Innovaciones marítimas: almacenamiento de energía y logística de baterías

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El transporte marítimo electrificado está ganando terreno a nivel mundial. Para 2030, se espera que los transbordadores, remolcadores y buques de carga electrificados tengan un valor de $ 14,2 mil millones. Dado que la propulsión eléctrica aumenta en popularidad, la importancia del almacenamiento de energía y la logística de la batería es lo más importante para las empresas de producción de energía.

Según un estudio de 2022 centrado en el almacenamiento de energía, hay disponibles varias químicas de baterías de iones de litio, y las fuentes apuntan al óxido de litio, manganeso y cobalto como la solución más factible para los buques. A medida que la demanda de embarcaciones electrificadas continúa creciendo, también lo hace la necesidad de un suministro sostenible y confiable de litio.

El primer buque de carga autónomo completamente eléctrico del mundo se botó en Noruega en 2021. El barco de 80 metros (262,4 pies) y 3200 toneladas está propulsado por ocho baterías de iones de litio con una capacidad de 6,8 MWh, extraídas casi exclusivamente por generación de energía hidroeléctrica.

Un problema clave con la propulsión eléctrica es la falta de infraestructura de carga. Aunque las empresas de almacenamiento de energía comotécnica Stemmann están abordando el problema, las instalaciones de carga en los muelles aún son escasas en los puertos. Pero este obstáculo da paso a un nuevo método de carga: boyas de energía.

Las boyas eléctricas que están previstas para cargar en sitios eólicos marinos también podrían adaptarse a aplicaciones de fondeo. La opción podría proporcionar energía desde tierra mientras los barcos esperan un atracadero disponible o las instrucciones del próximo viaje.

Los supercondensadores y los superconductores son tecnologías de almacenamiento de energía que se encuentran en diversos grados de desarrollo y despliegue comercial en el ámbito marítimo.

Aunque estas tecnologías aún no están en uso en embarcaciones, se buscan como una fuente alternativa de almacenamiento de energía para uso especializado en función de las características que las diferencian de las baterías. El almacenamiento de energía de supercapacitores no es adecuado para el almacenamiento de energía primaria en una embarcación, aunque puede resultar útil como suplemento de demanda máxima, arranque del motor o suplemento de posicionamiento dinámico.

HÍBRIDO

Los sistemas híbridos se pueden separar en dos configuraciones: híbridos en serie o híbridos en paralelo. Las transmisiones en serie y en paralelo permiten que el motor y el motor eléctrico proporcionen potencia de forma independiente o en conjunto.

Los sistemas híbridos en serie se asemejan a la propulsión diésel-híbrida, pero se combinan con el almacenamiento de energía. Las hélices son impulsadas en su totalidad por motores eléctricos, mientras que los generadores diésel proporcionan tanto propulsión como energía auxiliar. El banco de baterías se puede cargar con un generador diésel, energía de la costa u otras fuentes de energía natural, como la eólica, la solar y la hidroeléctrica. Estas baterías se cargan durante los momentos de baja demanda de energía y se descargan durante los picos de demanda de energía.

Los sistemas híbridos paralelos son un cruce entre la propulsión convencional y un sistema diesel-eléctrico. Los sistemas híbridos paralelos son los más adecuados para embarcaciones que utilizan una variedad de demandas de potencia de propulsión. Los candidatos ideales son los remolcadores de escolta y asistencia portuaria que normalmente requieren motores diésel de alta potencia que impulsan hélices de gran diámetro. Mientras ayuda con el movimiento o el desguace de embarcaciones en alta mar, la potencia máxima solo se necesita durante un pequeño porcentaje del tiempo de funcionamiento de la embarcación, mientras que las operaciones restantes se realizan en ralentí o con baja potencia.

Los sistemas híbridos mecánico-eléctricos están ganando popularidad en todo el mundo. En 2018, Noruega entregó un catamarán híbrido diésel-eléctrico, Vision of the Fjords, que puede funcionar con el 100 % de la energía de la batería.

Washington State Ferries (WSF), el sistema de transbordadores más grande de los EE. UU., actualmente está convirtiendo 16 transbordadores en sistemas híbridos mecánico-eléctricos. El programa ha recibido $1,330 millones de subvenciones y fondos estatales y federales hasta la fecha, aunque aún necesita $2,370 millones adicionales para estar totalmente financiado.

Maersk está probando un sistema de batería marina de 600 kW a bordo del Maersk Cape Town, un buque portacontenedores de 250 metros (820 pies) con una capacidad de carga de 4500 TEU, para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del buque. Este buque también incluye un sistema de recuperación de calor residual, lo que permite cargar la batería a partir del calor residual.

BATERÍA (TODO ELÉCTRICO)

Las baterías de iones de litio son la fuente de energía más popular de las embarcaciones totalmente eléctricas. Su alta energía y densidad de potencia junto con su ciclo de vida relativamente largo los convierte en candidatos ideales para el transporte marítimo.

Hay tres químicas primarias de batería de iones de litio, cada una con su propio conjunto de características preferidas. Son níquel-manganeso-cobalto (NMC), litio-hierro-fosfato (LFP) y litio-titanato-óxido (LTO).

La química de la batería NMC comprende la mayoría de la flota eléctrica actual y contiene la energía específica más alta de las tres composiciones. Las características deseables de las dos químicas adicionales son un ciclo de vida prolongado y una mayor estabilidad, aunque cada una tiene energías específicas más bajas.

En Gee's Bend, Alabama, el transbordador de Gee's Bend se actualizó para recargar al 100 % la batería de iones de litio. El ferry funciona con dos bancos de baterías de 135 kWh y nuevos motores de inducción de 480 VCA para la propulsión.

Cuando las embarcaciones navegan largas distancias, los desafíos clave para usar la propulsión eléctrica de batería son el tiempo bajo potencia y la capacidad de recarga. Como resultado, la cantidad de energía que pueden almacenar las baterías a bordo es limitada. Hay algunas empresas que están abordando este problema para los buques de transporte de larga distancia.

Asea Marrón Boveri,EST-Floattechyflota cerohan desarrollado sistemas de baterías en contenedores que están reforzados para la inversión, el impacto y las fuerzas g que se experimentan a bordo de una embarcación.

El año pasado,flota cero obtuvo $ 15,5 millones y está en busca de un barco para convertirlo para que funcione con las baterías de su contenedor. El plan de la compañía es segmentar las rutas de envío en viajes más cortos, centrándose en puertos más pequeños y utilizando un esquema de batería compartida.

ESTACIONES DE CARGA

Las embarcaciones que operan en rutas fijas más cortas, como transbordadores y remolcadores, son óptimas para la operación eléctrica. Estas rutas pueden simplificar las necesidades de infraestructura de carga en comparación con los buques de carga más grandes. Los paquetes de baterías pueden alimentar completamente los transbordadores durante su viaje, y las rutas predecibles permiten el despliegue eficiente de la infraestructura de carga en la costa.

con sede en Alemaniatécnica Stemmann es una empresa de almacenamiento de energía que diseña sistemas de suministro de energía en tierra para buques portacontenedores y transbordadores. Los sistemas están diseñados para resistir los cambios de marea y el movimiento de los buques.

Otra opción de cobro que pretende facilitar la congestión del tráfico en los puertos son las boyas de cobro en alta mar. Maersk Supply Service y Ørsted han unido fuerzas para probar una boya piloto de carga en 2023. La prueba se llevará a cabo en uno de los parques eólicos de Ørsted en el Mar del Norte, con el prototipo de boya Stillstrom suministrando energía a los buques de operación de servicio (SOV) y a la tripulación. buques de transferencia (CTV) que operan en la granja.

Las boyas de carga permiten planchar en frío mientras se está anclado. La reducción general de las emisiones depende de si la energía proporcionada por la boya proviene de fuentes renovables como la eólica o la hidroeléctrica.

TECNOLOGÍAS EMERGENTES DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA

Una tecnología emergente de almacenamiento de energía que aún no se ha implementado comercialmente es el almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES). Inicialmente previsto para nivelación de carga y sistemas a escala de red en tierra, SMES ahora se está considerando para energía pulsada y reducción de picos a bordo de embarcaciones.

SMES consiste en una bobina superconductora que se enfría a una temperatura criogénica que le permite alcanzar un estado superconductor. El funcionamiento de SMES se basa en la noción de que una corriente eléctrica continuará un flujo indefinido a través de un sistema de circuito cerrado que conduce electricidad en cualquier estado de carga.

Al cargar, la corriente fluye en una sola dirección y el sistema de acondicionamiento de energía genera un voltaje positivo en la bobina para almacenar energía. Durante la descarga, el sistema de acondicionamiento de energía se modifica para imitar el sistema como una carga a través de la bobina generando un voltaje inverso.

Los sistemas SMES son capaces de una respuesta rápida. En cuestión de segundos, pueden cambiar de modo de carga a descarga y viceversa, lo que los convierte en excelentes candidatos para energía pulsada y reducción de picos a bordo de embarcaciones.

Los supercondensadores contienen el mismo nivel de rapidez al cambiar entre las fases de carga y descarga y están a punto de llegar al mercado marítimo. Los supercondensadores almacenan electricidad en forma de energía electrostática, a diferencia de las baterías que almacenan energía a través de reacciones electroquímicas relacionadas.

Un beneficio adicional de los supercondensadores es su ciclo de vida más largo en comparación con las baterías de iones de litio.

Soluciones Industriales Nidec (NIS) está trabajando con diseñadores y arquitectos navales para implementar supercondensadores de carga rápida para un ferry totalmente eléctrico en Francia. El sistema de Nidec se basará en 128 supercondensadores que se distribuirán por cada casco del catamarán. En lugar del sistema tradicional de recarga de baterías, que tarda más de 30 minutos en cargarse, se prevé que los supercondensadores de Nidec permitan que el transbordador se recargue en solo 4 minutos.

con sede en AlemaniaTecnologías de esqueletoestá desarrollando un módulo de supercondensador que se ha sometido a pruebas de refrigeración líquida y por aire y está pasando por un proceso de certificación marina.

Sin embargo, existen limitaciones en la cantidad total de energía que pueden almacenar los supercondensadores. Esa energía almacenada también se autodescarga cuando se almacena durante largos períodos de tiempo.

En general, las necesidades operativas de una embarcación dictarán su sistema de almacenamiento de energía especializado. A medida que los sistemas de electrificación y propulsión alternativa establezcan aún más su presencia en la industria marítima, con el tiempo, se puede esperar que los sistemas de almacenamiento de energía continúen avanzando categóricamente en relación con el tipo de embarcación.

Ben Hayden es un residente de Maine que creció en los astilleros del norte de Massachusetts. Su pasión por contar historias surgió en una película independiente que destacaba negocios sostenibles, agricultores y pescadores mientras navegaban por la costa de Maine.