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Revolución en el ámbito naval: posibilidades del buque propulsado por hidrógeno u otros electro-combustibles

Futuro buque de hidrógeno GAIA (Fuente: C-Job Naval Architects)

Las aspiraciones de las emisiones de CO2 desde buques, establecidas por la Organización Marítima Internacional (OMI), son que en el año 2050 se emita sólo el  50 % de lo que se emitía en 2008, por lo que los buques futuros deberán contaminar la cuarta parte de que lo están haciendo ahora los que se propulsan con gasoil marino. Se trata de tecnologías que tarde o temprano terminarán siendo adoptadas por los buques militares.

Por ello, en la actualidad continua la preocupación sobre el impacto ambiental que los buques y la industria marítima provocan, ya que las mejoras previstas, tanto en el campo de la hidrodinámica, como de las tecnologías de propulsión y de ahorro energético a bordo, indican claramente que, sin cambios revolucionarios, no será posible llegar a la reducción del CO2 esperada.

A fecha actual la inmensa mayoría de los buques del mundo están propulsados por motores diésel alimentados con combustible líquido, el gasoil marino. Por ello, en la búsqueda de soluciones alternativas ha empezado la carrera por la búsqueda de combustibles alternativos. Fruto de esa búsqueda, en los últimos años se está hablando mucho del amoniaco, del metanol, y también destaca como opción de futuro, el hidrógeno.

Pero la realidad es que de momento la mayor parte de los buques mercantes y de guerra se propulsan con tradicionales motores diésel que queman “gasoil marino”: bien combustibles pesados (fuelóleo pesado, Heavy Fuel Oil o HFO), bajos (gasoil marino contenido, Marine Diesel Oil o MDO), o de muy bajo contenido de azufre (Low-Sulfur Heavy-Fuel Oil o LSHFO), pero que no resuelven el problema de las emisiones de CO2.

Buque propulsado por LNG (Fuente: Harbourpilot)

Opciones propulsivas

Los barcos suelen utilizar un tipo de combustible que contiene altos niveles de sustancias químicas y partículas nocivas. Las emisiones resultantes tienen altos niveles de óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), monóxido y dióxido de carbono (CO, CO) y un alto nivel de material particulado (PM); y las concentraciones varían según la posición, el movimiento y la velocidad del barco.

El motivo de su extendido uso se basa en que estos combustibles son fáciles de transportar a presión atmosférica y a temperatura ambiente, ya que se trasiegan con facilidad por las tuberías, y se adaptan bien a los espacios disponibles dentro de los buques, con un aprovechamiento de casi el cien por cien del volumen de los tanques.

A la vista de que estos combustibles no eran una opción de futuro, en el pasado cercano se apostó por el gas natural licuado, el famoso LNG. En referencia al gas natural licuado, veinte años después de su introducción como combustible marítimo, en la actualidad existen más de quinientos barcos alimentados con este combustible, sin contar los buques metaneros puros.

En España, la empresa Balearia apostó en este sentido, y ha invertido 480 millones de euros en “remotorizar” cinco barcos y en construir otros cuatro más, dotados de motores duales que pueden quemar, o bien LNG, o bien gasoil tradicional. Pero esta opción solo se puede considerar de transición, porque tampoco cumple las expectativas de la OMI.

Ante esta situación, el amoniaco, el metanol y el hidrógeno están despertando el interés de algunos de los actores involucrados en la transición energética del sector marítimo. Un camino hacia la descarbonización podría ser el utilizar en los motores combustibles líquidos con propiedades físicas o químicas similares al gasoil marino, pero fabricados artificialmente, con CO2 extraído de la atmósfera. Pero existen dudas sobre si la oferta existente será suficiente (aunque haya que fabricarlos) para que se puedan imponer en el mundo marítimo.

Aparte del posible uso del hidrógeno como combustible, otra posibilidad sería que varios de los biocombustibles y e-combustibles distintos del hidrógeno, pudieran a su vez usarse (de manera independiente, o mezclados), como vectores de hidrógeno, para facilitar el transporte, y posteriormente extraer de ellos el hidrógeno que contienen mediante procesos llamados de reformado (similares a la regasificación del LNG).

Por lo tanto, y resumiendo, desde el punto de vista de la tecnología propulsiva de buques, existirían dos soluciones: el hidrógeno, o los electro-combustibles.

Ferry de hidrógeno (Fuente: IMO)

El Hidrógeno y la pila de combustible

La pila (o celda) de combustible nace de la necesidad de obtención de electricidad a partir de la combinación del oxígeno con el hidrógeno, existiendo diferentes tipos, dependiendo de las aplicaciones en las que se quiera utilizar. Las células de combustible poseen un gran potencial para su uso a bordo, tanto en barcos mercantes como en buques de guerra.

Estas potencialidades se pueden resumir en: generación de energía eléctrica (de emergencia o de distribución en el buque); potencias pequeñas para propulsión en modos especiales (por ejemplo, silencio); y suministro de energía eléctrica en buques equipados con propulsión eléctrica. Otro campo de interés es la propulsión independiente del aire (AIP por Air Independent Propulsion), muy importante en submarinos.

Por lo tanto, la célula de combustible (fuel cell) es un convertidor electroquímico directo de energía. Transforma la energía química de ciertos compuestos directamente en energía eléctrica. Dicha transformación la realiza sin recurrir a un ciclo termodinámico. El criterio de clasificación más común es el que hace referencia al electrolito utilizado.

Por ello, sólo con hidrógeno puro, se pueden alimentar las celdas de combustible que generan electricidad sin emisiones de CO2 y podrían alimentar motores eléctricos para propulsión y otros servicios del buque. De hecho, ya existen buques que poseen esta tecnología, principalmente prototipos, ferries y barcos de crucero, y también algunos submarinos.

En ellos existen dos posibilidades de almacenamiento y transporte del hidrógeno a bordo: comprimido o líquido. Pero el hidrógeno comprimido solo parece aplicable para barcos de pequeño porte, por lo que en la mayoría de los buques mercantes habría que plantearse el almacenarlo líquido y a una temperatura de -253 ºC.

Los buques candidatos a propulsarse por estas células de combustible son los ferris que operan en rutas cortas o aguas interiores, debido a su relativa baja necesidad de potencia, y a las frecuentes posibilidades de poder repostar. Los barcos de pasaje también se beneficiarán de la reducción del ruido y las vibraciones.

Pero de momento, a pesar de presentar buen rendimiento y poco consumo, no se está apenas optando por esta vía. El problema radica principalmente en la baja densidad del hidrógeno (peso atómico: 1,008), que implica que el hidrógeno ocupe mucho volumen. Por ello los buques tendrían que estar dotados de grandes tanques de hidrógeno, que a su vez aumentarán el coste del buque y le añadirán nuevos riesgos, al tener que enfriar el hidrógeno hasta regasificarlo.

Buques propulsados por gasoil marino y LNG (Fuente: Harbourpilot)

Electro-combustibles líquidos

Los inconvenientes del uso del hidrógeno han abierto la puerta en los últimos años a la posibilidad de que el hidrógeno se pudiera transportar en forma de un compuesto químico, tipo bio-etanol, del que después se pudiera extraer el hidrógeno mediante un proceso de transformación, al estilo de cómo hacen algunos submarinos.

Pero ya pensando de manera más práctica, se encontró la posibilidad de poder usar directamente un vector del hidrógeno como combustible, por ejemplo, metanol, y así poder aprovechar los motores diésel tradicionales, evitando las celdas de combustible, de mayor coste.

Los motores actuales ya pueden quemar, y de hecho alguno ya lo quema, tanto gas natural como metanol. Aunque ninguno apuesta al 100 % por ellos, sino que consisten en motores duales que también queman gasoil marino. En cualquier caso, el metanol hasta ahora se usaba como combustible en buques que transportaban metanol, y poco más, salvo proyectos experimentales.

Pero ahora se está dando un paso importante y grandes navieras de portacontenedores están contratando buques a base de metanol, a partir de 2023. Y fruto de esas carteras de buques, las navieras buscan suministro asociándose con productores de metanol, porque saben que a medio plazo podría escasear.

Estas características del metanol, unidas a la alta toxicidad y alto poder de corrosión del amoniaco, convierten a este combustible en el líder de la carrera hacia la descarbonización, por tratarse de un combustible líquido a temperatura y presión ambiente, lo que facilita el almacenamiento y trasiego a bordo. Aunque como aspecto negativo, hay que recordar que el metanol es tóxico, y sus vapores también lo son, por lo que habrá que transportarlo cumpliendo con normas específicas que aún no están plenamente desarrolladas por las sociedades de clasificación.

Conclusiones

La flota marítima mundial está propulsada principalmente por motores diésel que funcionan con fueloil marino, pero en la actualidad también existen barcos alimentados por LNG, y el año próximo aparecerán en escena, de manera comercial, los grandes buques alimentados por metanol u otros combustibles líquidos, con motores duales, para cumplir los requisitos mínimos exigidos por la OMI.

En la actualidad el hidrógeno no se transporta como carga marítima, y las experiencias como combustible marino se limitan a proyectos de buques prototipo. Sin embargo, las tecnologías de metanol son más maduras, y ya existen usos comerciales.

Los buques del futuro podrían decantarse tanto por los motores, como por las celdas de combustible, dependiendo de la evolución tecnológica, los costes, la logística de combustibles y las consideraciones operativas. También es probable que la solución óptima dependa del uso del buque y de la zona geográfica de operación.

La posible conversión de los actuales motores duales “fuel-LNG”, a duales “fuel-metanol”, podría hacer que todavía se siga apostando por los primeros, dejando la opción de quemar metanol, como más futura.

(Raúl Villa Caro, Académico de las Artes y las Ciencias Militares, Sección de Prospectiva de la Tecnología Militar)


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