21 de abril de 2020

Barco solar para grandes cargas


Barco propulsado a energía solar para grandes cargas



Resumen


Con el agotamiento y el creciente encarecimiento del costo de los combustibles fósiles tradicionales, la energía solar aparece como una fuente de energía alternativa prometedora para la industria del transporte marítimo.

La energía solar tiene el potencial de reducir el costo de la energía gastada por los barcos actuales, pero el mayor problema con el uso de la energía solar en la propulsión de los barcos es que se necesita una superficie de captación de la energía solar entre 6 a 8 veces o más que la superficie propia del casco del barco.

Para esto, se que se desarrolló un sistema que permite que la superficie de generación de energía solar se expanda cuando el barco navega y que se pliega y reduce su tamaño cuando el barco tiene que amarrar en un puerto o navegar por ríos o canales de navegación estrechos.

El sistema que se propone para ampliar y reducir el tamaño de la superficie de captación de la energía solar del barco está formado por una estructura telescópica que además permite aprovechar tanto la energía solar directa del sol que irradia sobre esta estructura del barco como la energía solar reflejada en la superficie del agua del mar, y de esta manera se aumenta la energía solar total generada para el consumo y la propulsión del barco por este sistema de estructura telescópica porta paneles solares para la generación de energía solar del barco.




Introducción


Los barcos propulsados a energía solar se presentan como una alternativa a la propulsión de los buques a futuro ante el cada vez mayor encarecimiento y agotamiento de los combustibles fósiles tradicionales y tiene como finalidad disminuir el costo de la energía que gastan los barcos actuales en su desplazamiento como así mejorar la navegabilidad en los buques sobre todo en mar abierto donde existe una gran cantidad de energía solar que no se aprovecharía de otra manera, por lo tanto con los barcos solares en un futuro se aprovecharía la energía solar que irradia sobre el mar y lo océanos y se aprovecharía para generar el desplazamiento de los buques de cargas actuales.


Figura 1: Los paneles solares horizontales capturan la energía solar directa del sol y los paneles solares verticales capturan la energía solar reflejada en la superficie del agua del mar.


La superficie de paneles solares que necesita un barco de carga para captar la energía solar necesaria para su funcionamiento tiene que ser de unas 6 a 8 veces o mas de la superficie del casco de los barco actuales para que el barco navegue en forma autónoma durante el día y la noche a la misma velocidad que navegan los barcos de cargas actuales hoy en día, por lo tanto se necesita un sistema que permita poner más paneles solares en el barco de la superficie propia del barco, y para esto se presento la actual solicitud de patente que consta en una estructura telescópica que puede ampliar y disminuir su tamaño según se necesite, o sea, cuando el barco navegue sobre mar abierto y en condiciones de mar calmo navegara con la estructura extendida para poder captar la energía solar para su funcionamiento y cuando tenga que estar amarrado a un puerto o navegar por ríos estrechos o canales tipo el canal de Panamá se podrá achicar esta estructura con los paneles solares como si fueran las medidas de un barco actual.

Para poder ampliar y disminuir el tamaño de la estructura que porta los paneles solares es que se diseño una estructura de tipo telescópica que tiene paneles solares dispuestos horizontalmente como verticalmente, los paneles solares dispuestos horizontalmente como se puede observar en las figurasen general captarían la energía directa del sol mientras que los paneles solares que van dispuestos verticalmente permitirían captar la componente de la energía solar difusa y reflejada en el agua del mar donde la cantidad de esta energía solar reflejada en mar abierto puede ser una cantidad de energía importante (Nosotros consideramos que esta energía puede ser del orden del 50% de la energía solar directa del sol en mar abierto) y que se sumaría a la energía solar directa del sol aprovechada en principio por los paneles dispuestos horizontalmente.

Este tipo de barco también tiene como opcional llevar, si la estructura de soporte de los paneles solares es muy grande, dos flotadores a los laterales del barco para soportar el peso propio de la estructura tomando la forma de una especie de Trimarán, pero donde los flotadores laterales solo cumplen la función de soportar el peso de la estructura de los paneles solares y no se llevan cargas en dichos flotadores, pero también dichos flotadores si bien aumentan la resistencia al avance del buque en una posición semiplegada le mejoraría la estabilidad lateral del barco pudiendo navegar mejor en momentos de tormentas en alta mar o sobre pocas profundidades del agua como puede ser en zonas rio arriba de nuestros ríos Paraná y Uruguay aquí en Argentina o en ríos similares en los demás países del mundo.


Figura 2: Los paneles solares irán colocados sobre una estructura telescópica que permite ampliar su tamaño cuando el barco navegue sobre el mar abierto y permitirá reducir su tamaño cuando el barco tenga que estar amarrado en un Puerto o navegue por ríos o canales de navegación estrechos.




Eficiencia de los paneles solares


En este momento la eficiencia máxima de los paneles solares de uso comercial esta en el orden de los 20 a 21% aunque existen células solares de uso espacial que serían muy caras para usarlas en este tipo de barcos con eficiencias del orden del 35 al 40%. La eficiencia máxima que podría tener una célula solar multijuntura o tándem es del 68,2% y se están elaborando en este momento en laboratorios células solares de puntos cuánticos de silicio con el potencial de llegar a eficiencias del orden de los 40-50% en los próximos años, por lo tanto para los cálculos que realizaremos en este articulo consideraremos paneles solares de un 50% de eficiencia que es una eficiencia que podrán tener los paneles solares en el futuro no muy lejano.

Igualmente se están tratando de desarrollar en distintos laboratorios a lo largo de todo el mundo una gran cantidad de nuevos tipos de células solares, entre ellas, por ejemplo,  las llamadas células solares Phonovoltaicas (Phonovoltaic solar cells) que tienen el potencial teórico de poder llegar a eficiencias superiores al 70%, por lo cual a futuro también se pueda sobrepasar en algún momento el 50% de eficiencia que consideraremos para los cálculos en este trabajo con algunos de estos nuevos tipos de células solares que se están desarrollando e investigando continuamente en todo el mundo.



Figura 3: Paneles solares cuando la estructura telescópica esta completamente plegada




Velocidad y características de este tipo de buques


Consideraremos como ejemplo de aplicación de este sistema de propulsión a energía solar con esta forma de estructura porta paneles solares a un buque tipo Panamax de 50.000 TPM con una eslora máxima total de unos 250 metros, una manga máxima de 32 metros y un calado de 12 metros, pero este tipo de sistema telescópico de bastidor de los paneles solares de los buques solares también podrá aplicarse a buques de mayor tamaño tipo los buques PostPanamax o buques de menores tamaños donde se justifique hacer este tipo de estructuras telescópicas que en general se justificaran de implementar por la complejidad de su funcionamiento en buques de medianos o grandes portes.


Calculo de las velocidades del buque de ejemplo para un día de verano e invierno en Argentina


Si consideramos que la estructura de soporte de los paneles solares tiene unas 8 veces la manga máxima del barco o sea de 256 metros y una altura de los paneles solares verticales de la mitad del ancho de los paneles solares horizontales o sea de 128 metros con un largo de los paneles solares igual a la eslora máxima del barco de 250 metros y además si consideramos que las horas de sol por día para la radiación estándar de 1.000 W/m2 es de 6,5 hs/día para un día de verano promedio y de 2,5 hs/día para un día de invierno en condiciones de mar abierto y para la posición en la que esta la ciudad de Buenos Aires en Argentina o de la Ciudad del Cabo en Sudáfrica de 35° de latitud sur.

Y considerando que los paneles solares utilizados tienen una eficiencia máxima de un 50% y que los paneles solares verticales que captan la energía solar difusa y reflejada en la superficie del mar y que esta componente es de aproximadamente el 50% que la energía solar directa del sol, o sea, que los paneles solares dispuestos verticalmente generan en su conjunto el 50% de la energía solar generada por los paneles dispuestos horizontalmente para una situación general del barco ya que el valor de esta componente de energía solar difusa y reflejada dependerá de la posición que tenga el barco y los paneles solares verticales respecto de la posición que tenga el sol en cada momento pero en términos generales, y aproximadamente, consideraremos que la energía solar difusa y reflejada en la superficie del mar será del 50% de la energía solar directa del sol en mar abierto.

Por estas consideraciones para un día de verano tendremos una potencia generada por los paneles solares de 13.000 Kw y para un día de invierno una potencia generada de 5.000 Kw.

Y considerando también que:


  •      El barco solar tendrá una la resistencia al avance extra debido a los pontones laterales del buque y la resistencia del velamen de los paneles solares verticales y la estructura de los paneles solares horizontales.
  •      Este buque solar estará construido con dos motores eléctricos acoplados a dos hélices con sentido de giros distintos, lo que genera una mejora en la eficiencia de propulsión respecto del uso de una sola hélice de un 5 al 8 %.
  •       Este buque y sus pontones estarán revestidos con pinturas de silicona de menor fricción con el agua en un orden del 4 al 8 % que las pinturas convencionales que se usan mayormente en la actualidad.
  •     La eficiencia general del sistema eléctrico tanto de los motores como de las baterías eléctricas es del orden del 80%.


Tendremos una velocidad promedio de este buque en un día de verano de:  16,5 Nudos (= 30,55 Km/h)

y una velocidad promedio de este buque en un día de invierno de:  12,5 Nudos (=23,15 Km/h)


Este cálculo es solo para saber cuales pueden ser las mejores performances que podría tener este barco con las eficiencias de las células solares consideradas del orden del 50% aunque las eficiencias de las células solares marinas hoy en día son inferiores a los valores considerados en estos cálculos.




Operación de este tipo de buques a mayores velocidades



Como este tipo de buques propulsados a energía solar tendrá que llevar acumuladores eléctricos para almacenar la energía solar generada por los paneles solares durante el día para la noche y además una cantidad suficiente de baterías eléctricas que le garantice al barco tener energía almacenada por lo menos para 4 o 5 días de funcionamiento por si el barco tiene que atravesar una zona de tormentas o de días nublados;  si es necesario darle mayor velocidad a estos buques se podrán recargar las baterías que lleve el buque si es un buque portacontenedores por ejemplo en los puertos que vaya tocando el buque por lo que para su funcionamiento tendrá la energía que generen los paneles solares mas la energía que puedan darles los acumuladores eléctricos lo cual podrá obtener una mayor velocidad que la que pueda obtener solo utilizando la energía generada por los paneles solares.

Además una aplicación interesante que pueden tener los buques propulsados a energía solar es la generación de energía eléctrica en el mar para luego utilizarla en las zonas costeras en tierra firme, o sea, en vez de utilizar parques solares flotantes como se están construyendo hoy en día, que pueden ser difíciles de amarrar al suelo marino cuando el mar donde estén los parques solares tenga una profundidad importante o bien que el mismo pueda resistir el oleaje de una tormenta fuerte; si usamos un barco solar para generar energía con la energía solar que irradia sobre los mares o los océanos mar adentro será mas fácil y mas conveniente que hacerlo con parque solares flotantes.

Por lo tanto, estos barcos generadores de energía en su funcionamiento mar adentro podrán también funcionar como estaciones de recarga de energía eléctrica de los buques que necesiten mayor energía eléctrica para su funcionamiento, ya sea porque son días de invierno con poca radiación solar en el mar o porque necesitan mayor velocidad de transporte de las cargas que las que le puede dar el buque con los paneles solares que lleva con este tipo de estructuras porta paneles solares.




Carga y descarga del buque


En este tipo de barco solar, cuando la estructura que sostiene los paneles solares se pliega, la estructura telescópica y sus paneles solares se plegaran en la parte superior del barco y encima de las cargas que se colocarán en el casco del barco, ya sean cargas a granel o cargas en contenedores.

Para poder cargar y descargar este tipo de cargas se necesitara un puente grúa telescópico especial ya que las grúas pórticos que están en los puertos en la actualidad no podrán realizar esta tarea de carga y descarga del buque correctamente porque la parte superior del barco estará cubierta por la estructura telescópica de soporte de los paneles solares y cuando la misma este plegada.

Este puente de la grúa telescópico tendrá un carro principal que se movería longitudinalmente a lo largo del casco del barco y transversalmente a lo ancho. Se puede ver en forma esquemática en la Figura 4, ilustrando cómo se cargará y descargará el puente de la grúa mientras el barco solar esté amarrado a un puerto.




Figura 4: Funcionamiento esquemático del puente grúa telescópico




Estabilidad lateral del buque


Como la estructura telescópica porta paneles solares y como los mismos paneles solares van dispuestos en la parte de superior del buque, este peso que puede ser importante y que esta en la parte de superior del buque puede afectar la estabilidad lateral del mismo en un día de tormentas o de mucho oleaje; pero para resolver este problema lo que se puede hacer es poner los pontones a una determinada distancia del casco del buque para que aumente la estabilidad lateral del mismo en esas condiciones de navegación como muestra la siguiente figura.



Figura 5: Estructura telescópica porta paneles solares semiplegada. En esta posición los pontones laterales pueden mejorar la estabilidad lateral del buque.




Construcción de los primeros buques propulsados en forma parcial a energía solar 



Desde otro punto de vista, mirando hacia el futuro, una posibilidad es que los barcos propulsados con energía solar se empiecen a utilizar después de que se empiecen a fabricar los barcos propulsados en forma eléctrica mediante baterías eléctricas recargables, ya que estos tipos de barcos son menos complejos de fabricar que los barcos propulsados totalmente a energía solar como proponemos en este artículo. Los barcos que actualmente se están empezando a fabricar propulsados en forma eléctrica mediante baterías de litio y recargandose en los propios puertos donde son utilizados como se recargan los autos eléctricos actuales, tienen un costo de la energía de recarga comprada por el barco a los sistemas de recarga a un precio que ronda entre los 0,12 a 0,15 u$s/KWh, pero si tenemos en cuenta que hoy por hoy el costo de producción mayorista de la energía solar en un parque fotovoltaico en una zona soleada de un desierto no supera los 0,02 o 0,03 u$s/KWh y si bien en mar abierto la radiación solar directa es un poco inferior que en un desierto en el futuro seguramente convendrá que a los barcos eléctricos que se están fabricando actualmente se le agregue la mayor cantidad de paneles solares posibles para autoconsumir su propia energía generada y poder disminuir así los costos de la energía comprada para su propulsión a las fuentes de energía eléctrica externas al barco, comenzandose de a poco a fabricar así los barcos propulsados a energía solar que proponemos en el presente artículo.


Una forma de empezar a construir este tipo de buques con los paneles solares que existen en la actualidad, que como dijimos tienen una menor eficiencia que los considerados en los cálculos que hicimos, es hacer un buque solar con una estructura de soporte menor de los paneles solares sin los pontones laterales y sin los paneles solares verticales, disminuyendo la energía solar generada por el buque pero también disminuyendo la complejidad de construcción de dicha estructura y haciendo una propulsión a energía solar parcial, o sea, parcialmente a energía solar con los paneles actuales que tienen una eficiencia del orden del 20-21% y el resto de la energía necesaria para mover al buque sería recargando las baterías eléctricas del buque con fuentes de recarga externas al barco.


Este tipo de buques propulsados en forma parcial a energía solar podría empezar a construir en la forma que indica la figura de abajo donde se ve que la superficie de los paneles solares es menor que el buque pensado para funcionar en un 100% a energía solar pero también seguramente mas fácil de construir y de probar en los primeros buques que se quieran fabricar con este sistema telescópico de soporte de los paneles solares.


Figura 6: Diseño que tendrían los primeros barcos solares construídos en forma parcial a energía solar




Costos operativos de los buques actuales


Nuestro interés en este análisis de costos es ver que incidencia tiene el costo de combustible y los distintos consumibles del motor propulsor principal y los grupos electrógenos auxiliares en el costo operativo total del buque. En este análisis no tendremos en cuenta los costos totales de la empresa Naviera como los gastos administrativos, los impuestos o la ganancia de la misma, solo tendremos en cuenta, como dijimos, los costos aproximados de la operación de los buques.

Para esto haremos las siguientes consideraciones :


  •       El costo de construcción y puesta en marcha de nuestro buque granelero de 50.000 TPM es de 60 millones de dólares y con una vida útil de 40 años.
  •     El motor principal del buque tiene una potencia máxima de 14.560 Kw con un consumo estimado de combustible de 20.000 litros por hora de funcionamiento.
  •      El tiempo de funcionamiento del buque será aproximadamente el 65% del tiempo de su vida útil, debidos a las paradas por mantenimiento, las paradas por la carga y descarga del mismo u otros casos.
  •        El costo aproximado del combustible que consume el buque es de 0,5 u$s/litro.
  •        Este buque tendrá un personal de 20 personas con un periodo de trabajo de 30 días en el buque y 30 días de descanso, por lo que el personal total del buque será de 40 personas.
  •    El sueldo promedio y aproximado de cada operario del buque será de  8.000 u$s/mes considerando el sueldo bruto, impuestos, aguinaldos, premios u otros costos.
  •      El gasto en insumos y comestibles aproximado del personal en los 40 años de vida útil de buque será de 20 millones de dólares.
  •      El gasto en insumos para el mantenimiento del buque durante sus viajes arriba del barco en los 40 años de vida útil de buque será de 20 millones de dólares.
  •      El gasto en mantenimiento en sus paradas en astilleros o diques secos en los 40 años de su vida útil será de unos 80 millones de dólares.
  •      EL costo aproximado de inscripción, patente y seguros del buque en los 40 años de vida útil será de 80 millones de dólares.
  •      El costo del combustibles de los grupos electrógenos del buque, del aceite y demás consumibles del motor principal y de los distintos motores a combustión auxiliares del buque representarán aproximadamente el 15% del costo total del combustible consumido por el motor principal del buque.

Con estas consideraciones tendremos los siguientes costos operativos del buque en sus 40 años de vida útil.


  •       Costo del Buque:     60   Millones de Dólares.
  •       Costos del combustible del motor principal:    2.277,6   Millones de Dólares.
  •     Costo del combustible y consumibles de los motores a combustión auxiliares:    341,64  Millones de Dólares.
  •       Costo del personal del buque:    153,6  Millones de Dólares.
  •       Costo de los insumos comestibles del personal del buque:    20  Millones de Dólares.
  •     Costo de los insumos para mantenimiento del buque durante sus viajes:   20  Millones de Dólares.
  •       Costo de Mantenimiento del buque en los astilleros:     80  Millones de Dólares.
  •       Costo de inscripción, patente y seguros del buque:     80  Millones de Dólares.


Costo operativo total del buque en sus 40 años de vida útil:   3.032,84  Millones de Dólares.

Costo del combustible y consumibles de todos los motores a combustión del buque:   2.619,24  Millones de Dólares.

Porcentaje del costo de combustible y consumibles de los motores a combustión respecto del total de los costos operativos del buque durante su vida útil:   86,36%


Con esto podemos ver que el principal costo de un buque en su funcionamiento es el costo del combustible, el aceite y de los distintos consumibles que tienen sus motores a combustión. Por lo tanto si nosotros con el uso de la energía solar logramos disminuir el costo de la energía utilizada por el buque en forma significativa, también disminuiremos de forma significativa los costos operativos y el costo final del flete de las cargas transportadas.

Esto nos permite pensar que con la mejora de la eficiencia y el abaratamiento que pueden tener los paneles fotovoltaicos y los acumuladores de energía en el futuro próximo, el costo de operación y del flete final de los buques propulsados a energía solar pueden ser significativamente menores a los costos actuales del flete de las mercancías.




Conclusión


El aumento del costo de los combustibles fósiles de estos últimos años debido al cada vez mayor agotamiento de sus reservas mundiales, nos obliga a buscar combustibles alternativos, donde la energía solar, debido a la abundancia de su obtención sobre todo en los mares y océanos abiertos, y a su cada vez mayor abaratamiento y mejoras en la eficiencia y en los tiempo de vida útil de sus equipos de captación y acumulación de la energía eléctrica generada, puede ser una alternativa muy importante a tener en cuenta. 

Si bien la utilización de la energía solar en los buques de transportes de cargas tiene ciertas dificultades técnicas como el agregado de la estructura telescópica aquí propuesta para aumentar la superficie de captación de la energía solar que necesitará el buque para su funcionamiento, puede agregar inconvenientes en la navegación de estos buques respecto de los barcos tradicionales; dado el alto costo de los combustibles fósiles actuales, nos permite pensar que con la utilización de la energía solar en la propulsión de los buques se podrá reemplazar el uso de los combustibles tradicionales eficazmente, y además, disminuir de forma significativa el costo de operación y del costo final del flete de las cargas transportadas.

Además, considerando a las otras alternativas que se están estudiando actualmente para reemplazar a los combustibles fósiles en las embarcaciones que son principalmente el uso de baterías eléctricas y de hidrógeno, que se recargarían en los buques como actualmente se recargan los autos eléctricos; también creemos que el uso directo de los paneles solares en los propios barcos le otorgaran una mayor autonomía para alcanzar mayores distancias recorridas sin la necesidad de recargas de energía y un menor costo en su funcionamiento ya que consume la energía producida por sus propios paneles solares y no es necesaria la compra de energía eléctrica de fuentes externas al buque.

Por lo tanto, creemos que la estructura telescópica porta paneles solares que proponemos en este proyecto para que los buques puedan ser propulsados a energía solar podrá tener una gran implementación en los buques de transportes de grandes cargas tanto en el presente como en el futuro.




Estado de avance del proyecto


Actualmente presente una solicitud de patente en Argentina para la construcción de las estructuras de soporte de los paneles solares para los barcos solares de grandes cargas, y en este momento este proyecto se encuentra en fase de buscar interesados en la industria naval tanto en la Argentina, donde se presento la solicitud de patente, como en el resto de los países del mundo para poder llevar adelante este proyecto y poder concretarlo. 


Si está interesado en este proyecto puede contactarse con migo al email:

Martín-Giordano@hotmail.com.