Celdas de combustible: la industria examina las opciones en la carrera hacia cero emisiones

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Domenic Carlucci, gerente de tecnología de maquinaria, electricidad y controles de ABS

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Un consorcio marítimo, que incluye ABS y Sandia National Laboratories, demostró recientemente la viabilidad de un transbordador de celdas de combustible de hidrógeno diseñado para operaciones en el área de la Bahía de San Francisco, que es ambientalmente sensible.

El mandato de la OMI para limitar el contenido de azufre en el combustible marino a comienzos del próximo año puede ser el mayor cambio regulatorio en el envío desde el requisito de los cascos dobles, pero el desafío se desvanecerá en comparación con sus objetivos futuros para reducir los gases de efecto invernadero ( GEI).

Hace un año (abril de 2018), la OMI acordó una estrategia preliminar que tenía como objetivo una reducción mínima del 40% en las emisiones de CO2 en una base de toneladas por tonelada para 2030, y una reducción del 50% en las emisiones de GEI del envío para 2050. Para respaldar e informar ese objetivo, la recopilación obligatoria de datos de emisiones de los buques comenzó en enero. La estrategia final de la OMI se dará a conocer en 2023. Mientras tanto, se compromete a publicar su cuarto estudio de GEI, ya analizar e informar los resultados de tres años de haber recopilado datos sobre las emisiones de la industria.

Los objetivos globales obligatorios para reducir las emisiones del transporte marítimo son los más ambiciosos hasta el momento: requerirán medidas que combinen mejoras en el diseño del barco; la creación de nuevos combustibles y formas alternativas de propulsión; cambios operacionales; y la aplicación de la tecnología digital. Debido a que es poco probable que estos objetivos se alcancen sin el desarrollo de nuevas tecnologías, la industria y los gobiernos necesitarán expandir los recursos disponibles para la investigación y el desarrollo.

Una tecnología con potencial.
Un área de promesa para la generación de energía a bordo de barcos es la de celdas de combustible. Las celdas de combustible se utilizan actualmente en una variedad de aplicaciones terrestres, como para proporcionar energía en áreas remotas, así como para edificios industriales, residenciales y comerciales. La energía de las pilas de combustible de hidrógeno, en particular, ya se utiliza en vehículos de transporte terrestres, como autobuses municipales, trenes y camiones pesados, así como para equipos industriales como carretillas elevadoras.

Si bien los submarinos se han construido recientemente con unidades de propulsión híbridas que usan celdas de combustible de hidrógeno, su uso en el sector de transporte comercial se ha limitado en gran medida a fines auxiliares: las celdas de combustible pueden proporcionar calor y energía a bordo del barco, incluida la energía de "hoteles", como la que se requiere en cruceros - y 'planchado en frío', que proporcionan una fuente de energía alternativa en tierra que permite a los barcos apagar sus motores mientras están en el muelle, disminuyendo su producción de emisiones.

Además, se ha realizado mucha investigación y creación de prototipos en el sector marítimo para investigar las aplicaciones en los ferris de pasajeros pequeños y otras embarcaciones de aguas cortas. ABS, en asociación con Sandia National Laboratories, confirmó recientemente la viabilidad de los ferries de alta velocidad alimentados por hidrógeno para su uso en el área de la Bahía de San Francisco. Por separado, a fines del año pasado, Noruega proporcionó los fondos para la construcción de un ferry de alta velocidad impulsado por hidrógeno y un carguero de corta distancia.

Potencial y Desafíos
La tecnología de celdas de combustible de hidrógeno tiene el potencial de ofrecer energía confiable y de largo alcance a escala industrial, con un reabastecimiento de combustible relativamente rápido en comparación con las opciones emergentes de alimentación por batería. El hidrógeno en sí mismo tiene una mayor densidad de energía que las baterías, lo que potencialmente hace que los sistemas de celdas de combustible sean más prácticos para los operadores que buscan reemplazar o complementar las unidades de propulsión tradicionales alimentadas por búnkeres.

Sin embargo, el suministro de hidrógeno puede ser intensivo en energía. Sin la incorporación de hidrógeno generado de forma renovable, el impacto neto en el gas de efecto invernadero para el hidrógeno producido por el metano o procesos similares es insignificante. Además, adoptar el hidrógeno como combustible marino de aguas profundas no está exento de desafíos, incluso antes de que se consideren los factores de seguridad.

Es importante comparar la densidad de energía de diferentes fuentes de energía, incluidas las celdas de combustible, para comprender mejor cómo deben madurar antes de que sean adecuadas para el envío global, donde el transporte de carga es el objetivo principal. En general, los sistemas de celdas de combustible requieren menos mantenimiento (lo que potencialmente ofrece menores costos de mantenimiento) y una larga vida útil. También generan menos ruido que las actuales plantas de energía de petróleo pesado, lo que contribuye a un entorno de trabajo más cómodo para la tripulación y menos interrupciones para la vida marina circundante.

La idoneidad de los sistemas de celdas de combustible para soluciones de propulsión híbrida, junto con el diesel, tiene un amplio historial. Pero quizás lo más importante para los propietarios proactivos que buscan un camino hacia el cumplimiento de las emisiones de la OMI en 2030 y 2050, los sistemas de celdas de combustible de hidrógeno generarían cero GEI; Su único subproducto de la generación de energía es el agua. Otro desafío clave será que la industria marina desarrolle un sistema de distribución de hidrógeno que sea capaz de producir y distribuir las cantidades significativas requeridas para una red global de grandes barcos.

Las refinerías están ajustando sus procesos de producción para adaptarse a los aumentos en la demanda a medida que los combustibles alternativos ganan popularidad, pero las redes de suministro deberán madurar antes de que la industria marina se sienta lo suficientemente segura como para adoptar sistemas de energía que utilizan celdas de combustible. Como tecnología de generación de energía, las celdas de combustible son comparativamente maduras. Los armadores pueden querer ver la tecnología como algo más que un "combustible futuro" y, en cambio, reconocer sus beneficios actuales para la industria marina, ya que actúan para reducir las huellas de carbono de sus flotas y dirigirse hacia un futuro más sostenible.

Cómo funcionan los sistemas de celdas de combustible
Una celda de combustible es un dispositivo que convierte la energía química de un combustible en electricidad a través de una reacción electroquímica del combustible con oxígeno u otros agentes oxidantes. Se diferencian de las baterías en que las celdas de combustible requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para sostener la reacción química, mientras que la disponibilidad de energía de una batería está determinada por la cantidad de energía que tiene almacenada. Las celdas de combustible pueden producir electricidad continuamente mientras se les suministre combustible y oxígeno.

Hay muchos tipos de diseños para celdas de combustible. La mayoría consiste en un ánodo, un cátodo y un electrolito que permite que los iones de hidrógeno cargados positivamente (conocidos como protones) se muevan desde el ánodo al lado del cátodo de la celda de combustible.

Seguridad y regulación emergente.
Actualmente no hay regulaciones de la OMI para proporcionar requisitos prescriptivos para instalaciones de celdas de combustible; están en proceso de ser desarrollados. Estos desarrollos se están revisando como una extensión de los requisitos de combustible de bajo punto de inflamación. Los problemas de seguridad relacionados con los combustibles gaseosos, como el hidrógeno, el metano y otros combustibles "más ligeros que el aire", o el propano (que es más pesado que el aire), requieren arreglos especiales para la ventilación para evitar la formación de las áreas peligrosas que son propensas a las explosiones .

Para muchas celdas de combustible, el suministro no de hidrógeno se reforma externamente a hidrógeno y otros subproductos antes de la introducción en la celda de combustible. Por lo tanto, la parte de hidrógeno del sistema de combustible, desde el reformador hasta la celda de combustible, necesita consideraciones y características de diseño cuidadosas.
Las revisiones operativas y de seguridad de las instalaciones de celdas de combustible para activos marinos y en alta mar se basan principalmente en estudios basados en el riesgo en combinación con las regulaciones de la OMI para embarcaciones, los requisitos de IACS, las normas industriales aplicables y las Reglas o Guías basadas en el diseño y la configuración particulares del sistema de celdas de combustible .

El Código internacional de seguridad para buques que utilizan gases u otros combustibles de bajo punto de inflamación, conocido como el Código IGF, se está revisando actualmente para cumplir con los requisitos de los sistemas de celdas de combustible; La industria anticipa que esto ayudará con los desafíos actuales de seguridad.
Para respaldar y promover una práctica más segura y sostenible a medida que la industria adopta cada vez más los sistemas de celdas de combustible, ABS pronto publicará una Guía de Celdas de Combustible sobre aplicaciones marinas para la tecnología, incluida la propulsión y otros usos auxiliares. Ofrecerá un enfoque estructurado para la aplicación de sistemas de celdas de combustible en un formato que sea lo suficientemente flexible como para incluir otros combustibles gaseosos y cualquier actualización tecnológica futura.

Los armadores se enfrentan a algunas decisiones ambientales desafiantes a medida que las regulaciones más estrictas cambian el curso de su industria hacia un futuro más sostenible: un límite de azufre del 0,5% en el combustible para fines de este año; una reducción mínima del 40% en las emisiones de CO2 de los buques para 2030; una reducción del 50% en la producción de GEI en 2050; y, potencialmente, objetivos aún más ambiciosos establecidos por los gobiernos regionales y nacionales.

Puede que sea hora de que empiecen a considerar qué pasaría si cualquier celda de combustible pudiera desempeñar un papel en el suministro de una solución.

El Sr. Carlucci es actualmente el Gerente de ABS para Maquinaria, Electricidad y Tecnología de Controles. Desde que se unió a ABS en 2008, Carlucci ha desempeñado varios cargos de alto nivel en gestión de integridad de activos, riesgo de ciclo de vida y confiabilidad, revisión de diseño y plan, y desarrollo de productos y servicios. Con una amplia experiencia en las industrias marinas y marinas, la experiencia de Carlucci incluye: aplicaciones de energía híbrida, operaciones y mantenimiento de sistemas de barcos, diseños de sistemas, análisis de riesgo y confiabilidad (FMEA, RCM) y monitoreo de condición / rendimiento. Sirvió en la Armada de los EE. UU. Como un Oficial de Guerra de la Superficie entrenado en energía nuclear. El Sr. Carlucci 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.

Este artículo apareció por primera vez en la edición impresa de marzo de 2019 de la revista MarineNews .