Barco propulsado a energía
solar para grandes cargas
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.
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.
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.
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.
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.
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 cercanas al Limite de Carnot del 95%, 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 estos mismos buques a energía solar es la generación de energía eléctrica mar adentro para luego utilizarla como barcos de recarga de energía eléctrica del resto de los buques de transportes de cargas 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
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 120 a 150 u$s/MWh, pero si tenemos en cuenta que hoy por hoy el costo de producción mayorista de la energía solar en un parque fotovoltaico en una zona soleada de un desierto no supera los 15 a 30 u$s/MWh 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 flotadores laterales que son los que mas complicaciones de navegabilidad le generan a este tipo de barcos, disminuyendo la energía solar generada por
el buque pero también disminuyendo la complejidad de construcción y funcionamiento de la estructura telescópica y haciendo una propulsión a energía solar parcial, o sea, propulsado parcialmente a energía
solar y
el resto de la energía necesaria para mover al buque sería recargando las baterías eléctricas 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 horizontal y vertical de soporte de los paneles
solares.
Figura 5: Diseño que tendrían los primeros barcos solares construidos en forma parcial a energía solar sin una gran estructura horizontal y sin sus flotadores laterales.
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 y que puede agregar
inconvenientes a la navegación de estos buques respecto de los barcos tradicionales; pero 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.
Publicaciones Internacionales de este Proyecto
Este proyecto de Barco propulsado a Energía Solar de Grandes Cargas fue publicado por la prestigiosa revista de ingeniería naval "The Naval Architect" en enero del 2020 que es editada por la Real Institución de Arquitectos Navales ( R.I.N.A.) de Inglaterra.
Estado
de avance del proyecto
Si esta interesado en este proyecto puede contactarse con migo al email:
