Los botes de agua interiores tienen mucho que ganar con la propulsión eléctrica diesel

Por Joshua Slade Sebastian, PE • 21 marzo 2018

La propulsión eléctrica diesel no es un concepto nuevo. Al igual que las unidades de azimut, su aplicación al mercado de la navegación interior se ha retrasado con respecto a otras áreas de la industria marina. El diesel eléctrico ha ganado tracción en las industrias donde el ahorro de combustible y la redundancia de los sistemas de propulsión para la seguridad es primordial. En particular, los buques como los transbordadores de pasajeros y los buques de suministro en alta mar han disfrutado de los beneficios de los sistemas eléctricos diesel. La industria del remolcador tierra adentro comparte muchas de estas preocupaciones y se beneficiaría de la consideración de la tecnología de diesel como parte de un proceso integral de diseño de ingeniería.

A principios de 2017, The Shearer Group, Inc. (TSGI), junto con la división marina de ABB, se embarcó en el estudio de la aplicación de la tecnología eléctrica diesel a la industria marina interior. TSGI originalmente investigó la propulsión eléctrica diesel para remolcadores alrededor de 2007, pero en ese momento la tecnología y el precio no la convertían en una opción factible para el mercado. Sin embargo, en los últimos años, algunos cambios fundamentales en la industria han cambiado la ecuación, por lo que el diesel eléctrico es una opción viable cuando se planifica un nuevo remolcador.

¿Qué es la propulsión eléctrica diesel?

En pocas palabras, la propulsión eléctrica diesel es un concepto que utiliza una planta de energía eléctrica que consiste en múltiples generadores de energía que desarrollan energía eléctrica a la planta de propulsión a través del uso de motores eléctricos. El sistema de propulsión eléctrica consta de generadores, un sistema de distribución eléctrica, variadores de frecuencia, motores de propulsión eléctrica y un sistema de control.

Los sistemas mecánicos a diesel proporcionan una eficiencia superior en un rango muy estrecho de operaciones, típicamente por encima del 60 por ciento de MCR. Como tal, es importante determinar el ciclo operativo total de los motores durante un largo período de tiempo. El diesel eléctrico mejora la eficiencia del sistema de propulsión de un buque al ampliar el rango de operaciones óptimas y proporcionar una mayor eficiencia general en rangos fuera del rango óptimo de un sistema de propulsión mecánica.

Bajo el paraguas de la propulsión eléctrica diesel, existen varias variantes que existen en el mercado hoy en día:

Híbrido (PTO / PTI)

Los sistemas híbridos hacen uso de una línea de eje mecánico con toma de fuerza y ​​toma de fuerza (PTO / PTI), combinada con un sistema de generación eléctrica. Este sistema combina el beneficio de la propulsión de transmisión directa a través de una caja de cambios con la flexibilidad de un "impulso de potencia" del sistema eléctrico del barco, pero también permite que los motores principales funcionen más eficientemente al proporcionar energía eléctrica a la nave cuando la energía es no es necesario para fines de propulsión. Cuando se necesita más potencia, los generadores actúan como motores que suministran potencia adicional a los ejes a través de la PTO / PTI. Durante una operación de menor potencia, los motores principales pueden ser agarrados y la embarcación puede operar solo en el motor eléctrico, o los motores principales pueden suministrar potencia de propulsión y también alimentar la PTO / PTI para el suministro de energía eléctrica para cargas auxiliares.

Sistema de A / C

El sistema eléctrico diesel de A / C es el sistema eléctrico diesel más tradicional y común en el agua en la actualidad. Consiste en una planta de energía eléctrica con varios generadores que proporcionan energía para todas las cargas en el buque; propulsión, auxiliar y hotel. La energía de la centralita se proporciona a los motores de propulsión a través de variadores de frecuencia para permitir que los motores funcionen virtualmente a cualquier RPM del eje.

Sistema D / C

El sistema Diesel eléctrico de D / C es muy similar al sistema de A / C pero proporciona algunas mejoras en ciertas áreas. La corriente de CA del generador se rectifica a CC en el generador y se distribuye directamente a través de los cuadros eléctricos. La corriente continua se invierte hacia atrás según sea necesario para proporcionar alimentación de CA a las cargas de propulsión y hotel. Los sistemas de Corriente Directa son más pequeños y livianos en general, con menos piezas dentro de los cuadros de distribución. Los sistemas de propulsión basados ​​en CC brindan el mayor beneficio cuando se combinan con algún tipo de almacenamiento de energía donde la red de CC puede permitir que las baterías proporcionen una respuesta instantánea de potencia al sistema eléctrico del barco.

Diesel Electric con almacenamiento de energía

Cuando los sistemas eléctricos diesel se combinan con el almacenamiento de energía, los beneficios de los sistemas diesel siguen mejorando. Para aplicaciones marinas típicas, el uso de baterías de iones de litio (Li-ion) puede ayudar a agregar operaciones de reserva de hilado, máximo aprovechamiento y cero emisiones para aumentar la eficiencia general de los buques.

Cómo se integra la electricidad diesel en el mercado interior

Hasta la fecha, la mayor parte del enfoque en el diesel eléctrico ha pasado por alto el mercado interior de remolcadores. Sin embargo, TSGI ha estado trabajando con ingenieros de ABB para desarrollar y ajustar el concepto de diseño de remolcadores eléctricos diesel. El ímpetu para este esfuerzo de diseño es el perfil operativo típico del remolcador. Cuando les preguntamos a los propietarios cómo operan sus embarcaciones, la mayoría cree que están entre el 80 por ciento y el 100 por ciento de carga casi el 100 por ciento del tiempo. En realidad, encontramos que los datos reales del motor de los buques que operan en los ríos eran bastante diferentes.

En lugar de operar a cargas de más del 80 por ciento la mayor parte del tiempo (como se pensaba), encontramos que el perfil operativo de los buques que investigamos pasó mucho menos tiempo por encima del 80 por ciento de lo que se pensaba originalmente. Para una serie de operadores en varias partes de los ríos del interior, el remolcador real pasa la mayor parte del tiempo por debajo del 50 por ciento de la potencia total, con picos cortos superiores al 80 por ciento. Esto invita a la oportunidad de que el diesel produzca impactos positivos en los costos operacionales asociados con el funcionamiento de un remolcador en los ríos del interior.

Los perfiles de operación del buque son muy importantes para determinar la idoneidad de un sistema eléctrico diesel para un recipiente en particular. Ambos perfiles de muestra representan datos operativos reales a lo largo de 365 días de operación para diferentes embarcaciones.

La propulsión eléctrica diesel proporciona estos ahorros de una variedad de beneficios. La maquinaria de propulsión para cada remolcador de 2.400 HP se detalla a continuación:

Maquinaria típica de 2,400HP:

-Prime Mover: motores 2 x 1.200 HP Tier IV

-Generador: 2 generadores de nivel III de 200kW

Maquinaria eléctrica diesel 2,400HP:

-Power Generation: 4 x 800hp Generadores Tier III

Para el remolcador mecánico, con cualquier carga del motor desde el ralentí hasta el 100 por ciento, se están ejecutando al menos tres motores para mantener la maniobrabilidad completa más la carga eléctrica de la casa. Sin embargo, el diesel funciona con un número optimizado de motores. Desde marcha en vacío hasta aproximadamente el 25 por ciento de carga, solo se requiere que un motor esté funcionando para proporcionar propulsión a dos ejes más la carga eléctrica de la casa al buque. Solo a cargas mucho más altas (típicamente> 80 por ciento), el diésel eléctrico pierde parte de sus ganancias de eficiencia sobre el sistema de propulsión mecánica.

Más allá del ahorro de combustible

Los sistemas de propulsión eléctrica diesel también brindan beneficios más allá del ahorro de combustible. Durante el proceso de diseño, se deben considerar elementos como la redundancia de los sistemas de propulsión, el consumo y almacenamiento de urea y el mantenimiento del motor.

El diesel eléctrico también brilla con respecto a la redundancia y la seguridad. Con cualquier motor capaz de proporcionar energía a cualquiera de los motores de propulsión, un operador puede minimizar el impacto de una falla del motor primario. En un sistema mecánico, la pérdida de una fuerza motriz resulta en la pérdida del 50 por ciento de la propulsión y un eje completo. En el remolcador de diesel eléctrico, la pérdida de un grupo electrógeno solo ocasiona la pérdida del 25 por ciento de la potencia máxima disponible al mismo tiempo que es capaz de proporcionar energía a ambos ejes. Del mismo modo, con la pérdida de un generador en un sistema mecánico, el barco ahora no tiene respaldo para las cargas domésticas y auxiliares. El sistema eléctrico diesel puede seguir proporcionando energía con múltiples respaldos para la generación eléctrica.

El uso de múltiples generadores Tier III elimina el requisito de los motores Tier IV, que utilizan la tecnología SCR o EGR para cumplir con los requisitos de emisiones. Si un buque está utilizando urea para SCR, con una tasa de dosificación DEF típica del 5 por ciento, el diseño de un nuevo recipiente debe acomodar un tanque de urea, el SCR y la tubería de escape adicional.

Otro beneficio incluye los horarios de mantenimiento del motor. Al reducir el número de motores funcionando a un número óptimo, la propulsión eléctrica diesel reduce la cantidad de horas del motor gastadas a cargas parciales. Un barco que gasta el 40 por ciento de su tiempo de operación a menos del 50 por ciento de la carga de propulsión puede mantener horas en dos motores en lugar de tres en comparación con un sistema impulsado mecánicamente. Y, como el barco solo tiene un tipo de motor a bordo, se puede reducir el número de piezas de repuesto tanto para el buque como para el soporte lateral.

¿Diesel es eléctrico para ti?

Diesel eléctrico, al igual que las unidades azimuthing, puede o no ser la mejor solución para todos los perfiles operativos en el río. Sin embargo, ofrece ventajas claras en muchos escenarios y debe considerarse como parte del proceso general de toma de decisiones al diseñar un buque. Los beneficios se extienden más allá de los ahorros de costos operativos al proporcionar una mayor seguridad operacional y redundancia para los remolcadores.

El autor

Joshua Slade Sebastian, PE, es Gerente de Ingeniería en The Shearer Group, Inc. (TSGI). TSGI desea agradecer a la División de Marina de ABB por su asistencia en el diseño eléctrico del concepto de remolque eléctrico diesel y por brindarnos parte de la información técnica para este artículo .

(Según publicado en la edición de marzo de 2018 de Marine News )