Barcos que reciclan energía para reducir las emisiones del transporte marítimo

El cambio climático es una amenaza real contra la que se están tomando medidas en todo el mundo reflejadas en iniciativas políticas como el Pacto Verde europeo y en otras acciones firmadas en la última cumbre sobre el cambio climático, la COP26.

Profundizando en las medidas propuestas, está claro que la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) es fundamental para evitar que el aumento de la temperatura global del planeta no supere los 1,5 grados para 2030.

Las emisiones del transporte

Si se analizan las emisiones de GEI por sectores, se puede comprobar cómo el transporte supone un 16,2 % de todas las emisiones.

Se espera que la electrificación del transporte –es decir, cambiar los vehículos que funcionan con combustibles fósiles por vehículos eléctricos– desempeñe un papel importante para cumplir con los objetivos medioambientales señalados. A modo de ejemplo, se estima que en 2019 todos los vehículos eléctricos evitaron el consumo de al menos 0,6 millones de barriles de petróleo por día de forma global.

Sin embargo, pese a que se aprecia una tendencia creciente en la electrificación de vehículos de uso particular, en el caso de vehículos destinados al transporte aéreo o marítimo su desarrollo está aún lejos del de los coches.

Centrándonos en el transporte marítimo, la gravedad del problema de las emisiones generadas se refleja en el hecho de que si se elaborara un ranking de emisiones por países y se considerara el transporte marítimo como un país, sus emisiones se encontrarían en sexta posición.

Proyecto eCCoSHIP

En el proyecto eCCoSHIP, en el que participamos investigadores de la Universidad de Huelva y de la Universidad de Jaén, proponemos la electrificación de barcos para reducir sus emisiones.

Los barcos se propulsan mediante motores diésel de gran potencia que tienen un rendimiento en torno al 50 %. Esto quiere decir que un 50 % de la energía térmica del combustible se pierde en forma de calor residual por los gases de escape (como los que salen en los coches por los tubos de escape). La temperatura de estos gases es de entre 325 y 500 ?, por lo que utilizando un sistema adecuado se podría recuperar parte de su energía térmica.

En el proyecto eCCoSHIP proponemos el uso de un sistema de recuperación de ciclo orgánico de Rankine, conocido como ORC por sus siglas en inglés. Su funcionamiento es similar al de una central térmica en la que se genera vapor de agua en una caldera y se hace pasar dicho vapor por una turbina para producir electricidad.

En el caso del ORC, se sustituye el agua por un fluido orgánico que se evapora a menor temperatura, lo que nos permite utilizar los gases de escape en un intercambiador que sustituiría a la caldera.

Los sistemas de propulsión de los barcos

Ya sabemos que se puede recuperar energía de los gases de escape mediante un sistema ORC. La cuestión es que dicho sistema produce electricidad. Para poder aprovechar esta electricidad, ha de ser utilizada en el propio barco.

Existen dos sistemas de propulsión para barcos: propulsión mecánica y eléctrica.

• Los barcos de propulsión mecánica funcionan de forma similar a los coches convencionales. En los coches, el motor diésel se conecta mecánicamente con las ruedas que mueven el vehículo, mientras que en los barcos lo que se accionan son las hélices que propulsan el barco. En estos barcos es difícil reutilizar la electricidad que se genera en el ORC.

• En los sistemas de propulsión eléctrica, el motor diésel acciona un generador eléctrico que alimenta una red a la que se conectan motores eléctricos que accionan las hélices del barco. En este caso, la electricidad generada por el sistema ORC podría inyectarse en la red y reutilizarse para la propulsión del barco.

Problemas y soluciones

El problema de conectar la turbina del sistema ORC mediante un generador al resto de la red eléctrica del barco es su sincronización con el resto de generadores conectados a motores diésel. Esta sincronización requiere que los generadores que se conecten en paralelo han de cumplir unas condiciones específicas, como por ejemplo tener su sistema de tensiones en fase.

Como solución, se plantea utilizar redes de corriente continua en las que no es necesaria la sincronización de los generadores. Sin embargo, la correcta operación de dichas redes requiere un diseño adecuado de sistemas de control para sus convertidores de potencia.

Un sistema para ahorrar combustible

En resumen, el proyecto eCCoSHIP propone el uso de redes de corriente continua sustituyendo a redes de corriente alterna en barcos con propulsión eléctrica. Esto permite la inclusión de sistemas de recuperación de calor residual y también que los motores diésel puedan funcionar alrededor de su velocidad óptima.

Ya hay estudios que han comprobado de forma experimental que se puede lograr hasta un 20 % de ahorro de combustible haciendo que los motores operen de esta forma.

Además, el cambio de la red de corriente alterna por una de corriente continua aporta otras ventajas en cuanto a eficiencia energética a través de reducciones en el peso del barco y el espacio disponible en su interior, mejorando estos parámetros hasta en un 30 %.