Sistemas de ahorro de combustible y reducción de emisiones para buques mercantes basados en la tecnología vélica

El día 10 de noviembre fondeó en las proximidades de Torrevieja (Alicante), en espera de embarcar 2.500 Tons. de sal, el buque mercante bandera de Liberia “Theseus” (IMO:9390159). Su silueta en el horizonte en principio nada le diferenciaba de un buque de carga convencional de los que cada año visitan este puerto en más de 150 ocasiones para cargar sal con destino a diversos puertos del mundo, la gran diferencia respecto de los otros buques fondeados se produjo cuando izo “velas”, y me explico:

Fig nº 1 y 2.- Buque mercante ”Theseus” en el proceso de desplegar la vela tipo cometa o parapente”, y una con la vela desplegada.

Debido al elevado coste de los combustibles, y la progresión que los precios que han experimentado en los mer­cados internacionales en los últimos años, además de la imperiosa necesidad de reducir emisiones de gases con­taminantes a la atmósfera, es por lo que se están desarrollando nuevas tecnologías basadas en la aplicación de la propulsión vélica en beneficio de la propulsión de diversos tipos de buques, entre ellos, los buques mercantes. La investigación pone de manifiesto un continuo avance desde 2006, de manera que esta tecnología se pueda usar para impulsar todo tipo de embarcaciones. Con la ayuda de cometas, los investigadores de varias compañías, entre otras Skysails, Sequoia it., Kiteboat, afirman que se puede reducir el consumo de combustible en los barcos del orden del 10 al 50%, según las condiciones del viento, tipo de buque y ruta. El propósito de este artículo es revisar la implantación de estos sistemas en la flota mercante actual.

Figura nº 3- Buque mercante MS “Beluga SkySails” impulsado con la ayuda de una cometa.

El concepto es muy parecido al utilizado en el kite-surfing, y consiste en una vela en forma de parapente en el extremo de un cable que tira de la embarcación desde un punto de amarre en la proa. Como en una cometa conven­cional, la altura de vuelo es ajustable, la “vela” se posicionará entre 100 y 500 m de altura, donde el viento es más fuerte y menos turbulento. Un piloto automático regula la altura a la que vuela la cometa para conseguir el mejor viento posible. Las ventajas con respecto a las velas tradicionales: Mayor captación de energía por la mayor altura en la que se emplea, y una mejor estabilidad del buque. Una ventaja de este sistema de propulsión auxiliar es que se puede añadir a barcos convencionales sin problemas.

El “MS Beluga Skysails” (Fig. nº3), perteneciente a la compañía de logística marítima Beluga, realizó una primera prueba comercial del sistema. navegando más de 11.000 millas náuticas de travesía oceánica, el uso de la vela mostró los resultados esperados y se consiguió un ahorro aproximado del 20% del combustible. Esta embarcación está siendo empleada en la actualidad para transportar palas de aerogenerador del fabricante español Gamesa.

Una vela de 160 m2 capaz de propulsar a cargueros de más de 140 m de eslora a través de las grandes rutas co­merciales interoceánicas, demostró científicamente su capacidad de conseguir importantes ahorros en el consumo de combustible y emisiones, por lo que el proyecto recibió una inyección de ocho millones de euros procedentes de Oltman Group, una sociedad implicada en el desarrollo de tecnologías sostenibles que protejan el medio ambiente.

El conjunto consta de tres componentes principales:

1.- Una cometa de tracción con un cable de lanzamiento.
2.- Un sistema de recuperación.
3.- Un sistema de control de funcionamiento automático.

En lugar de una gran vela fija instalada en un mástil, se utilizan grandes cometas de tracción, que como hemos anticipado y podemos apreciar en las figura nº 4, una vez desplegada, actúa como lo hace un parapente.

Fig. nº 4.- Esquema tracción y funcionamiento del sis­tema de propulsión SkySails.

Es preciso considerar que el sector del transporte marítimo mueve el 95% de las mercancías mundiales, y es res­ponsable actualmente de entre el 2,5 y el 4 % de emisiones globales de CO2. Al igual que el transporte aéreo, escapa al control del protocolo de Kyoto, no existe ningún objetivo de reducción de emisiones para ellos. Por si fuera poco, son pocos los mecanismos de control de los gobiernos sobre estos dos sectores, al no aplicarse impuestos a los combusti­bles que utilizan; Skysails estima que la adopción de esta tecnología por la industria marítima reduciría las emisiones globales de CO2 de origen humano en un 0,6%. Por lo menos, a partir de ahora, ya no podrá alegar que no existen alternativas al uso de combustibles fósiles en el transporte marítimo.

Este sistema genera en condiciones normales de funcionamiento, cinco veces más potencia propulsora por metro cuadrado de superficie bélica, que cualquier otro sistema de vela propulsora convencional, lo que en grandes rutas, supone un alivio de la carga y consumo de los motores principales si las condiciones meteorológicas lo permiten, quedando estos listos para suministrar plena potencia cuando se requiera.

La utilización de la energía que proporciona el viento, empleando un sistema de propulsión como el que tratamos, se puede convertir en el futuro en un modelo de energía sostenible, al reducir simultáneamente tanto el consumo de combustible como las emisiones de CO2 y gases contaminantes a la atmósfera.

El objetivo comercial de las compañías involucradas en su desarrollo, es que tras las pruebas iniciales y comple­mentarias efectuadas a partir del “MS Beaufort”, “MV Michael A” y “MS Beluga” desde 2006, se haga posible la sucesiva implantación del mismo en numerosas unidades desde su construcción, llegando a alcanzar las 1500 unidades para el año 2015, lo cual no es ningún disparate si nos basamos en el continuo aumento del precio del crudo y las restriccio­nes en cuanto a la emisión de gases de efecto invernadero recientemente impuestas tras Copenhague (2009).

Fig. nº 5.- Diversos tipos de buques en los que se empleó el sistema desde 2006

Su empleo supondría un ahorro medio de 1,600 $ al día por unidad (considerando el precio medio del crudo durante 2009, y estimando un 35 % de ahorro del consumo diario, lo que es aplicable especialmente a buques im­plicados en derrotas trasatlánticas), es decir, 1.500 unidades x 1.600 $ = 2.400.000 $ al día, o lo que es lo mismo, si consideramos un precio medio para el barril de crudo en 2009 de 70 $, un ahorro en el consumo de 34.285 barriles de crudo al día, que se convertirían a su vez en un buen número de toneladas de gases contaminantes de efecto in­vernadero. Sin duda que, la conciencia ecológica de los gobiernos y la necesidad de evitar en la medida de lo posible un previsible cambio climático, hará que el modelo se emplee en diversos tipos de buques, lo cual ya es posible de acuerdo con la experiencia adquirida.
En cuanto al conjunto que permite el lanzamiento, operatividad y recogida de la cometa, como hemos anticipado, lo podemos descomponer en tres partes fundamentales, que están bajo el control de un sistema informático que dispone de un panel en el puente de gobierno, y otro panel en proa, próximo a al mástil telescópico que controla la cometa y su jarcia. Sistema de control: Basado en ordenador de a bordo, que se encuentra enlazado mediante un sis­tema de comunicaciones vía satélite, por el que recibe información sobre la previsión meteorológica (especialmente la relativa a dirección y velocidad del viento en altura) y otra de índole diverso, e incluso con su ayuda, como veremos más adelante, puede proporcionar información sobre la derrota óptima en relación con los vientos previsibles en un viaje transoceánico.
El conjunto se completa con el Sistema de vuelo, compuesto por la cometa con sus aparejos para el despliegue y cabo de remolque, y un Sistema de lanzamiento y recogida, con su winche, mástil desplegable hidráulicamente y jarcia especifica de lanzamiento y recogida del cometa.

Fig. nº 6.- Esquema de la integración de los componentes (Falko Fritz).

Una cápsula de control (control pod) del cometa, situada al final del cabo de remolque, transmite información al panel de control del sistema informático situado en el puente de gobierno y panel de control de proa: Altura, direc­ción y fuerza de tracción ejercida por el viento sobre la cometa.

Fig. nº 7.- Fotografía de los com­ponentes del sistema de vuelo (Falko Fritz).

La correa servo controlada (servo controlled belt) permite efectuar variaciones en la dirección de la cometa (Fig. nº 7). Actualmente los equipos de ingenieros están perfeccionando dicho equipo para su empleo automático nocturno. El Sistema de lanzamiento y recogida (Fig. nº 8), esta compuesto como sabemos, por el winche, el mástil telescópi­co, y el modulo de estiba de la cometa y su jarcia (sails arrangement module – SAM), que detallaremos.

Fig. nº 8.- Esquema del sis­tema de lanzamiento y reco­gida (Falko Fritz).

En la figura nº 8 y 9, podemos apreciar cual es la función del SAM (sails arrangement module), relacionada con la estiba y control de la cometa, así como con el afirmado del punto de remolque.

Fig. nº 9.- Esquema de fun­cionamiento del SAM (Falko Fritz)

El SAM y todos los subsistemas son operable desde un panel de control situado en el mamparo de popa de la estructura que soporta el mástil telescópico, tal y como podemos apreciar en la figura nº 10.

Fig nº 10.- Panel de control de proa del “Theseus” (Foto: Ós­car Villar).

El panel de proa, permite el control electro-hidraúlico de los mástiles, cableados y winches. La posición de la co­meta será ajustada de acuerdo con lo establecido por el ordenador situado en el puente de gobierno, en función de la dirección y fuerza del viento, velocidad y rumbo del buque. Con el soporte informático es posible obtener una pro­pulsión constante en una dirección determinada, mediante un proceso similar al que emplea un piloto automático. También es posible trabajar en modo “routing” para planear viajes de larga distancia, mediante el empleo de cuatro módulos de modo coordinado:

Predicción meteorológica: Los nuevos procedimientos de predicción nos dan información para cinco días. Las predicciones puntuales para fenómenos locales en un área determinada, se pueden conseguir aproximadamente con medio día de anticipación. El resultado del control de ruta mediante este procedimiento ayuda a evitar peligros y mantener la seguridad y operatividad del sistema.

Análisis: Los datos de la previsión meteorológica, son empleados para hacer otra previsión en relación con la po­tencia a suministrar por el sistema de remolque en dichas condiciones, habitualmente en kilowatios. El análisis de la situación proporcionará recomendaciones de cómo optimizar el empleo de la cometa en función de las condiciones meteorológicas previstas, para lo cual el sistema informático considera además datos propios de cada buque.
Modelo para la toma de decisiones: Con la información obtenida y el análisis efectuado, la compañía naviera es­tablecerá las prioridades del buque. El modelo de toma de decisiones tiene en cuenta tanto los requerimientos del armador y otros parámetros tales como máximo consumo de combustible admitido, y hora tope de llegada al destino, y automáticamente con todos ellos, establece la derrota óptima.
Recomendación de derrota óptima: La derrota óptima se traza en formato de way poinsts y es transmitida al capitán del buque. La información contendrá además datos precisos sobre altura, longitud del cable de remolque y ángulo de empleo de la cometa en cada tramo, dicha información permite trazar la derrota más adecuada en función de los datos suministrados al sistema informático.

Fig. nº 11.- Resultados operativos (Skysails): Posición de la línea de remolque (en rojo) en función de la velocidad y dirección del viento y del buque.

La cometa puede ser largada hasta una altura de 500 m sobre el punto de afirmado, teniendo en cuenta que el viento crece exponencialmente con la altura, y que a partir de los 300 m se pueden encontrar vientos de dirección constante, incluso cuando a nivel de superficie se registran calmas.

Fig. nº 12.- Consola Skysail en el puente de mando del “Theseus” (Foto Óscar Villar).

En cuanto a las posibles variaciones en el rumbo previsto por la acción del remolque sobre el gobierno del buque, los constructores del sistema, el propio capitán y técnicos de mantenimiento a bordo del buque “Theseus”, los cuales entrevisté para escribir este artículo, aseguran que no afecta dicha interacción de forma apreciable, debido al empleo del piloto automático aerodinámico con que está dotado el sistema, que actúa sobre la dirección de la cometa para evitar que su acción perturbe el gobierno del buque.

Fig. nº 13.- Ejemplo de supuesto de derrota óptima.

Los fabricantes del sistema insisten en que su funcionamiento se basa en un proceso completamente automati­zado (aún en desarrollo), dado que durante el tiempo en que la cometa está desplegada es controlada por un piloto automático, y además, la propia tripulación se puede encargar tras un entrenamiento de las labores de despliegue y recogida de la misma.

Fig. nº 14.- Experiencia de ahorro de combustible en el MV Michael A (Falko Fritz)

En cuanto al espacio útil que ocupan los módulos que lo componen, como se puede apreciar en las diferentes figuras y fotografías que acompañan a este artículo, es compatible con los elementos de maniobra situados en proa, y tampoco afecta a los destinados como espacios de carga.

Consideraremos no obstante que, todo equipo instalado a bordo, ha de tener un coste por instalación (aproxi­madamente 600.000 € - 2009), operatividad y mantenimiento, incluidas las averías o malfuncionamientos que pueda sufrir, lo que aparentemente, y en función de los estudios técnicos realizados, será totalmente compensado con la reducción del consumo de combustible y en la misma proporción de gases contaminantes a la atmósfera.

Como se puede apreciar en la figura nº 14, relativa a la experiencia del empleo de cometa remolcada con el siste­ma Skysails a bordo del “MV Michael A”, el 13 de marzo de 2008 (Falko, F. 2008), con un viento de 12,5 m/seg del 215º, se llegó a obtener un ahorro de combustible del 57 % y una velocidad del buque de 11,6 nudos, en relación con el consumo obtenido empleando en las mismas condiciones exclusivamente el motor diesel, lo que hubiera supuesto alcanzar una velocidad de tan solo 10 nudos. Es decir, un ahorro de combustible del 57 % para las mismas revolucio­nes del motor (pasando el consumo de 0,23 T/h a 0,1 T/h), y un incremento de la velocidad de 1,6 nudos, o lo que es lo mismo de un 13,8 %, con vientos de popa o casi de popa durante toda la travesía.

Los resultados reales obtenidos en situaciones diversas hasta la fecha tras estrictas pruebas del “MS Berluga Skys­ails”, partiendo de la base que la cometa con la que navega es de prueba, con una superficie de 160 metros cuadrados, han determinado a los ingenieros implicado en su desarrollo, en vista de su gran rendimiento obtenido, a colocar la definitiva (que le dobla en área superficial, 320 m2) en un futuro inmediato. Así mismo, una representante de la na­viera Beluga comenta que se están construyendo buques más grandes que vendrán equipados con cometas de hasta 600 m2. Sea como sea, vemos que la famosa mención en varios medios de prensa de una cometa con un tamaño similar al de un campo de futbol (90×45 m = 4.050 m2) por ahora es una “enorme” exageración.

En la actualidad, viajan a bordo de buques de esta naviera equipados con cometa, varios ingenieros de la casa fabricante del sistema (Skysails), los pude ver y entrevistarme con ellos a bordo del “Theseus” en Torrevieja (Alicante), efectuando pruebas diversas, entre ellas las relativas al empleo del joystick que hasta ahora se maneja manualmente. Eso impide usar la cometa de noche, puesto que no se puede ver, y por lo tanto, no se puede direccionar a placer. No obstante, la casa fabricante perfecciona en la actualidad un procedimiento completamente autónomo de navega­ción, que permita al capitán desplegar la cometa y dejarla en “piloto automático” para poder aprovechar su empleo y consecuente ahorro de carburante también durante la noche. A pleno rendimiento, el parapente sigue una trayecto­ria aérea en forma de signo de infinito (8) y permite que se active el “modo ahorro” (un régimen de deceleración) en los motores del buque.
En contra de lo que pueda parecer, la cometa funciona también bastante bien cuando el viento aparente se recibe por el costado, y aunque el ahorro en esos casos llega al 10-15% del que se consigue cuando el viento sopla de popa (a favor), dicho ahorro sigue siendo muy interesante. De hecho, el único momento en que la cometa no es inutilizable es cuando el viento sopla de proa (o frontalmente) en grados comprendidos entre -45 y 45º, los otros 270º grados de la circunferencia en cuanto a dirección eólica son aprovechables.

Tratando de obtener una información útil final del ahorro que proporciona este sistema, podemos calcular en función de los diversos estudios realizados que, siguiendo las recomendaciones del ordenador de abordo, se pue­de obtener un ahorro de combustible de entre el 10 % y el 35 % anual, en función del tipo de buque y ruta, y una reducción proporcional en la emisión de gases contaminantes para cada uno de estos buques, lo que sin duda son beneficios extrapolables tanto a los costes de explotación, como al mejoramiento del medio ambiente, en función de la reducción de emisiones de gases contaminantes.

Conclusiones.­

1.- El transporte marítimo es actualmente una industria global afectada por la crisis industrial y los efectos de la globalización. La mayoría de la manufactura se concentra a miles de kilómetros de los centros de los consumidores en Europa y EE.UU. Cerca de 100.000 cargueros transportan el 95% del comercio internacional por mar, y la navegación se está extendiendo con rapidez, mientras que países como India y China se han convertido en los líderes de esta economía global.

2.- Frenar la contaminación es el objetivo marcado por acuerdos que pretenden compromisos a nivel global (Kyo­to, Copenhague), conscientes de que para nada sirven los esfuerzos de zonas, países o sectores productivos, si dicho esfuerzo no se extiende a todos ellos. El coste del combustible de un carguero casi se ha duplicado en los últimos dos años, forzando así a la industria a considerar otras alternativas. Al mismo tiempo, ha aumentado la preocupación sobre el cambio climático y la contaminación. Se calcula que la navegación comercial, que tradicionalmente utiliza los combustibles más contaminantes, consume cerca de 2.000 millones de barriles de petróleo al año, y emite hasta un total de 800 millones de toneladas de CO2, lo que equivale al 4% de las emisiones provocadas por el hombre en todo el mundo. La navegación, y en particular las emisiones de los motores marinos, también contamina la atmósfera con más dióxido de azufre que todos los coches y camiones del mundo.

3.- La industria, cada vez más conservadora, no ha logrado aprovechar la energía renovable ni la tecnología vélica aplicada a buques convencionales por ahora, sea porque el combustible convencional era antes barato, o porque las cargas modernas la mayoría son transportadas en contenedores, que necesitan mantener estabilidad en cubierta. No obstante, con anterioridad se han propuesto velas o spinnakers para los barcos de mercancías, pero estos aparatos ocupan mucho espacio y pueden restar estabilidad al buque.

4.- El sistema de cometas, desarrollado durante 10 años con la ayuda del Gobierno alemán, utiliza un piloto auto­mático conectado a una cometa tipo parapente controlada por un ordenador. Esto permite que la vela se mueva en cualquier dirección y altura para encontrar el viento mas favorable, y evita también el exceso de escora, optimizando la propulsión que imprime al conjunto, evitando incluso las alteraciones de rumbo del buque que la despliega. No obstante, la cometa no está diseñada para sustituir motores. Todavía existen muchas preguntas sobre cómo actuará el sistema con vientos muy fuertes, y qué ocurriría si la cometa cayera al mar, especialmente en zonas de tráfico ma­rítimo denso y durante las horas nocturnas, o incluso en la inmediatez de la ejecución de una maniobra de hombre al agua.

5.- El objetivo comercial de las compañías involucradas en su desarrollo, es que tras las pruebas iniciales y com­plementarias efectuadas a partir del “MS Beaufort”, “MV Michael A” y “MS Beluga” desde 2006, sea posible la sucesiva implantación en numerosas unidades desde el proceso de construcción, llegando a alcanzar las 1500 unidades para el año 2015, lo cual es más que posible si nos basamos en el continuo aumento del precio del crudo, y las restricciones en cuanto a la emisión de gases de efecto invernadero recientemente impuestas tras los encuentros de Copenhague (2009).

6.-Ha quedado demostrado que, el empleo de estos sistemas basados en la tecnología velica, usando cometas para auxiliar la propulsión de buques de carga convencionales dotados de motores diesel de combustión interna como medio principal de propulsión, puede llegar a obtener un ahorro de combustible de hasta el 57 % para las mismas revoluciones del motor (pasando el consumo de 0,23 T/h a 0,1 T/h), y un incremento de la velocidad de 1,6 nudos, o lo que es lo mismo, de un 13,8 %. Si bien dichos resultados se pueden considerar óptimos, podemos calcular en función de los estudios realizados que, siguiendo las recomendaciones del sistema, se puede obtener un ahorro de combustible de entre el 10 % y el 35 % anual, en función del tipo de buque y ruta, y una reducción proporcional en la emisión de gases contaminantes para cada uno de estos buques, lo que sin duda son beneficios extrapolables tanto a los costes de explotación, como al mejoramiento del medio ambiente, en función de la reducción de consumo y consecuentemente de gases contaminantes.

7.- De generalizarse el empleo en la flota mercante mundial de esta tecnología “verde”, la OMI, la EMSA, el Paris MOU y otras organizaciones implicadas en la seguridad de la navegación, el cumplimiento de los convenios interna­cionales y el control de buques mercantes, deberán emitir las directivas oportunas que garanticen las inspecciones que deberían pasar estas instalaciones de acuerdo con el protocolo estandarizado empleado en el Memorando de Paris, y otras si fueran necesarias, en relación con las precauciones de seguridad a cumplimentar para minimizar los riesgos de abordajes durante su empleo (COLREG).
Óscar Villar Serrano Doctor en Náutica y Transporte Marítimo
Jefe del Distrito Marítimo de Torrevieja Inspector Paris-MOU

Bibliografía y Fuentes

1.- Falko, F. 2008.- Turn wind into profit: Then SkySails System. Air emissions from shipping status and way ahead. Copenhague. Octubre 2008.

2.- Secretaría de la UNTAC. 2008.- El transporte marítimo en 2008. Conferencia de las Naciones Unidas sobre el comercio y el desarrollo. New YorK y Ginebra 2008.
3.- Ockels Wubbo J. 2008.- Laddermill-Sailing. Ship propulsion by wind energy independent from wind direction. Netherlands 2008.
4.- Villar, O. 2009.- Visita efectuada al buque “Theseus” en Torrevieja (Alicante) el 10 de diciembre de 2009.
5.- www.lr.tudelft.nl.asset
6.- http://www.skysails.com
7.- http://www.kiteboat.com