Barcos ecológicos

Los motores diesel son la fuente principal de energía en la
mayor parte de los barcos que navegan por el mundo.
Desde el punto de vista ecológico, sin embargo, estos
motores no son muy respetuosos con el medio ambiente.
No obstante, la buena noticia es que estos motores no
tienen el mismo nivel de contaminación en todo su rango
de trabajo. En el régimen óptimo de operación, el rendimiento del combustible es considerablemente mayor y la
contaminación es menor que operando a baja velocidad.
Por consiguiente, la solución es conseguir que los motores operen en su régimen óptimo en cualquier situación.
Este objetivo no es posible con la transmisión mecánica
tradicional, ya que la velocidad del motor está rígidamente
acoplada a la velocidad de la hélice. Pero la situación
cambia si se utiliza transmisión eléctrica (generadores y
motores conectados mediante cables). Además, las reservas de energía se pueden compartir con el suministro de
los servicios de a bordo del barco, de modo que decrece
la potencia total instalada y al mismo tiempo aumenta la
fiabilidad. Por otro lado, los cables son más flexibles que
los ejes y permiten emplazar los motores con más libertad. Con esto se puede incrementar la carga útil del barco
o conseguir una carga y descarga más eficientes. Todas
estas ventajas se traducen en mayor productividad y en
un ahorro para la compañía naviera.
Otra contribución al rendimiento del combustible la
proporcionan las hélices de giro contrario (CRP, CounterRotating Propellers). Estas hélices mejoran las propiedades hidrodinámicas del sistema de propulsión y reducen
aún más el consumo de combustible.
Barcos ecológicos
Cumplimiento
de normas
medioambientales
ABB’s
commitment
to safety
management más rigurosas ahorrando combustible
Matti Turtiainen
Robert Martinez, Per-Christian Juel, Per Fjelldalen
54
Revista ABB 3/2005
Barcos ecológicos
E
l calentamiento global y el mecanismo conocido como efecto invernadero son temas de debate en los medios
de comunicación casi todos los días.
La actividad del ser humano influye de
muchas maneras en las causas y efectos
de este fenómeno. A diario se toman
decisiones que afectan al consumo energético y a aspectos ecológicos como,
por ejemplo, la cantidad de carburante
que necesita un coche o el sistema de
calefacción que se va a elegir para un
edificio de nueva planta.
La industria marítima tiene presente la
sensibilidad pública por los aspectos
ecológicos y está adaptándose a las
normas medioambientales que influyen
directamente en su negocio. La mayoría
de los sistemas de propulsión marítima
utiliza motores diesel como sistema
motriz. Se ha investigado mucho para
desarrollar motores diesel con bajos
niveles de emisión, con combustibles
alternativos como el gas, y para desarrollar procedimientos de limpieza de los
gases de escape y cumplir las normas,
progresivamente más estrictas.
Emisiones en el sector marítimo
Las emisiones de monóxido de nitrógeno (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2)
provocan la lluvia ácida, lo que conduce
a la sobrefertilización de lagos y a la
formación de espesas nieblas mezcladas
con humo. Las temperaturas de combustión de los motores tienen una gran influencia en las emisiones de NOx.
El dióxido de azufre (SO2) y el trióxido
de azufre (SO3) se denominan conjuntamente óxidos de azufre (SOX). Estos
gases contribuyen también a la lluvia
ácida y tienen efectos perjudiciales sobre
la vegetación, la salud humana y los edificios. Las emisiones de SOX son proporcionales al consumo de combustible y al
contenido de azufre del mismo.
El dióxido de carbono (CO2) es el gas
de efecto invernadero que más contribuye al calentamiento global de la
atmósfera. El aumento medio de la temperatura global previsto para el siglo
XXI se estima entre 0,5 y 4,0°C. Incluso
un aumento de 0,5°C ya afectaría al
clima global, elevaría el nivel del mar y
posiblemente provocaría incluso cambios en el sistema oceánico actual.
Las emisiones de CO2 de motores diesel
son proporcionales a su consumo de
combustible cuadro .
La propulsión diesel eléctrica se utiliza
desde hace décadas en las aplicaciones
marítimas. La capacidad de un motor
eléctrico para proporcionar un par elevado a baja velocidad es un argumento
convincente en favor de la propulsión
Revista ABB 3/2005
1
El concepto de planta eléctrica reduce la potencia total instalada necesaria.
a) Suministro de energía convencional
b) Principio de la ‘planta’ diesel-eléctrica
450V
6600V
G
3~
G
3~
G
3~
M
3~
G
3~
M
3~
~
~
~
~
G
3~
G
3~
G
3~
G
3~
G
3~
eléctrica, especialmente en los barcos
rompehielos. Este concepto de ‘planta
eléctrica’ permite a los motores diesel
funcionar en carga óptima, independientemente de la velocidad de la hélice.
Un paso más hacia un mayor rendimiento del combustible se consigue mediante
la avanzada tecnología de propulsión
CRP (Counter Rotating Propeller).
También se reduce la potencia total instalada de los motores: los dos sistemas
de plantas eléctricas pueden compartir
reservas de energía, habiendo siempre
suficiente potencia disponible para
arrancar unidades de gran consumo,
como los motores propulsores, sin
someter a la red eléctrica a grandes
fluctuaciones de tensión.
El principio de la planta eléctrica
El número de motores diesel necesarios
también es menor, ya que las unidades
individuales pueden ser más grandes.
Así se consigue más modularización y
se reducen el inventario de repuestos y
los costes de mantenimiento.
Tradicionalmente, la propulsión del
buques y la generación de energía eléctrica las proporcionan dos instalaciones
distintas e independientes 1a . La ubicación de los compartimentos de los
motores está dictada por la línea de ejes
de la transmisión y por los sistemas de
escape de los motores.
En el principio de la planta diesel eléctrica no existe ninguna conexión mecánica
directa entre el motor y la hélice 1b , lo
que da más flexibilidad para la disposición y la situación de la maquinaria, que
se puede reorganizar y conseguir más espacio para los camarotes o el
cargamento. Esto aumenta la flexibilidad
y productividad del barco haciendo que
la compañía naviera gane competitividad.
Contribución de los barcos a
la contaminación atmosférica:
5 % del consumo total de petróleo
en el mundo, unos 140 millones t
5 % de la producción mundial de
CO2 debida al petróleo, 450 millones de t/a de CO2.
2–3 % del consumo mundial de
combustibles fósiles.
13 % de la producción global de
NOx debida al consumo de combustible.
2–3 % de las emisiones globales de
SOx.
Fuente: A. A. Wright, MEP Series, Volume 3, Part
20: ‘Exhaust Emissions from Combustion Machinery’, Published by The Institute of M arine Engineers, 2000.
Fiabilidad y seguridad
El número de motores principales utilizados puede variar de acuerdo con la
potencia requerida, permitiendo a estos
motores funcionar con carga óptima.
Así se reducen el consumo de combustible, las emisiones y el desgaste.
El principio de planta eléctrica permite
al barco mantener una velocidad y carga
de consumo especificadas, incluso cuando no se utilizan algunos de sus motores principales. Una gran planta eléctrica
resulta también idónea para soportar
cambios bruscos en la red eléctrica,
como son los picos de corriente o el
arranque de un gran propulsor o un
compresor de aire acondicionado.
Ahorro de combustible y ecología
Cuando los motores diesel operan a
velocidad constante y óptima, el consumo de combustible es menor que cuando operan a velocidad variable.
Además, en un sistema de propulsión
‘engranado’, que implica la reducción y
el cambio de modo de doble motor al
modo de motor único, es preciso controlar la velocidad y el paso de la hélice
para que no sobrecargar los motores
diesel. Esto reduce la eficiencia de la
hélice y ha de compensarse con potencia instalada adicional.
En una planta diesel-eléctrica, el motor
55
Barcos ecológicos
depende de diversos factores como el
tipo de barco, velocidad, nivel de potencia, carga, RPM y maquinaria. En general, con un sistema CRP el rendimiento aumenta entre un 5 y un 10 por ciento. En 5 se pueden ver los resultados
de las pruebas para un Ropax2) de alta
velocidad.
ENVIROPAX fue un proyecto I+D
conjunto, financiado en parte por el
gobierno finlandés, en el que participa2
Eficiencia desde el diesel hasta
el propulsor η (%)
Zona de funcionamiento óptimo/
accionamiento eléctrico
Zona de funcionamiento óptimo/
accionamiento mecánico
Propulsión diesel-eléctrica / para motores/
forma del casco optimizada
Propulsión diesel-eléctrica / para motores
Propulsión mecánica / un motor
Estudio hidrodinámico del sistema CRP
ABB ha estudiado y realizado varias
series de pruebas modelo sobre el
concepto CRP en diferentes tipos de
buques. La mayor eficiencia conseguida
con este nuevo sistema de propulsión
56
50
45
40
25
50 60
100
Potencia de propulsión P (%)
3
Concepto de propulsión CRP Azipod®
El concepto CRP 4 se caracteriza por
una nueva e ingeniosa combinación de
propulsión convencional y propulsión
Azipod®1). Los sistemas de propulsión
están dispuestos coaxialmente, pero no
conectados directamente. Esta disposición permite recuperar la componente
de la velocidad de giro de avance de la
hélice principal.
Comparación, eficiencia de la
propulsión.
Se emite menos NOx si la carga en el motor
es alta (Fuente: Wärtsilä Diesel).
Emisiones relativas de NOx (%)
de propulsión puede proporcionar en
todo momento el par requerido en todo
el rango de velocidades, incluso con
velocidad cero y en marcha inversa. Por
consiguiente, resulta ideal para impulsar
una hélice de paso fijo. Esto contribuye
a la eficiencia del sistema: cuando la
velocidad del barco es baja, una hélice
de paso regulable consume la energía
justa para mantener el giro de la misma.
En barcos que operan en modo de posicionamiento dinámico, la potencia de
propulsión es muy baja la mayor parte
del tiempo. Los sistemas de propulsión
eléctrica con paso fijo de hélice pueden
proporcionar rápidamente un fuerte
empuje cuando así se requiere, al tiempo que mantienen fijo, en un mínimo, el
consumo de energía.
Un tren de propulsión mecánica puede
optimizarse para un punto de trabajo
determinado. La figura 2 muestra que
en este punto óptimo el rendimiento es
muy alto. La flexibilidad de la propulsión eléctrica permite ajustar la demanda de potencia en la planta eléctrica con
varias combinaciones de motores primarios, manteniendo los motores en su
carga óptima en prácticamente todo el
rango de potencia de la planta. Para
barcos que operan a velocidades variables o en modo de posicionamiento
dinámico, la mejor opción suele ser utilizar una planta de energía eléctrica y un
sistema de propulsión.
Además del consumo de combustible,
las emisiones de los barcos a la atmósfera han pasado a ser un aspecto muy
importante, especialmente en áreas ecológicamente vulnerables como Alaska y
el Mar Báltico. Las emisiones de NOx de
un motor diesel aumentan radicalmente
cuando el motor no opera a su velocidad y rango de potencia óptimos 3 .
A este respecto, las ventajas de un sistema eléctrico de propulsión sobre un
accionamiento directo son evidentes.
40
30
20
Propulsión
(mecánica)
10
Velocidad constante
(diesel-eléctrico)
0
25
50
75
100
Potencia (%)
4
Hélices a contragiro para mejorar el rendimiento hidrodinámico.
ron ABB y dos compañías finlandesas
de construcción naval, Kvaerner MasaYards y Wärtsilä. El éxito del proyecto
puede atribuirse a la combinación de
conocimiento especializado y experiencia de cada una de estas empresas: ABB
es una compañía destacada en el sector
de la propulsión diesel-eléctrica y con
unidades POD, Kvaerner Masa-Yards en
construcción naval y Wärtsilä en motores marinos.
En el proyecto ENVIROPAX se estudiaron dos conceptos de barcos Ropax de
rápido desplazamiento con propulsión
CRP Azipod®. El proyecto, centrado en
los aspectos hidrodinámicos de los sistemas de propulsión CRP, estudió los siguientes aspectos:
Efecto de la distribución de la potencia sobre la eficiencia de la propulsión
Propulsión con dos tamaños diferentes de unidad POD
Comportamiento de cavitación de las
hélices bajo diferentes condiciones
Niveles de impulsos de presión en el
casco
Se ensayaron y analizaron aspectos hidrodinámicos de los sistemas de propulsión utilizando exactamente el mismo
casco de barco para determinar con claridad los efectos de diferentes hélices y
unidades POD.
Reparto de la potencia entre las hélices
El reparto de la potencia entre las hélices tiene un importante efecto sobre la
eficiencia global, ya que afecta mucho
al coste del sistema de propulsión. Es
importante saber cómo dividir la potencia sin penalizar demasiado la eficiencia
de la propulsión.
Los diversos cálculos hechos para diferentes distribuciones de la potencia indican que cuanto menor es la potencia
de la unidad POD instalada tanto mayores son las ventajas económicas, pero
que desde el punto de vista hidrodinámico una unidad POD mayor, más
potente, es la solución más ventajosa.
Para los constructores de buques lo más
importante es el coste del barco y para
la compañía propietaria también es
prioritario el coste de explotación.
El reparto de la potencia es probablemente el aspecto más importante cuando
se evalua este tipo de sistema de propulsión para un barco. Hay que sopesar detenidamente varios factores. El tamaño
de la planta de energía eléctrica es importante, ya que afecta a la eficiencia de
la propulsión de todo el sistema. Las
pérdidas del sistema eléctrico entre los
generadores y la unidad propulsora
Azipod® son mayores que en el sistema
mecánico. De aquí viene la importancia
Revista ABB 3/2005
Barcos ecológicos
5
Comparación entre CRP y Ropax de
doble hélice
Doble hélice
6
La distribución de la potencia se puede
seleccionar flexiblemente sin reducir la
eficiencia de la propulsión.
CRP
Pdaks
10% difference at 29kn
30.00
P (MW)
Ps (kW)
Plot
40.00
60000
50000
Pdpod
40000
20.00
Propulsión CRP Azipod® en
funcionamiento
10.00
30000
0.00
20000
26
27
28
29
30
31
35
32
del tamaño de la unidad Azipod®. Cuando se selecciona un tipo Azipod® es preciso considerar la eficiencia del sistema
completo, desde un punto de vista mecánico, eléctrico e hidrodinámico.
En este caso, tras estudiar varias configuraciones diferentes de maquinaria, se seleccionaron las posibilidades siguientes:
Configuración 1:
Azipod® de 10 MW
Hélice de paso regulable (CP) impulsada por dos motores diesel Wärtsilä
de velocidad media, con una potencia
instalada conjunta de 33,6 MW
Potencia total de propulsión (potencia de la unidad Azipod® + hélice
CP): 43,6 MW
Configuración 2:
Azipod® de 19 MW
Hélice de paso regulable (CP) impulsada por dos motores diesel Wärtsilä
de velocidad media, con una potencia
instalada conjunta de 23,2 MW
Potencia total de propulsión (potencia de la unidad Azipod® + hélice
CP): 42,2 MW
Diseño de las hélices
Se diseñaron dos pares de hélices CRP
para conseguir la máxima eficiencia posible, teniendo en cuenta la cavitación y
los niveles de impulsos de presión. La
tarea era un gran reto, ya que la alta
carga de las hélices y el concepto CRP
con el uso de góndolas hacían más
complejo el análisis.
Fueron necesarios muchos cálculos para
fundamentar la elección del diámetro de
hélice, velocidad del eje, distancia entre
las dos hélices y reparto de potencia
entre ellas.
Se llevaron a cabo pruebas de propulsión con hélices y unidades Azipod®
para determinar el efecto del reparto de
la potencia entre la hélice principal y la
hélice con unidad POD. Se hicieron dos
series de pruebas: Se utilizaron dos paRevista ABB 3/2005
40
45
50
55
Power ratio
Vs (kn)
res de hélices principales y unidades
Azipod® alternativas y para cada combinación se aplicaron cuatro repartos de
potencia diferentes. La velocidad en
todas estas pruebas fue de 29 nudos.
Los resultados de las pruebas 6 indican
claramente que la distribución de la potencia se puede seleccionar flexiblemente sin que por ello se reduzca significativamente la eficiencia de la propulsión.
Resultados del estudio hidrodinámico
El proyecto tenía como objetivo estudiar
el efecto del reparto de la potencia entre las hélices sobre la eficiencia total de
la propulsión y la demanda de potencia
del barco. La forma del casco fue la
misma en todas las pruebas. Estos datos
son importantes porque la distribución
de potencia entre la unidad eléctrica
POD y la hélice mecánica influye en
muchos aspectos del diseño y en el
rendimiento total del barco, en los costes de la inversión, en las pérdidas de
transmisión y en el espacio necesario
para la maquinaria. El estudio tenía por
objeto identificar los efectos sobre la
eficiencia hidrodinámica y la demanda
de potencia.
Los resultados indican que la eficiencia
de la propulsión permanece prácticamente invariable en un amplio rango de
reparto de la potencia. Esto significa
que la potencia de la unidad POD puede mantenerse baja, dando así a los diseñadores del barco más flexibilidad pa7
ra seleccionar la maquinaria del mismo.
Sin embargo, la unidad POD no se debe
reducir demasiado. El límite no está en
el reparto de potencia sino más bien en
la potencia que se puede aplicar a la
hélice mecánica. Si la carga de esta hélice es demasiado alta se pueden producir fenómenos indeseables, como la
cavitación y los impulsos de presión.
Transbordador ropax Akashia
en Japón
El concepto de propulsión CRP Azipod®
se ha aplicado a dos transbordadores
rápidos que operan en Japón. Los transbordadores Hamanasu y Akashia de
Shinni Honkai 7 llevan en servicio desde junio de 2004. Los barcos se construyeron en el astillero Heavy Industries
que Mitsubishi tiene en Nagasaki. El concepto operacional se basa en una elevada velocidad de crucero (30,5 nudos).
Los barcos tienen una hélice principal de
paso regulable, de 24,4 MW, impulsada
por motores diesel de velocidad media y
una unidad Azipod® de 17,6 MW.
Se ha comparado el ahorro de combustible conseguido con este concepto con
el de buques con ejes convencionales
de transmisión. Según informa la compañía explotadora, el consumo de combustible de un buque convencional es
más del 20 por ciento superior, en el
mismo servicio, que el de los transbordadores con propulsión CRP Azipod®.
Las emisiones se reducen en la misma
proporción.
Conclusión
El uso de la transmisión de energía eléctrica y tecnología CRP proporciona un
ahorro considerable a las compañías
navieras gracias a la reducción del
consumo de combustible, a los menores
costes de mantenimiento y la mayor
flexibilidad durante el diseño del barco.
Otra importante ventaja es que se reduce la contaminación, un factor que
ganará en relevancia a medida que la
legislación medioambiental se vaya
haciendo más estricta.
Matti Turtiainen
ABB Drives
Helsinki, Finlandia
[email protected]
Footnotes
1)
Véase también ‘Giro decisivo: CRP Azipod®
impulsa la eficiencia de la propulsión marina’,
Matti Turtiainen, Revista ABB 1/2003.
2)
Un barco ropax es un buque trasbordador de
carga horizontal (roll-on roll-off) que también ofrece
grandes comodidades a los pasajeros.
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