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5 luglio 2024

Il cambiamento climatico causato dalle attività umane è un fatto ben consolidato. Secondo il Quarto studio dell’IMO sulle emissioni di gas serra dell’International Maritime Organization (IMO), le emissioni di CO2 derivanti dal trasporto marittimo rappresentano solo il 2,89% del totale globale. 

Nonostante questo percentuale relativamente bassa, l’IMO è impegnata a ridurre il proprio impatto ambientale e ha incorporato questo obiettivo nelle sue Direzioni Strategiche. Riguardo alle emissioni di gas serra, l’IMO mira a ridurre le emissioni del trasporto marittimo del 40% entro il 2030, rispetto ai livelli del 2008. Per raggiungere questo obiettivo, sono state implementate misure come l’Energy Efficiency Existing Ship Index (EEXI) e l’Indicatore annuale di intensità operativa del carbonio (CII). 

Le attività a bordo, compresa la propulsione, il condizionamento dell’aria e i servizi di ospitalità, contribuiscono significativamente al consumo energetico sulle navi da crociera. Con un crescente focus sulla sostenibilità e la responsabilità ambientale, l’industria delle crociere sta esplorando tecnologie innovative per migliorare l’efficienza energetica e ridurre le emissioni di gas serra. Una di queste tecnologie è il recupero del calore residuo (Waste Heat Recovery, WHR), un processo che cattura e riutilizza il calore in eccesso generato dai motori e altri sistemi della nave. Questo saggio approfondisce i principi del WHR, la sua implementazione sulle navi da crociera e i significativi miglioramenti in termini di efficienza e sostenibilità che offre. 

Principi del Recupero del Calore Residuo 

Il recupero del calore residuo sulle navi da crociera è fondamentale per sfruttare il calore che altrimenti si dissiperebbe nell’ambiente e convertirlo in energia utile. Le principali fonti di calore residuo a bordo sono principalmente i generatori diesel. I sistemi WHR utilizzano tecnologie come scambiatori di calore, caldaie a gas di scarico e sistemi per utilizzare il vapore residuo per catturare e convertire questo calore in elettricità o energia termica per diverse applicazioni a bordo. Oltre a questi componenti, i chiller ad assorbimento giocano un ruolo significativo nei sistemi WHR utilizzando il calore residuo per scopi di raffreddamento. I chiller ad assorbimento assorbono il vapore del refrigerante in una soluzione assorbente, azionata dal calore residuo dai motori o altre fonti. Questo processo genera acqua refrigerata che può essere distribuita attraverso il sistema HVAC della nave, migliorando l’efficienza del raffreddamento e riducendo il carico sui sistemi di raffreddamento convenzionali. Inoltre, i circuiti ad alta e bassa temperatura sono essenziali per una gestione energetica efficiente a bordo. I circuiti ad alta temperatura gestiscono il calore da fonti come gli scarichi del motore e i sistemi di raffreddamento, che possono essere utilizzati per produrre vapore o acqua calda per vari scopi. I circuiti a bassa temperatura gestiscono calore meno intenso, tipicamente impiegato in processi come la refrigerazione. Integrare efficacemente questi circuiti assicura che il calore residuo sia massimizzato per migliorare l’efficienza energetica complessiva e le pratiche di sostenibilità a bordo delle navi da crociera. 

 – Scambiatori di Calore: 

Gli scambiatori di calore sono componenti vitali a bordo delle navi da crociera, svolgendo un ruolo cruciale nella gestione dell’energia e dell’efficienza. Questi dispositivi trasferiscono calore tra due o più fluidi senza mescolarli, consentendo l’utilizzo efficace dell’energia termica generata da vari sistemi a bordo della nave. Sulle navi da crociera, gli scambiatori di calore sono ampiamente utilizzati in molteplici applicazioni per migliorare l’efficienza operativa e la sostenibilità. 

Uno degli utilizzi principali degli scambiatori di calore è nel sistema di raffreddamento del motore della nave. Qui, trasferiscono calore dal liquido di raffreddamento del motore all’acqua di mare, evitando il surriscaldamento del motore e mantenendo le prestazioni ottimali. Inoltre, gli scambiatori di calore sono fondamentali nei sistemi HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell’aria), dove gestiscono il clima della nave trasferendo calore dal sistema di condizionamento dell’aria all’ambiente esterno o viceversa. Un’altra applicazione critica è nei sistemi di recupero del calore residuo. Gli scambiatori di calore catturano il calore in eccesso dai gas di scarico della nave e da altri processi ad alta temperatura, che viene poi utilizzato per generare vapore per la produzione di elettricità o per riscaldare l’acqua per uso a bordo. Questo processo riduce significativamente il consumo di carburante e abbassa le emissioni di gas serra. 

Inoltre, gli scambiatori di calore sono utilizzati nelle centrali di dissalazione delle navi da crociera, dove aiutano a convertire l’acqua di mare in acqua dolce recuperando e riutilizzando il calore dal processo di dissalazione. 

Complessivamente, l’ampio utilizzo degli scambiatori di calore sulle navi da crociera sottolinea la loro importanza nel migliorare l’efficienza energetica, ridurre i costi operativi e minimizzare l’impatto ambientale delle operazioni marittime. 

 – Gas di scarico: 

 Le navi da crociera impiegano caldaie a gas di scarico (EGB) per sfruttare il calore residuo dei gas di scarico del motore. Posizionate strategicamente nel sistema di scarico della nave, le EGB trasferiscono l’energia termica dei gas di scarico ad alta temperatura all’acqua che circola attraverso tubi o condotte. Le EGB sono posizionate nel camino o nel sistema di scarico della nave, dove catturano il calore dai gas di scarico caldi prodotti dai motori principali e ausiliari della nave. Questi gas possono raggiungere temperature superiori a 500°C. Questo processo genera vapore, il quale serve a vari scopi a bordo, in particolare per fornire acqua riscaldata per diversi servizi e processi a bordo. Utilizzando efficacemente il calore residuo, le caldaie a gas di scarico migliorano l’efficienza energetica, riducono i costi operativi e contribuiscono alle pratiche marittime sostenibili riducendo le emissioni di gas serra. 

 – Vapore di scarto: 

Il vapore di scarto a bordo delle navi da crociera, generato dai gas di scarico dei motori e dai sistemi di riscaldamento, può essere sfruttato per migliorare l’efficienza energetica. Il principio è quello di utilizzare il vapore di scarto, spesso un sottoprodotto delle caldaie a gas di scarico dei motori, che contiene tipicamente una significativa energia termica altrimenti dispersa. Implementando sistemi di recupero del calore residuo come il Ciclo Rankine Organico e le turbine a vapore, questo vapore può essere convertito in elettricità o utilizzato per il riscaldamento, riducendo il consumo di carburante e le emissioni, contribuendo così alla sostenibilità.

Il Ciclo Organico Rankine (ORC) 

Il sistema ORC è un processo termodinamico utilizzato per convertire fonti di calore a bassa temperatura in elettricità. Chiamato così in omaggio al ciclo Rankine convenzionale, il sistema ORC impiega fluidi organici con bassi punti di ebollizione, come refrigeranti o idrocarburi, invece dell’acqua. Questa adattazione consente all’ORC di sfruttare efficientemente il calore da fonti a bassa temperatura come il calore residuo industriale, l’energia geotermica, la combustione della biomassa e l’energia termica solare. Il processo ORC comprende quattro fasi principali: evaporazione, espansione, condensazione e pompaggio. Il fluido di lavoro viene innanzitutto riscaldato dalla fonte di calore a bassa temperatura nell’evaporatore, causando la sua vaporizzazione. Questo vapore ad alta pressione viene quindi utilizzato per azionare una turbina o un espansore, generando elettricità. Dopo essere passato attraverso la turbina, il vapore viene condensato nuovamente in liquido nel condensatore e pompato di nuovo nell’evaporatore, completando il ciclo. I sistemi ORC sono particolarmente vantaggiosi grazie alla loro capacità di utilizzare calore di bassa qualità che altrimenti sarebbe disperso. Offrono alta efficienza e affidabilità, bassi requisiti di manutenzione e possono essere dimensionati in base alle dimensioni della fonte di calore. La loro applicazione spazia attraverso diverse industrie, rendendoli una soluzione versatile e sostenibile per migliorare l’efficienza energetica e ridurre le emissioni di gas serra. 

Turbine a vapore 

Le turbine a vapore che utilizzano il vapore di scarto sono una tecnologia cruciale per migliorare l’efficienza energetica e la sostenibilità delle navi da crociera. Le turbine a vapore catturano il vapore di scarto e convertono la sua energia termica in lavoro meccanico, che viene poi utilizzato per generare elettricità. Il processo inizia con il vapore di scarto che viene indirizzato nella turbina. Mentre il vapore passa attraverso le pale della turbina, le fa girare. Questo movimento rotazionale aziona un generatore, producendo elettricità. Utilizzando il vapore di scarto, queste turbine recuperano efficacemente energia che altrimenti sarebbe sprecata, migliorando l’efficienza energetica complessiva. 

Inoltre, l’uso delle turbine a vapore per il recupero del vapore di scarto si allinea con le normative ambientali e gli obiettivi di sostenibilità. Aiuta l’industria marittima a ridurre la propria impronta di carbonio, contribuendo a operazioni più pulite e sostenibili. Complessivamente, le turbine a vapore che utilizzano il vapore di scarto rappresentano un passo fondamentale verso un uso dell’energia più efficiente e ecologico nel settore marittimo. Nel contesto delle navi da crociera, l’integrazione delle turbine a vapore con sistemi di recupero del calore residuo può ridurre significativamente il consumo di carburante e le emissioni di gas serra, anche se lo spazio limitato a bordo delle navi da crociera esistenti rappresenta una sfida significativa, in quanto il peso aggiuntivo di un sistema a turbina a vapore può influire, dato che non possono essere installate ovunque a bordo. 

Chiller ad assorbimento 

I chiller ad assorbimento sono integrati senza soluzione di continuità nelle navi da crociera come booster dell’acqua di raffreddamento per aumentare la capacità di raffreddamento del sistema HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning). Utilizzano il calore di scarto proveniente dai gas di scarico del motore o da altri processi di generazione di calore a bordo. Questo calore di scarto è essenziale per guidare il ciclo di assorbimento del chiller. Durante il funzionamento, i chiller ad assorbimento facilitano l’assorbimento del vapore del refrigerante in una soluzione assorbente, tipicamente bromuro di litio. Mentre il refrigerante vaporizza e si condensa nuovamente in liquido, genera acqua refrigerata. Quest’acqua refrigerata viene quindi alimentata nella rete di distribuzione dell’acqua refrigerata della nave, integrando il carico di raffreddamento del sistema HVAC. 

Di solito, vengono integrati come booster dell’acqua di raffreddamento offrendo diversi vantaggi, poiché aumentano la capacità complessiva di raffreddamento del vascello, garantendo che le richieste di raffreddamento di picco possano essere soddisfatte in modo efficiente. Utilizzando il calore di scarto per il raffreddamento, i chiller ad assorbimento contribuiscono a migliorare l’efficienza energetica e a ridurre il consumo di carburante rispetto ai chiller a compressione convenzionali che dipendono esclusivamente dall’energia elettrica. Questa integrazione migliora la flessibilità operativa, consentendo alle navi da crociera di ottimizzare le operazioni di raffreddamento riducendo l’impatto ambientale e i costi operativi. In definitiva, i chiller ad assorbimento giocano un ruolo cruciale nel supportare pratiche sostenibili a bordo delle navi da crociera, fornendo ambienti confortevoli sia per i passeggeri che per l’equipaggio. 

Circuiti ad alta e bassa temperatura: 

Le navi da crociera si affidano sia ai circuiti ad alta temperatura che a quelli a bassa temperatura per gestire efficacemente l’energia termica per diverse esigenze operative. I circuiti ad alta temperatura coinvolgono principalmente i generatori diesel per fornire, catturare e trasferire il calore in eccesso dai sistemi di raffreddamento dei motori all’acqua calda per varie applicazioni a bordo. Al contrario, i circuiti a bassa temperatura svolgono un ruolo critico nel mantenere il raffreddamento e il condizionamento ottimali in tutta la nave. Gestiscono sistemi di refrigerazione essenziali per conservare merci deperibili e forniture a basse temperature. Inoltre, questi circuiti sono parte integrante dell’infrastruttura HVAC della nave, garantendo ambienti interni confortevoli sia per i passeggeri che per l’equipaggio. 

Questi sistemi sono utilizzati, ad esempio, per il pre-riscaldamento dell’acqua potabile fresca e il riscaldamento dell’acqua delle piscine a bordo. I circuiti ad alta temperatura sfruttano il calore residuo dai motori per riscaldare l’acqua potabile, mentre i circuiti a bassa temperatura gestiscono (spesso) il riscaldamento dell’acqua delle piscine, utilizzando sistemi dedicati collegati all’infrastruttura HVAC della nave. Questo approccio duplice assicura che i passeggeri possano godere di acqua calda e strutture piscina confortevolmente riscaldate, ottimizzando nel contempo l’uso dell’energia e riducendo l’impatto ambientale. L’integrazione dei circuiti ad alta e bassa temperatura è facilitata attraverso sofisticati processi di scambio termico e sistemi di controllo. Questa integrazione ottimizza l’efficienza energetica complessiva riciclando il calore residuo e riducendo il consumo energetico attraverso diversi sistemi operativi. Utilizzando efficacemente entrambi i tipi di circuiti, le navi da crociera migliorano i propri sforzi di sostenibilità, riducono la dipendenza dal carburante, abbassano le emissioni di gas serra e ottengono significativi risparmi di costi operativi nel tempo. Questo approccio completo sottolinea l’impegno dell’industria marittima verso la responsabilità ambientale, offrendo nel contempo un’esperienza di crociera confortevole ed efficiente. 

Implementazione a Bordo 

L’implementazione dei sistemi di recupero del calore di scarto (WHR) sulle navi da crociera richiede una pianificazione meticolosa e un’integrazione senza soluzione di continuità con l’infrastruttura esistente. Questo processo inizia con l’identificazione e la quantificazione delle fonti di calore di scarto a bordo, come i gas di scarico del motore e i sistemi di raffreddamento. Il passo successivo fondamentale consiste nel progettare un sistema WHR che sia in linea con le esigenze operative uniche della nave, selezionando componenti appropriati come scambiatori di calore, caldaie e turbine. L’integrazione con i sistemi esistenti di generazione e distribuzione dell’energia è cruciale per garantire un funzionamento senza intoppi. Inoltre, vengono implementati sistemi di monitoraggio continuo per tracciare le prestazioni del sistema WHR e ottimizzare l’efficienza nel tempo. Questo approccio completo non solo massimizza il recupero energetico, ma migliora anche la sostenibilità operativa complessiva, riducendo il consumo di carburante e le emissioni, mantenendo nel contempo servizi a bordo affidabili per i passeggeri. 

Diverse compagnie di crociera hanno già iniziato a implementare sistemi WHR sulle loro navi. Ad esempio, aziende come Royal Caribbean e Carnival Corporation hanno equipaggiato alcune delle loro navi più recenti con avanzati sistemi WHR, ottenendo notevoli riduzioni nel consumo di carburante e nelle emissioni. 

Miglioramenti dell’efficienza 

I sistemi di recupero del calore residuo (WHR) rappresentano un significativo avanzamento tecnologico nel miglioramento dell’efficienza energetica a bordo delle navi da crociera. Questi sistemi sono progettati per catturare e utilizzare il calore residuo proveniente da varie fonti a bordo, come gli scarichi dei motori e i sistemi ausiliari. Sfruttando efficacemente questa energia termica altrimenti sprecata, i sistemi WHR possono ottenere notevoli risparmi di carburante, tipicamente compresi tra il 10% e il 15% del consumo totale di carburante. Questi risparmi dipendono dalle condizioni operative e dall’efficienza della tecnologia WHR impiegata, che include componenti come scambiatori di calore, caldaie a gas di scarico e sistemi per l’utilizzo del vapore residuo. 

Dal punto di vista ingegneristico, i sistemi WHR contribuiscono alla riduzione delle emissioni di gas serra come CO2, NOx e SOx. Questa riduzione è cruciale per conformarsi alle rigorose normative ambientali internazionali stabilite dalle organizzazioni. L’elettricità generata dal calore residuo recuperato non solo compensa le esigenze energetiche della nave, ma aumenta anche la capacità complessiva di energia a bordo. Questa potenza elettrica supplementare riduce il carico sui generatori principali, ottimizzandone l’efficienza e prolungandone la vita operativa. Inoltre, i sistemi WHR giocano un ruolo cruciale nel migliorare la gestione termica a bordo delle navi da crociera. Forniscono soluzioni efficienti di riscaldamento per i sistemi di climatizzazione e contribuiscono all’approvvigionamento di acqua calda in tutta la nave. Questa doppia funzionalità non solo garantisce il comfort dei passeggeri, ma massimizza anche l’efficienza dell’utilizzo dell’energia. 

In conclusione, l’integrazione dei sistemi WHR sulle navi da crociera non solo migliora l’efficienza operativa e i risparmi finanziari, ma riduce significativamente l’impatto ambientale. Riducendo il consumo di carburante e le emissioni mentre ottimizza l’uso dell’energia, i sistemi WHR sottolineano l’impegno dell’industria delle crociere verso la sostenibilità e l’adozione di tecnologie eco-friendly. Questo approccio non solo beneficia gli operatori delle crociere riducendo i costi operativi, ma promuove anche pratiche marittime sostenibili, in linea con gli sforzi globali per la tutela ambientale nell’industria navale. 

Oltre ai miglioramenti dell’efficienza, i sistemi WHR migliorano significativamente il profilo di sostenibilità delle navi da crociera. L’industria delle crociere è sempre più sotto scrutinio per il suo impatto ambientale, e l’adozione della tecnologia WHR rappresenta un passo proattivo verso operazioni più ecologiche. Riducendo il consumo di carburante e le emissioni, i sistemi WHR contribuiscono a mitigare l’impronta ambientale delle navi da crociera, in linea con gli sforzi globali per contrastare il cambiamento climatico. 

Inoltre, l’adozione della tecnologia WHR stabilisce un precedente positivo per l’industria marittima più ampia. Mentre le compagnie di crociera dimostrano la validità e i benefici dei sistemi WHR, altri settori, come il trasporto merci e le operazioni offshore, potrebbero essere incoraggiati ad adottare tecnologie simili, amplificando i benefici ambientali in tutto il settore marittimo. 

Conclusione 

Le tecnologie di recupero del calore residuo (WHR) sono fondamentali per migliorare la sostenibilità e l’efficienza operativa a bordo delle navi da crociera, comprendendo sistemi avanzati come i sistemi a ciclo Rankine organico (ORC), scambiatori di calore, turbine a vapore e assorbitori a ciclo d’assorbimento. Questi sistemi contribuiscono collettivamente a ridurre il consumo di carburante, tagliare le emissioni e mantenere il comfort dei passeggeri. 

I sistemi ORC rappresentano un esempio all’avanguardia nel recupero del calore residuo, convertendo il calore di bassa qualità, come quello proveniente dagli scarichi dei motori o dai sistemi ausiliari, in elettricità attraverso un ciclo chiuso che utilizza fluidi organici. Questo non solo genera energia aggiuntiva a bordo, ma riduce anche la dipendenza dai generatori convenzionali, ottimizzando l’uso del carburante e riducendo le emissioni di gas serra. Gli scambiatori di calore svolgono un ruolo cruciale nel trasferire efficacemente il calore tra i fluidi senza mescolarli. A bordo delle navi da crociera, catturano il calore residuo da fonti come i sistemi di raffreddamento dei motori e i gas di scarico. Questo calore recuperato può essere utilizzato per pre-riscaldare l’acqua per uso domestico, supportare i sistemi HVAC o alimentare i sistemi ORC per la generazione di elettricità, migliorando così l’efficienza energetica complessiva della nave. 

A complemento di questi sforzi, le turbine a vapore sfruttano il vapore ad alta pressione generato dalle fonti di calore residuo per alimentare generatori a bordo o sistemi di propulsione. Convertendo l’energia termica in potenza meccanica, le turbine a vapore massimizzano l’utilizzazione del calore altrimenti sprecato, riducendo significativamente il consumo di carburante e i costi operativi. Nel frattempo, gli assorbitori a ciclo d’assorbimento utilizzano il calore residuo per facilitare i processi di raffreddamento a bordo. Producono efficacemente acqua refrigerata utilizzando il calore dei gas di scarico o altre fonti, essenziale per mantenere temperature interne confortevoli per passeggeri ed equipaggio. 

In conclusione, l’integrazione di questi sistemi nelle strategie di recupero del calore residuo sulle navi da crociera rappresenta un approccio completo alla sostenibilità e all’efficienza. Queste tecnologie non solo mitigano l’impatto ambientale, ma migliorano anche la resilienza operativa e la redditività, assicurando alle navi da crociera di navigare verso un futuro più verde e di offrire esperienze eccezionali a bordo. 

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Luca Paglia

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