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Proyecto JOULES

El proyecto JOULES (Joint Operation for Ultra Low Emission Shipping) tiene como objetivo principal la reducción de gases de efecto invernadero producidos por sector marítimo europeo. El proyecto está subvencionado por la Unión Europea bajo el amparo del 7º Programa Marco y está coordinado por el astillero alemán Flensburger Schiffbau-Gesellschaft. Comenzó en junio de 2013 y durante estos últimos cuatro años un consorcio de 39 empresas hemos trabajando con el objetivo común encontrar sistemas de valoración y evaluación de la eficiencia energética global del buque en todo su ciclo de vida, desde su construcción hasta su desguace.

Objetivos de reducción de máximos niveles de gases de efecto invernadero para cada tipo de buque

Para alcanzar este objetivo la metodología principal utilizada ha sido el desarrollo de modelos de componentes energéticos del buque, mediante la integración de tecnologías de mejora de eficiencia energética en un modelo de gestión energética global del buque que pueda ser utilizado desde etapas tempranas de definición conceptual, y dentro de un entorno de simulación avanzada multidisciplinar.

En el proyecto JOULES, fabricantes y diseñadores de tecnología, expertos en simulación y modelos, y astilleros hemos unido nuestros conocimientos para desarrollar conceptos innovadores de once casos de aplicación que se han clasificado en 5 áreas fundamentales: Buques de Pasaje, Cruceros, Buques de Trabajo, Buques Offshore, Cargueros). Cada uno de estos casos de aplicación con un objetivo de reducción de gases de efecto invernadero, y paralelamente otros gases contaminantes como los óxidos de nitrógeno o azufre.

Para conseguir los objetivos del proyecto, inicialmente se pensó en la utilización de dos herramientas básicas: la Simulación de Modelos de Gestión Energética Global (Energy Grid Model) del buque y Modelos de Evaluación de Funcionamiento del Ciclo de Vida (Life Cycle Performance Assessment). Finalmente se ha desarrollado una metodología completa de evaluación de tecnologías y sistemas orientados a la mejora de la eficiencia energética del buque, compuesta por:

  1. Base de datos web de modelos de componentes, desarrollados por los fabricantes de los equipos de acuerdo a los requisitos del proyecto, y con una interfaz de integración de herramientas de simulación tipo Matlab – Simulink, conocida como FMI (Functional Mock Up).
  2. Modelos Energéticos Globales del buque, con el fin de valorar y obtener la configuración energética óptima en el buque mediante el desarrollo de simulaciones cuasi-estática o dinámicas.
  3. Listado de Combustibles, donde se indican las propiedades físicas y químicas de los distintos tipos de combustible, junto con datos globales de impacto ambiental desde su fabricación hasta su utilización (“well to tank”), y previsiones del precio del combustible de acuerdo a diferentes escenarios sociales y políticos.
  4. Modelos de Ciclo Comportamiento de Ciclo de Vida en los que se han integrado las siguientes metodologías:
    • Evaluación de Comportamiento del Ciclo de Vida para dirigir los impactos medioambientales mediante el uso de KPIs.
    • Evaluación financiera con el Valor Actual Neto (VAN) como KPI.
    • Económica e Integración Medioambiental.
  5. Interfaz estandarizada de importación de resultados de simulación de los Modelos Energéticos del Buque al Modelo de “Life Cycle Performance Assessment” LCPA.
  6. Base de datos donde se almacenen los factores de emisiones para la Evaluación de Actuación del Ciclo de Vida, y costes específicos de componentes. 

De manera general para la evaluación de las mejoras en eficiencia energética, cada caso de aplicación ha realizado tres modelos energéticos del buque, correspondientes tres escenarios temporales y de diseño: línea base actual (diseño de referencia), diseño esperado para el 2020, y diseño del 2050. Los resultados de emisiones de CO2, NOx, SOx, HC, PM y CH4, se han exportado al Modelo de Comportamiento del Ciclo de Vida, para la valoración no sólo de la operación del buque, sino de otros aspectos como emisiones o coste de energético durante la elaboración de combustibles o los materiales que componen el buque, u aspectos económicos de fabricación, operación y desguace.

Base de datos de componentes y tecnologías

Diseñadores y fabricantes expertos en cada tecnología entre los que se encuentran MAN Diesel & Turbo, Rolls Royce, Wartsila, o Saft han desarrollado los modelos de componentes, recibiendo el apoyo para la validación y verificación de los modelos de institutos tecnológicos y de investigación europeos como la Universidad Delft o la Universidad de Hamburgo, y sociedades de clasificación como el DNV-GL y el Bureau Veritas. La lista completa de los participantes del proyecto puede consultarse en la página web del proyecto. (http://www.joules-project.eu/Joules/index.xhtml).

Los modelos de componentes están disponibles en una base de datos con acceso web para su descarga por parte de los usuarios para integración en los modelos energéticos y la realización de las correspondientes simulaciones. Puesto que las herramientas de simulación utilizadas por los participantes del proyecto son diferentes, se ha seleccionado una herramienta de intercambio de modelos conocida como “Functional Mock Up”, que permite que una vez traducidos y mediante variables de entrada y salida, los modelos puedan utilizarse en diferentes plataformas preservando los derechos de propiedad intelectual e industrial

La validación y verificación de los modelos se realiza en dos fases. Una primera validación basada a nivel componente, en la que los datos de funcionamiento real se comparan con los modelos, y una verificación final a nivel sistema en la que en la que se realizarán demostradores de ciertos sistemas seleccionados.

Cualquier nuevo componente que queramos instalar en el buque, requiere un coste de construcción, instalación y operación. Mediante la valoración desde las etapas iniciales del diseño del buque se pueden obtener estimaciones de consumo energético, así como de consumo de materiales. Finalmente se dispone de una base de datos de modelos de componentes que permite al diseñador integrar los modelos en sus simulaciones, y obtener resultados y evaluaciones en poco tiempo.

Las tecnologías que se han estudiado, se pueden clasificar en dos grupos fundamentales:

  • Tecnologías que reduzcan el consumo energético
  • Tecnologías que reduzcan las emisiones contaminantes

Tecnologías de reducción de emisiones

Existen en la actualidad numerosos estudios de prospección tecnológica que intentan augurar qué soluciones serán adoptadas dentro de 20 ó 40 años en el campo de la propulsión marina, y algunas de ellas intentan tener en cuenta las influencias de factores económicos y socio-políticos que puedan desviar las tendencias hacia unas tecnologías u otras. En el proyecto JOULES, las tecnologías de mejora de eficiencia energética y reducción de emisiones se han clasificado en siete grandes grupos abarcando tecnologías de producción de energía, consumidores y postratamientos.

  • Convertidores de energía primarios

Los convertidores de energía primarios se encargan principalmente de la propulsión y representan la forma más primaria de generación de potencia del buque. Habitualmente son motores diésel que transforman la energía almacenada en forma de combustible en energía mecánica. Puesto que son los principales productores de energía son los principales causantes de las emisiones contaminantes. Por esta razón, los diseñadores de motores diésel se han visto obligados en los últimos años por regulaciones internacionales y locales, a intensificar sus esfuerzos en la mejora del impacto ambiental de estos equipos. El resultado se ve reflejado en que los modelos actuales ofrecen mejores rendimientos y menores emisiones que sus versiones anteriores. En el campo de los combustibles ha habido igualmente importantes avances orientados a la reducción del óxidos de azufre, con combustibles con muy bajo porcentaje de azufre, o la utilización de gas natural, en los conocidos como motores duales que pueden consumir tanto combustible líquido como gas natural.

Otras tecnologías de producción de potencia que utilizan combustibles más respetuosos con el medio ambiente comienzan a tener una importancia relevante, como las turbinas de gas, los motores de gas, o las pilas de combustible.

Independientemente de las tecnologías disponibles en la actualidad, la tendencia en los próximos años estará muy influenciada por la evolución de los precios del combustible y la adecuación de infraestructuras de suministro de combustibles alternativos como el gas natural.

En el proyecto JOULES se han desarrollado modelos de diferentes tipos de convertidores primarios, como los motores diésel de media y alta velocidad, motores duales, motores de gas, turbinas de gas, y pilas de combustible.

En el proyecto se ha orientado la optimización de los convertidores primarios, mediante un control inteligente de estos sistemas, y apoyándose en la mejora de la distribución y la gestión de la energía aprovechando los últimos desarrollos de máquinas eléctricas, sistemas de almacenamiento de energía eléctrica y la electrónica de potencia. Por otro lado, en las simulaciones se ha evaluado la influencia de utilización de diferentes tipos de combustibles, y la posibilidad de utilización de postratamientos de los gases de exhaustación tanto para la limpieza de los gases como para el aprovechamiento de la energía.

  • Convertidores de energía secundarios

Los convertidores secundarios son todos aquellos equipos del sistema energético del buque que transforman la energía en una forma que sea aprovechable para una determinada función. El ejemplo más habitual son los motores eléctricos que transforma la energía eléctrica en mecánica, o los sistemas de aprovechamiento de la energía de los gases de escape, que utilizan el calor de los gases para producir electricidad. Todas las transformaciones de energía conllevan unas pérdidas por lo que la optimización de estos equipos y sistemas será crucial en el planteamiento de alternativas más eficientes.

Turbina de vapor MAN MARC (© MAN)

Las tecnologías consideradas en el proyecto incluyen los nuevos desarrollos de motores eléctricos orientados al incremento de la densidad de potencia y la eficiencia, como los motores de inducción avanzados o los motores de imanes permanentes. Dentro de este campo, varios casos de aplicación evaluarán la conveniencia de utilización de sistemas generación de potencia tipo “power-take-off”, combinada con propulsión eléctrica “power-take-in”, en la que la misma máquina gracias a la utilización de la electrónica de potencia, puede tener un funcionamiento dual.

Dentro de este grupo de tecnologías se evaluarán también los sistemas de aprovechamiento de la energía, tanto de gases de escape como de los sistemas de refrigeración. Las tecnologías estarán basadas en sistemas de turbinas de vapor, enfriadores de absorción y Ciclos de Rankine Orgánicos.  

  • Propulsión

La eficiencia energética en la propulsión consiste en encontrar el sistema óptimo de transformación de la energía mecánica rotativa de los motores, diésel o eléctricos, en el avance del barco. En el proyecto se han considerado diferentes tipos de barcos, y por tanto, los sistemas de propulsión van desde la hélice directamente acoplada, hasta hélices contra-rotativas, pasando por sistemas azimutales. Mediante la utilización de modelos parametrizables de diferentes propulsores en cada caso de aplicación será posible evaluar la mejora de eficiencia global en el buque, con diferentes alternativas de propulsión.

  • Postratamiento de gases de exhaustación

Durante la combustión, los componentes contaminantes contenidos en el combustible, pasan a los gases de escape, en forma de óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas sólidas en suspensión. Todos estos componentes son dañinos tanto para la salud como para el medio ambiente. Los óxidos de azufre producen acidificación, los óxidos de nitrógenos eutrofización, y las partículas sólidas en la atmósfera son causantes de cáncer de pulmón.

En la actualidad existen diferentes técnicas para la eliminación de estos contaminantes de los gases de escape, comenzando desde la utilización de combustibles alternativos más limpios, como el LNG o los combustibles con muy bajo porcentaje de azufre, hasta el tratamiento de gases. Los principales sistemas utilizados son los depuradores de azufre conocidos como scrubbers, los SCR (Selective Catalytic Reduction) que reducen los óxidos de nitrógeno, y los filtros de partículas sólidas en suspensión.

A través de las simulaciones, se calcularán la reducción de emisiones de estos sistemas y su impacto en la reducción global a lo largo de toda la vida del buque. En esta evaluación, es importante no olvidar que los sistemas de tratamiento de gases conllevan consumos adicionales de otras sustancias como la urea, y que por supuesto requieren un mantenimiento.

  • Almacenamiento y distribución de electricidad

Sistema marino Seanergy 41MFe (© Saft)

El almacenamiento, distribución y conversión de la electricidad desde el punto de producción, normalmente motores diésel, hasta los consumidores, conlleva una transferencia de energía y por tanto pérdidas. La optimización de este sistema ofrece por tanto una gran oportunidad de ahorro energético. Concretamente, los sistemas de almacenamiento de electricidad, son especialmente interesantes siempre que existan perfiles operativos con demandas de potencia con mucha variación en pequeños rangos de tiempo. En estos casos, el sistema de almacenamiento de electricidad permitirá que los generadores trabajen a cargas más estables y eficientes, almacenando energía durante la baja demanda, y aportado en los picos de demanda. Al mismo tiempo este sistema permite en muchos casos reducir el tamaño de la planta eléctrica, manteniendo las capacidades del buque.

Mediante la utilización de modelos se optimizarán las arquitecturas de distribución y conversión eléctricas, teniendo en cuenta la capacidad de almacenamiento eléctrico más apropiada para las necesidades de cada caso de aplicación.

Se han desarrollado modelos de componentes de conversión eléctrica como convertidores de frecuencia, inversores, rectificadores, transformadores, así como modelos de diferentes sistemas de almacenamiento de electricidad, como baterías de Li-ion, volantes de inercia, o ultracondensadores.

  • Consumo a bordo

Los diferentes consumidores a bordo dependerán mucho del tipo y función del buque, aunque de manera general uno de los principales consumidores es el sistema de aire acondicionado, calefacción y ventilación (ACCV).

Se ha desarrollado conjuntamente un modelo de ACCV integrado con un modelo de consumo energético de los camarotes. El modelo de camarote incluye modelos de sistemas y equipos habituales como ventiladores, enfriadores, calentadores, y deshumificadores. La unión del modelo de camarote junto con el de ACCV, permitirá realizar una valoración del consumo energético y del control ambiental de manera integrada.

  • Renovables

Recolector de energía eólica en sistemas de propulsión marina (© TU Deflt)

Las fuentes de energía renovables son siempre una alternativa inagotable y limpia a tener en cuenta. Si bien debido a la baja densidad de potencia de las tecnologías actuales no pueden considerarse como productores primarios que sustituyan a los motores diésel, pueden utilizarse como fuente complementaria y limpia que reduzca la demanda de combustible fósiles y por tanto las emisiones.

Las dos principales fuentes de energía renovables que se consideran en el proyecto JOULES son la energía solar fotovoltaica y la eólica. Respecto a la energía eólica, uno de los casos de aplicación desarrollará modelos de propulsión eólica para buques de carga con velas, con el objetivo de valorar la viabilidad técnica futura de esta tecnología. También ha centrado su atención, en el desarrollo de sistemas de propulsión eólica prácticos y comercialmente viables para propulsión parcial o total.

El Programa de Predicción de Comportamiento en la mar, desarrollado por la Universidad Tecnológica de Delft, se está ya analizando ya en diferentes astilleros que están valorando diferentes configuraciones alternativas.

Simulación del modelo energético global del buque

Todas estas tecnologías orientadas al ahorro energético y reducción de emisiones en la industria marítima, han tenido en los últimos años un importante avance, motivado principalmente por las regulaciones impulsadas por la Organización Marítima Internacional, IMO. Pero el análisis individual de las tecnologías no permite una valoración real de las alternativas posibles. Si en lugar de centrar la atención en un componente concreto, se extiende a un modelo global energético del buque el potencial de mejora se incrementa considerablemente. Para la realización de este tipo análisis ya no son válidos los cálculos tradicionales realizados con Excel, pues el incremento de complejidad hace necesaria la utilización de herramientas de simulación numérica avanzada, que permitan comparar de una manera razonable los diferentes sistemas.

  • Planteamiento de las alternativas de eficiencia energética

Una vez los fabricantes de tecnologías realizaron el estudio del estado de la tecnología para aportar al proyecto un cuerpo de conocimiento suficientemente sólido, los astilleros analizamos las posibles alternativas de generación y consumo de energía (principalmente propulsión) tomando como referencia la configuración de nuestros buques de base, conjuntamente con su perfil operativo específico.

Para poder valorar las posibles mejoras obtenidas con la integración de nuevas tecnologías de eficiencia energética a nivel sistema, se han realizado modelos de buque para el buque de referencia, y para los diseños 2020, 2050.

Los resultados de estas simulaciones están orientados principalmente a la valoración de consumo de combustible y emisiones de gases contaminantes bajo las condiciones de operación establecidas en cada caso de aplicación.

Evaluación de comportamiento en el ciclo de vida

Los resultados obtenidos en las simulaciones de los modelos energéticos de buque, se han utilizado para realizar una Evaluación del Comportamiento del Ciclo de Vida. Los principales indicadores (KPIs) que han tenido en cuenta en las herramientas son los siguientes:

  • Demanda de Energía Acumulada (Cumulated Energy Demand, CED), dirigido al agotamiento de recursos.
  • Potencial Calentamiento Global (Global Warming Potential, GWP), dirigido al cambio climático.
  • Potencial de Acidificación (Acidification Potential, AP), dirigido a los daños como por ejemplo, la lluvia ácida.
  • Potencial de Eutrofización (Eutrophication Potential, EP), dirigido a la sobre-fertilización y zonas marinas sensibles.y
  • Potencial de formación de aerosoles, (Aerolsol Formation Potential AFP: dirigido al daño a la salud debido a la materia particulada.

Metodología de evaluación integrada

El principal indicador que se ha considerado es el Potencial de Calentamiento Global (GWP) de cada tecnología. El GWP está definido como la combinación del efecto de las emisiones de CO2 y metano (CH4) teniendo en cuenta la contribución sobre el indicador desde la fabricación de combustible hasta su consumo, mediante los conceptos, “del pozo al tanque” (“well to tank”), o “del pozo a hélice” (“well to propeller”). El impacto climático está referido a un horizonte de 100 años.

Comparación de KPIs para alternativas de diseño

Por último, la Metodología de Evaluación Económica e Integración Medioambiental abarca los KPIs medioambientales en conjunto, y añade un indicador adicional, el Valor Actual Neto (VAN). La evaluación económica compara las distintas soluciones tecnológicas implementadas teniendo en cuenta aspectos financieros, como los costes de combustibles, costes de inversión, costes de extracción, etc.

Finalmente, ambas contribuciones se integran en la herramienta de “Life Cycle Performance Assessment”, LCPA, consiguiendo así una metodología de evaluación holística de cada una de las configuraciones de diseño, para cada caso de aplicación. Los resultados se comparan mediantes diagramas de tela de araña, en los que la minimización del área del gráfico supone una mejora global, a pesar de que ciertos indicadores puedan tener peores características, en las nuevas configuraciones.

Resumen de casos prácticos

Se han desarrollado y evaluado 11 casos prácticos. De manera general, las alternativas de diseño propuestas están basadas en la optimización de la distribución de potencia con distintas configuraciones. Las opciones de mejora de eficiencia energéticas consideradas incluyen la propulsión híbrida, la recuperación de calor, la utilización de pilas de combustibles, la carga de baterías desde conexiones de puerto, la utilización de combustibles alternativos menos contaminantes, y las energías alternativas.

Resultados de diseños avanzados (2025) y diseños nueva generación (2050)

  • Caso de aplicación Navantia: Patrullero

El buque base que se ha tomado como referencia de diseño, es un patrullero de tamaño medio. El sistema de propulsión de este buque cuenta con dos líneas de ejes, cada una propulsada por motor eléctrico y un motor diésel, ambos acoplados a un reductor, que permitirá que trabajen uno u otro, pero no ambos a la vez. La planta eléctrica consiste en cuatro diésel generadores, con

suficiente capacidad para alcanzar la velocidad máxima en modo eléctrico y alimentar a los consumidores del buque de acuerdo al balance eléctrico.

    • Descripción de las medias de eficiencia energética en los conceptos 2025 y 2050

En general, los diseños conceptuales 2025 y 2050 mantendrán al máximo las similitudes con el buque de referencia, de manera que se pueda evaluar de manera independiente el impacto en ahorro de consumo y emisiones de las medidas de eficiencia energética analizadas. Las áreas tecnológicas de optimización de eficiencia energética que se han considerado son las siguientes:

  • Mejora de las soluciones híbridas de propulsión de acuerdo al perfil operativo particular, (motores diésel más eficientes, configuraciones tipo PTI/PTO, “peak shaving”, etc…
  • Máquinas eléctricas de alta densidad
  • Reducción de emisiones en motores diésel (SCR)
  • Sistemas de almacenamiento eléctrico (baterías de litio ion)
  • Sistemas de conexión y recarga eléctrica a puerto

Modelo 2020 y 2050 para el caso de aplicación Patrullero

  • Sistemas de recuperación de energía (ORC)
  • Combustibles alternativos (LNG)
  • Reducción del consumo eléctrico (LED, sistema CVAA, bombas)
  • Optimización del funcionamiento hidrodinámico mediante sistema de gestión de trimado dinámico.
  • Utilización de pilas de combustible
  • Energía renovables para generación auxiliar (solar)

Los resultados de las simulaciones de los modelos desarrollados con dichas tecnologías, teniendo en cuenta sus diferentes grados de madurez tecnológica en los escenarios 2025 y 2050, arrojan un ahorro del alrededor del 20% en el GWP para el caso del 2020, y de más 65% para el 2050.

Validación experimental

Dentro del proyecto JOULES se han realizado una serie de demonstradores y ensayos con el fin de recopilar información para validar los modelos de simulación desarrollados en el proyecto.

La siguiente tabla muestra un resumen de los ensayos llevados a cabo.

Conclusiones y recomendaciones políticas

Como conclusión, los principales resultados del proyecto JOULES son los siguientes:

Utilización de modelos y simulaciones inteligentes de gestión energética, basados en modelos de componentes estandarizados como método para optimizar la eficiencia energética en buques.

Establecimiento de potenciales tecnologías (estado del arte e implantación futura de tecnologías innovadoras) que facilitan el ambicioso objetivo de reducir a corto y largo plazo la emisión de gases de efecto invernadero (GWP).

La reducción a gran escala de GWP requiere de la aceptación y del uso de combustibles sostenibles que provengan de energías renovables. Para ello, deberían compensarse los altos costes y potencia adicional requerida para su obtención, con el objetivo de poder compararlos con los combustibles convencionales.

La viabilidad económica de tecnologías basadas en el ahorro energético para reducir las emisiones de GWP no está al alcance de las condiciones de mercado actuales, por lo que su implementación requerirá apoyos con el fin de salvaguardar la sostenibilidad del medioambiente.

Como resultado de este trabajo de investigación, el consorcio de empresas que forma JOULES recomienda aplicar las siguientes medidas políticas de manera secuencial de acuerdo a su respectiva urgencia:

Garantizar las futuras regulaciones mediante calendarios y requisitos.

En caso de que se requieran nuevas regulaciones, asegurar que los niveles de exigencia estén preferentemente alineados con los niveles IMO.

Proveer de un programa a corto plazo para potenciar los sistemas de recuperación energéticos.

Actividades de patrocinadores I+D con el fin de mejorar la eficiencia, vida útil, costes, peso y empacho requerido de tecnologías innovadoras, tales como pilas de combustible, sistemas de almacenamiento energético y nuevos conceptos de distribución eléctrica.

Apoyar los sistemas de análisis intersectoriales para identificar soluciones macroeconómicamente óptimas para futuros conceptos de cero emisiones, combinando nuevas tecnologías junto con combustibles sostenibles.

Suministrar apoyo financiero a largo plazo para implementar, combustibles sostenibles provenientes de energías renovables con bajo nivel de emisión y, la integración de futuras tecnologías innovadoras en la construcción naval.

Esquema de transición hacia futuros costes neutrales con cero emisiones

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Artículo elaborado por Gema Blanco Montes

Boletín de Comunicación Interna de Navantia – N. 38 | Junio 2017