiesta di energia per il preriscaldamento di circa il 6% e migliorano l'atomizzazione del combustibile, migliorando così l'efficienza della combustione e riducendo la formazione di fuliggine e idrocarburi incombusti.
Figura 3: Viscosità cinematica della miscela di carburanti in funzione della temperatura
3.2 Proprietà chimiche e upgrading del combustibile
- Riduzione dello zolfo: Poiché il biodiesel e la glicerina non contengono zolfo, la Figura 4 mostra la prevista diminuzione del contenuto di zolfo tra l'HFO puro e le sue miscele con biodiesel e glicerina. La parziale attivazione chimica indotta dalla cavitazione - in particolare con la glicerina che agisce come vettore di ossigeno - può spiegare le ulteriori riduzioni osservate: circa l'1,5% tra i carburanti HFO-20% biodiesel miscelati a mano e trattati con cavitazione, e circa il 19% tra l'HFO-20% biodiesel e le miscele HFO-20% biodiesel-5% glicerina trattate con cavitazione. Ciò dimostra che la cavitazione non solo consente una potente miscelazione di diversi tipi di combustibile e una forte omogeneizzazione, ma aiuta anche a migliorare il combustibile, promuovendo una lieve modifica chimica regolabile in situ dei componenti del combustibile.
Figura 4: Contenuto di zolfo della miscela di carburanti studiata
- Contaminanti metallici (Cat Fines): La Figura 5 mostra che la maggiore dispersione fisica e le parziali trasformazioni chimiche indotte dalla cavitazione possono spiegare la riduzione osservata delle Cat Fines - particelle microscopiche di catalizzatore esaurito, composte principalmente da ossidi di silicio e alluminio, comunemente presenti nei combustibili residui come l'olio combustibile pesante (HFO). È stata osservata una riduzione fino al 33% tra i carburanti miscelati a mano e quelli miscelati con cavitazione, e fino al 50% tra l'HFO non trattato e quello contenente il 10% di biodiesel e il 5% di glicerina dopo il trattamento di cavitazione. Questa riduzione suggerisce che la cavitazione favorisce una dispersione più fine e possibilmente una parziale modifica della superficie o frammentazione di questi residui di catalizzatore, con conseguente miglioramento dell'omogeneità del carburante e potenziale riduzione dei rischi di usura abrasiva nei sistemi di manipolazione del carburante.
Figura 5: Contenuto di vanadio, silicio e alluminio per le miscele di combustibili studiate
- Potere calorifico: Poiché il potere calorifico dell'HFO è superiore a quello del biodiesel e della glicerina, l'aggiunta di biodiesel e glicerina porta a una diminuzione del potere calorifico netto. Il parziale miglioramento della reattività del combustibile attraverso il trattamento di cavitazione potrebbe spiegare l'ulteriore diminuzione di circa lo 0,2% osservata tra i combustibili miscelati a mano e quelli miscelati con la cavitazione, come mostrato nella Figura 6. Questa leggera diminuzione è compensata nella pratica dal fatto che il biodiesel e la glicerina sono più elevati di quelli del biodiesel. Questa leggera diminuzione è compensata in pratica da una migliore efficienza di combustione, da una combustione più pulita e da un comportamento di accensione più stabile: tutti vantaggi per le prestazioni dei motori marini e per il controllo delle emissioni.
Figura 6: Potere calorifico netto studiato Miscela di carburanti
- Punto di infiammabilità: Analogamente, poiché il punto di infiammabilità dell'HFO è notevolmente inferiore a quello del biodiesel, l'aggiunta di biodiesel aumenta il punto di infiammabilità della miscela. Tuttavia, l'intensa omogeneizzazione ottenuta con il trattamento di cavitazione determina una significativa diminuzione del punto di infiammabilità, pari a circa il 20%, rispetto al carburante miscelato a mano, come mostrato nella Figura 7. Questa riduzione riflette una distribuzione più uniforme del carburante. Questa riduzione riflette una distribuzione più uniforme delle frazioni più leggere all'interno della miscela, che può facilitare la manipolazione e la vaporizzazione del carburante durante l'avvio del motore, senza compromettere i margini di sicurezza nelle operazioni di bunkeraggio.
Figura 7: Punto di infiammabilità della miscela studiata di Fuels
- Punto di scorrimento: Analogamente, poiché il punto di scorrimento dell'HFO è significativamente più alto di quello del biodiesel, l'aggiunta di biodiesel abbassa il punto di scorrimento, migliorando le proprietà di flusso a bassa temperatura e riducendo i requisiti di preriscaldamento durante il trasferimento e l'iniezione. Non si osserva alcuna influenza del trattamento di cavitazione sul punto di scorrimento rispetto al carburante miscelato a mano (Figura 8), indicando che la cavitazione influisce principalmente sulla microstruttura e sulla reattività piuttosto che sulle transizioni di fase in massa.
Figura 8: Punto di scorrimento della miscela di combustibili studiata
3.3 Sedimenti, ceneri e residui carboniosi
- Sedimentazione: La riduzione dei sedimenti totali esistenti (TSE) di circa il 33% osservata quando si mescola l'HFO con il biodiesel (Figura 9) è attribuita principalmente alla natura anfifilica del biodiesel, che stabilizza gli asfalteni attraverso interazioni polari e migliora l'omogeneità e la viscosità del carburante, impedendo così l'aggregazione e la sedimentazione. Un'ulteriore riduzione di circa il 33% del TSE è stata ottenuta grazie all'omogeneizzazione per cavitazione della miscela HFO-biodiesel rispetto alla miscelazione a mano.
Figura 9: Sedimento totale esistente (%massa) per la miscela di carburanti studiata
- La significativa diminuzione del potenziale di sedimento totale (TSP) di circa il 60% osservata quando si mescola l'HFO con il biodiesel (Figura 10) è attribuita principalmente alla natura anfifilica del biodiesel, che stabilizza gli asfalteni attraverso interazioni polari e migliora l'uniformità e le proprietà di flusso del carburante, riducendo al minimo l'aggregazione e la formazione di sedimenti. Un'ulteriore riduzione di circa il 25% del TSP si ottiene con l'omogeneizzazione a cavitazione della miscela HFO-biodiesel rispetto alla miscelazione manuale.
Figura 10: Potenziale di sedimenti totali (%massa) per la miscela di carburanti studiata
Questo miglioramento sostanziale indica una stabilità del carburante nettamente superiore e un rischio significativamente inferiore di formazione di fanghi durante lo stoccaggio e il funzionamento del motore. È noto che la formazione di fanghi nel bunkeraggio delle navi rimane una sfida operativa e normativa persistente con notevoli conseguenze economiche.
Infatti, il tasso di formazione dei fanghi dipende da vari fattori, tra cui la composizione del carburante, le condizioni di stoccaggio e le pratiche di manipolazione. L'esperienza operativa e le linee guida dell'IMO indicano che la generazione di fanghi durante la purificazione e lo stoccaggio del combustibile varia in genere dall'1 al 3% del volume di HFO consumato, sebbene ciò si riferisca ai residui del separatore/bunker e non debba essere direttamente equiparato alla specifica ISO 8217 sui sedimenti.
Per una nave che stocca 1.000 tonnellate di HFO 380:
| Scenario | Massa di fango (t) | Volume di slugle m³ | Perdita sul costo del carburante a 500 $/t |
|---|---|---|---|
| Basso stimato (1% in volume) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Alto stimato (3% in volume) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Tabella 2. Impatto economico della formazione di fanghi da HFO380
Per una nave che consuma 20.000 t di HFO all'anno, ciò corrisponde a un risparmio di carburante di circa 20-200 t all'anno, o di circa 10.000-100.000 USD all'anno (sulla base di un prezzo di riferimento di 500 USD/t). Prezzi del carburante più alti o consumi maggiori aumenterebbero proporzionalmente questi risparmi.
Va notato che queste stime tengono conto solo della perdita diretta del valore del combustibile. In pratica, i costi di gestione dei fanghi sono spesso più elevati a causa dello smaltimento obbligatorio ai sensi dell'Allegato I della Convenzione MARPOL, delle tasse di ricezione portuale e dei requisiti di gestione dei fanghi, che possono superare notevolmente il semplice costo del carburante perso.
Combinando la gestione sistematica del carburante con l'omogeneizzazione avanzata basata sulla cavitazione, gli operatori possono:
- Mantenere la stabilità del carburante a lungo termine
- Ridurre i costi di manutenzione, di fermo macchina e di smaltimento.
- Migliorare l'utilizzo del carburante, l'affidabilità del motore e la sicurezza operativa.
- Garantire la conformità all'Allegato I della Convenzione MARPOL riducendo i rischi ambientali.
- Residui di ceneri e carbonio: Poiché il biodiesel non contiene ceneri, la Figura 11 mostra la prevista diminuzione del contenuto di ceneri quando viene miscelato con HFO puro. La cavitazione potenzia ulteriormente questo effetto promuovendo una dispersione più fine e una parziale frammentazione superficiale delle particelle di cenere, con un'ulteriore riduzione di circa il 4% nella miscela HFO-biodiesel. La riduzione del contenuto di ceneri contribuisce a rendere più pulite le operazioni di stoccaggio e movimentazione, a ridurre le incrostazioni nelle tubazioni e nei serbatoi durante il bunkeraggio e a favorire una combustione più efficiente con una minore formazione di particolato nei motori.
Figura 11: Contenuto di ceneri (%massa) per la miscela di combustibili studiata.
La diminuzione dei residui di carbonio dall'HFO puro all'HFO-20% di biodiesel, illustrata nella Figura 12, è dovuta principalmente alla sostituzione degli idrocarburi aromatici pesanti con gli esteri ossigenati degli acidi grassi del biodiesel. L'ulteriore riduzione osservata per la miscela HFO-10% biodiesel-5% glicerina deriva dalla composizione ricca di ossigeno della glicerina, che favorisce una decomposizione termica più completa e limita la formazione di residui refrattari. Un leggero aumento di circa il 3% dei residui carboniosi con il trattamento di cavitazione di HFO-20% biodiesel è attribuito a una maggiore attivazione della decomposizione termica indotta dall'intensa agitazione generata durante la cavitazione rispetto alla miscelazione manuale. Queste modifiche migliorano l'efficienza della combustione, riducono la fuliggine e i depositi nei motori e facilitano una gestione più fluida del carburante durante le operazioni di bunkeraggio e stoccaggio.
Figura 12: Residuo di carbonio (%massa) per la miscela di combustibili studiata.
3.4 Combustione e prestazioni del motore
Le miscele HFO-FAME prodotte con la cavitazione sono state testate e valutate per le prestazioni in un motore marino diesel a quattro tempi, rispetto alle miscele HFO-FAME prodotte in modo convenzionale (grossolano). Le indagini sono state condotte su un banco prova a motore completo fornito da FVTR GmbH, basato su un motore Caterpillar MaK 6M20. I punti seguenti riassumono i principali risultati del test:
- Viscosità e preriscaldamento: La riduzione della temperatura di iniezione (>6 K) ha ridotto la richiesta di energia per il preriscaldamento.
- Tempi di combustione: Inizio e fine della combustione leggermente anticipati, durata leggermente inferiore, con un risparmio di carburante minore (~1%) e un NOx leggermente superiore a causa del contenuto di ossigeno.
- Emissioni: CO, CO₂, HC, O₂ e FSN sono rimasti simili al carburante miscelato a mano; non sono stati osservati problemi operativi.La miscela HFO-FAME trattata con cavitazione dimostra chiari vantaggi pratici nel funzionamento dei motori marini. La sua minore viscosità riduce il fabbisogno di energia per il preriscaldamento, facilita l'iniezione e contribuisce a ridurre il consumo di carburante. La combustione rimane stabile e affidabile, con emissioni in gran parte paragonabili a quelle delle miscele convenzionali, a parte l'atteso piccolo aumento di NOx dovuto al maggiore contenuto di ossigeno. Questi risultati indicano che la miscela basata sulla cavitazione non solo migliora le caratteristiche reologiche e di combustione dei combustibili HFO-FAME, ma favorisce anche un bunkeraggio più sicuro, efficiente e affidabile e le prestazioni dei motori nelle applicazioni marine pratiche.
3.5 Sintesi dei miglioramenti del combustibile e della combustione - "Guadagni di prestazioni CaviFlow® ".
A questo punto, gli effetti complessivi del trattamento di cavitazione RAPTECH sulle proprietà del carburante, sulle prestazioni di combustione e sull'efficienza operativa possono essere riassunti come segue. I dati confermano vantaggi fisici, chimici ed economici misurabili per i combustibili trattati con la cavitazione rispetto a quelli miscelati in modo tradizionale.
| Parameter | Miglioramento | Effetto |
|---|---|---|
| Viscosità a 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Pompaggio più semplice, riduzione del fabbisogno energetico di preriscaldamento |
| Consumo specifico di olio combustibile (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Maggiore efficienza di combustione, leggero risparmio di carburante |
| Formazione di fanghi (1-3 % v/v tipico) | ↓ ≈ 99 % (praticamente eliminato) | Filtri più puliti, nessun sovraccarico del separatore, funzionamento stabile e continuo |
| Efficienza complessiva del rapporto carburante/potenza | ↑ ≈ 4 % (risparmio di carburante) | Equivalente a ≈ 1,2 t/giorno per una nave cisterna da 50.000 DWT |
| Funzionamento del motore | Combustione stabile con un aumento minimo di NOₓ. | Prestazioni affidabili e costanti |
| Impatto ambientale | Contenuto inferiore di sedimenti, ceneri e zolfo | Bruciatura più pulita, più facile conformità agli standard IMO/MARPOL |
Tabella 3. Principali guadagni in termini di prestazioni con il trattamento di cavitazione CaviFlow®.
| Area di risparmio | Impatto annuale (€) | Base / Spiegazione |
|---|---|---|
| Efficienza del carburante (~4%) | € 200 000 - 250 000 | 4 % del costo del carburante |
| EU ETS / Risparmio di CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1.548 t × 70 € (stima) / t CO₂ |
| Conformità e Carta Premium | € 50 000 - 200 000 | Migliori tariffe di noleggio |
| Efficienza operativa e manutenzione | € 20 000 - 40 000 | Combustione più pulita → minore usura del motore |
| Depuratore / Riscaldatore a risparmio energetico | € 5 000 - 10 000 | Viscosità inferiore → carico ridotto |
| Risparmio potenziale totale | ≈ € 380 000 - 600 000 per nave/anno | Al netto delle variazioni del prezzo del carburante |
Tabella 4. Impatto economico annuale stimato dell'ottimizzazione del combustibile basata sulla cavitazione
Ipotizzando uno scenario di una nave cisterna da 50.000 DWT che opera con una componente di FAME pari a circa il 20%, si ottiene una riduzione del fattore di emissione netto di CO₂ da 3,114 t CO₂ / t di carburante per l'HFO puro a 2,856 t CO₂ / t di carburante, se si considerano i vantaggi in termini di efficienza della tecnologia di cavitazione RAPTECH. Ciò corrisponde a un risparmio complessivo di CO₂ di circa 1.548 t all'anno, che di fatto migliora la classificazione CII della nave da C a B. L'impatto economico e ambientale stimato di questi miglioramenti è riassunto nella Tabella 4, che evidenzia i vantaggi combinati in termini di efficienza energetica, riduzione delle emissioni e risparmio sui costi operativi.
Questi miglioramenti consolidati confermano che il trattamento di cavitazione migliora effettivamente le prestazioni complessive dei combustibili marini miscelati, migliorando l'efficienza energetica, l'affidabilità operativa e la conformità ambientale.
4. Conclusioni
L'omogeneizzazione assistita da cavitazione dimostra un chiaro potenziale di miglioramento delle proprietà fisiche e chimiche dei carburanti miscelati - in questo studio, miscele di HFO, biodiesel e glicerina.
I principali vantaggi osservati includono:
- Miglioramento della miscelazione e dell'uniformità, compresa l'efficace dispersione di fanghi e acqua residua, con conseguente riduzione della viscosità e maggiore facilità di gestione del carburante.
- Attivazione chimica parziale (regolabile) in situ che porta a riduzioni misurabili di zolfo, ceneri e contaminanti metallici, nonché a una minore formazione di sedimenti.
- Comportamento di combustione stabile con leggero risparmio di combustibile (~1%) e solo lievi aumenti di NOₓ dovuti al maggiore contenuto di ossigeno
- Riduzione delle esigenze operative e di manutenzione, compresa l'energia di preriscaldamento e la gestione dei fanghi.
Questi risultati dimostrano che l'omogeneizzazione per cavitazione può essere un processo scalabile, efficiente dal punto di vista energetico e compatibile con l'ambiente per migliorare e stabilizzare i carburanti marini miscelati. Ulteriori ricerche sui meccanismi di modifica chimica indotti dalla cavitazione e sulle prestazioni a lungo termine dei motori ne favoriranno l'integrazione in sistemi di bunkeraggio e trattamento del carburante sostenibili.
Autori: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Riferimenti
1. Organizzazione marittima internazionale (IMO). Regolamento sul tetto dello zolfo dell'IMO 2020. IMO, Londra, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifiche dei combustibili per uso marittimo. Organizzazione internazionale per la standardizzazione, Ginevra, 2017.
3. EN 14214. EN 14214. Esteri metilici degli acidi grassi (FAME) per il carburante biodiesel - Requisiti e metodi di prova. Comitato Europeo di Standardizzazione, Bruxelles, 2012.
4. Raptech GmbH. Raptech GmbH. Tecnologia di miscelazione a cavitazione CaviFlow®: Opuscolo tecnico. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Rapporto di prova completo del motore - CaterpillarMaK 6M20, miscele HFO-Biodiesel-Glicerina. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
