Archivo técnico: propulsando soluciones eléctricas híbridas

Por Domenic Carlucci • 26 enero 2018

Para satisfacer las demandas de una energía más limpia y eficiente, los propietarios están examinando el potencial de métodos menos convencionales de generación y almacenamiento de energía, como pilas de combustible, baterías de iones de litio, supercondensadores, volantes, eólicos y solares, para propulsar sus buques. En el sector de los botes de trabajo, donde la entrega de energía rápida es comúnmente requerida durante las condiciones de carga pico por todo, desde remolcadores hasta embarcaciones de apoyo en alta mar, la combinación de baterías de iones de litio y supercondensadores está ganando tracción en el mercado. De hecho, la asociación híbrida se está convirtiendo en una gran noticia.

Los sistemas de propulsión híbridos eléctricos no son nuevos en el envío; el sector de buques de pasajeros ha estado aplicando propulsión diesel-eléctrica durante décadas. Pero los avances recientes en la energía híbrida eléctrica y las tecnologías de almacenamiento de energía están trayendo beneficios adicionales. Al examinar esos beneficios, primero es importante diferenciar entre la propulsión híbrida y un sistema híbrido de potencia, dos conceptos que a menudo se confunden.

Definición de principios

La propulsión híbrida generalmente utiliza motores de combustión interna y generadores eléctricos para suministrar energía al eje de propulsión y propulsores, como se hace referencia en el sector de buques de pasajeros. La potencia híbrida indica al menos dos tipos diferentes de equipos generadores de electricidad (es decir, generadores diesel) o de almacenamiento (baterías de litio) para proporcionar energía para la propulsión y cargas hoteleras (que incluye control climático integrado, comunicación, entretenimiento, iluminación, refrigeración, etc.) demandas.

Los sistemas de propulsión híbridos ya se usan ampliamente en la industria marina, como los buques de apoyo costa afuera a bordo y los remolcadores de puertos. Hasta la fecha, el área del Mar del Norte ha sido el punto focal de esta actividad, impulsada por mandatos y restricciones ambientales dirigidos por el gobierno. Muchos OSV que prestan servicio en esta área han sido modernizados o construidos con sistemas híbridos. La potencia híbrida, por otro lado, está comenzando a impactar en los diseños de los sistemas de recipientes, y las tecnologías para los sistemas asociados de almacenamiento y gestión de energía están evolucionando rápidamente. Por lo tanto, los estándares de la industria para estas nuevas tecnologías aún no se han establecido.

Realizando Beneficios Potenciales

Muchos de los beneficios potenciales de la energía híbrida siguen siendo teóricos ya que la tecnología todavía es joven en el ámbito del workboat, pero los nuevos sistemas de distribución podrían mejorar las ventajas que la energía híbrida tiene sobre los sistemas de energía convencionales, incluida una mejor eficiencia energética, emisiones reducidas y eliminación de ruido.

Por ejemplo, cuando un OSV se encuentra en operaciones normales, un sistema de potencia híbrido podría reducir el número mínimo de generadores diesel que se requieren para funcionar constantemente. Esto es posible porque los sistemas de almacenamiento de energía ([ESS], es decir, baterías de litio o supercondensadores) pueden proporcionar la potencia adicional para la demanda máxima ocasional ocasionada por el cambio de corrientes u ondas.

Cuando operan en entornos más duros o en rutinas operativas más exigentes, múltiples generadores pueden funcionar a una velocidad constante y el ESS admite el sistema de distribución eléctrica con potencia adicional para aliviar el estrés de las demandas de carga adicional, como con el posicionamiento dinámico. El mantenimiento del motor, el consumo de combustible y las emisiones relacionadas con el carbono podrían reducirse considerablemente. El ESS de reacción rápida actúa como un amortiguador de energía para los generadores de arranque lento comparable para mejorar el tiempo de respuesta de la energía eléctrica y ayudar a mejorar la seguridad y fiabilidad del buque.

Como la tecnología detrás de la energía híbrida es nueva para la industria, ABS publicó recientemente varios documentos para ampliar la comprensión de la industria sobre las prácticas de seguridad asociadas, así como los beneficios y riesgos de la adopción. Éstas incluyen:

La Guía Supercapacitor, la publicación más reciente, está ayudando a establecer pautas de seguridad para los propietarios, operadores, astilleros, diseñadores y fabricantes involucrados en la producción o el uso de estas nuevas tecnologías. La industria marítima está cada vez más interesada en utilizar supercondensadores como una solución de almacenamiento de energía cuando se requiere una entrega rápida de energía durante las condiciones de pico de carga, como cuando los OSV usan propulsores eléctricos para el posicionamiento dinámico mientras se guardan las estaciones.

Otros ejemplos diversos de cómo ellos y otros sistemas de almacenamiento de energía podrían mejorar las operaciones incluyen:

Cuando se usan para la nivelación de carga o el afeitado máximo, los supercondensadores actúan como un amortiguador de energía para suministrar o absorber energía, permitiendo que los generadores funcionen a una carga casi constante. Su capacidad para optimizar la carga de energía y reducir las horas de funcionamiento puede reducir los requisitos de mantenimiento. Con una carga óptima, se puede mantener una carga promedio más alta, lo que resulta en una operación más estable y eficiente de los motores primarios.

La asociación de la batería del supercondensador podría usarse como fuentes de energía adicionales cuando se cierren los generadores. En algunos casos, se pueden usar para la prevención de apagones, fallas en la conducción y ayudar en la recuperación del apagón. También se pueden usar como parte de una fuente de energía de emergencia para servicios esenciales y de emergencia.

Embarcaciones de posicionamiento dinámico. Los supercondensadores se podrían usar para suministrar propulsores y actuar como una reserva giratoria en modo de posicionamiento dinámico y / o como potencia de reserva para el desplazamiento de fallas en buques DPS-2 o -3 que operan en un autobús cerrado.

Compensación de Heave. En las Unidades de Perforación Móviles Offshore u OSV, los supercondensadores podrían usarse como un amortiguador para los equipos de compensación de levantamiento y para cosechar energía regenerativa de las grúas.

Almacenamiento de energía renovable. Los supercondensadores se pueden usar como un dispositivo de almacenamiento de energía en buques o instalaciones costa afuera con fuentes de energía renovables cíclicas para estabilizar el flujo de energía fluctuante conectado al sistema de distribución eléctrica a bordo.

También se pueden instalar en combinación con baterías para proteger potencialmente a las baterías de cargas pico extremas, extendiendo la vida útil de la batería y logrando alta densidad de alta potencia y alta energía.

Uso del entorno a baja temperatura. Los supercondensadores se pueden usar en entornos de baja temperatura que limitan considerablemente el rendimiento de la batería.

Claramente, los supercondensadores tienen una gran versatilidad y potencial para mejorar las operaciones. También tienen la baja resistencia interna que hace posible corrientes más altas, en comparación con las capacidades de las aplicaciones de la batería. La carga y descarga de una batería implica una reacción electroquímica dependiente de la temperatura entre los electrodos y el electrolito. Un condensador eléctrico de doble capa se distingue de una batería, ya que el proceso de carga y descarga no implica una reacción química y es en gran medida independiente de la temperatura.

Mirando hacia el futuro

Si bien el interés inicial y la aplicación de los sistemas híbridos de potencia provienen de OSV y propietarios de remolcadores, técnicamente, no hay límite en el tamaño del buque que podría ser alimentado por un ESS combinado de supercondensador-batería. Las operaciones fluviales, continentales y portuarias tienen oportunidades similares para el desarrollo híbrido.

Por ejemplo, tanto las baterías de ion de litio como los supercondensadores son escalables, lo que permite al propietario expandirse desde la celda, al módulo o al paquete, aumentando iterativamente la capacidad de almacenamiento según sea necesario. Numerosas baterías lado a lado podrían ser ejecutadas por un sistema de administración de energía, que tiene subconjuntos para la gestión de condensadores y la batería.

Cualquier supercondensador o batería tendrá su propio sistema de gestión para los requisitos de seguridad, que se ejecutará de acuerdo con su diseño. Esto interactuaría con los sistemas de administración de energía del buque. La escalabilidad de los sistemas podría hacerlos apropiados para un buque de perforación, un pequeño transbordador y muchas otras aplicaciones. Todo depende del tamaño del ESS que el propietario quiera poner a bordo.

Debido a que ABS ve el potencial de los sistemas de almacenamiento de energía para mejorar los sistemas eléctricos y de propulsión para una variedad de buques, hemos estado ayudando a la industria a involucrarse con la tecnología híbrida al participar en una variedad de talleres y conferencias. Más allá del desarrollo de una serie de guías y asesorías híbridas de propulsión y energía, ABS también ha completado varios proyectos de Aprobación en Principios enfocados en la tecnología y nuestro programa de aprobación de tipo ha incluido varios proveedores de baterías marinas.

En la actualidad, la mayor parte del trabajo híbrido que ABS está viendo está relacionado con la retroadaptación, actividades llevadas a cabo para mejorar la eficiencia operativa de los buques existentes. Pero cuando la industria comienza a diseñar y construir nuevos buques y sistemas con almacenamiento de energía, en lugar de reconvertir la ineficiencia, es posible descubrir que un barco necesita menos generadores instalados. Entonces, menores gastos de capital podrían combinarse con oportunidades para menores gastos operativos.

El autor

Domenic Carlucci es el Gerente de ABS para maquinaria, electricidad y tecnología de control. Desde que se incorporó a ABS en 2008, Carlucci ocupó varios cargos principales en administración de integridad de activos, riesgo de ciclo de vida y confiabilidad, revisión de planes y diseños, y desarrollo de productos y servicios. Sirvió en la Marina de los EE. UU. Como Oficial de guerra de superficie capacitado nuclearmente. Recibió su Licenciatura en Ciencias en Ingeniería Mecánica de la Universidad de Duke y una Maestría en Administración de Empresas de la Universidad de Houston.

(Según se publicó en la edición de enero de 2018 de Marine News )