En el diseño naval, la elección del sistema de propulsión de un velero oceánico, es una de las decisiones que debemos analizar con mayor cuidado. No se trata simplemente de elegir un motor con determinada potencia: debemos considerar cómo se genera, se transmite y se utiliza la energía necesaria para mover la embarcación.
En este capítulo de nuestro proyecto de diseño de un velero oceánico, analizamos cuatro alternativas de propulsión:
- Propulsión mecánica convencional con motor diésel.
- Propulsión diésel-eléctrica.
- Propulsión diésel con transmisión hidráulica.
- Propulsión totalmente eléctrica.
Para comparar estas alternativas utilizaremos nuestro propio barco como caso de estudio y tomaremos como condición de referencia una velocidad de navegación de 9 nudos.
Partimos de la resistencia al avance
En el capítulo anterior estudiamos la resistencia al avance de nuestro velero.
De acuerdo con los cálculos realizados, a una velocidad de 9 nudos la resistencia total aproximada del casco es de 14 kN.
Este dato es fundamental porque la potencia que necesitamos no depende directamente del tamaño del motor, sino de la resistencia que debe vencer el barco para mantener una determinada velocidad.
La potencia efectiva necesaria para vencer esa resistencia puede calcularse mediante:
PE = RT * V
donde:
- PE es la potencia efectiva.
- RT es la resistencia total.
- V es la velocidad de avance.
A 9 nudos tenemos:
V = 9 * 0,5144 = 4,63 m/s
Por lo tanto:
PE = 14.000 * 4,63
El resultado es aproximadamente:
PE = 64,8 kW
Es decir, nuestro velero necesita aproximadamente 65 kW de potencia efectiva para vencer la resistencia del casco y mantener 9 nudos, bajo las condiciones consideradas en nuestros cálculos.
Pero estos 65 kW no representan todavía la potencia que debemos instalar en el motor.
Entre el motor y el agua existen diferentes componentes y pérdidas. Por eso debemos analizar cada sistema de propulsión de manera integral.
Sistemas de propulsión de un velero oceánico
1. Propulsión mecánica convencional
La primera alternativa de propulsión de un velero oceánico, es el sistema tradicional utilizado en una gran cantidad de embarcaciones.
El esquema es:
Motor diésel → caja reductora → línea de eje → hélice
El motor entrega potencia mecánica a la caja reductora, que adapta las revoluciones del motor a las necesarias para la hélice.
Desde la reductora, la potencia se transmite mediante la línea de eje hasta la hélice, que finalmente transforma la potencia mecánica en empuje.
Una de las principales ventajas de este sistema es su simplicidad tecnológica.
Es una solución ampliamente conocida en la industria naval. Existen motores, reductoras, repuestos y conocimientos de mantenimiento disponibles, y sabemos cómo diseñar e instalar correctamente este tipo de transmisión.
También presenta una buena eficiencia global y permite obtener una gran autonomía utilizando combustible líquido.
Sin embargo, tenemos varios elementos mecánicos que ocupan espacio y agregan peso: motor, reductora, eje, bocina, soportes y acoplamientos.
Además, el motor diésel genera ruido, vibraciones y calor.
Para un velero oceánico, por lo tanto, es una solución robusta y conocida, pero debemos estudiar si es la alternativa más conveniente para nuestro proyecto.
2. Propulsión diésel-eléctrica
En un sistema de propulsión de un velero oceánico diésel-eléctrico desaparece la conexión mecánica directa entre el motor térmico y la hélice.
El esquema pasa a ser:
Motor diésel → generador → electrónica de potencia → motor eléctrico → hélice
El motor diésel acciona un generador que produce energía eléctrica. Esta energía alimenta la electrónica de potencia y posteriormente el motor eléctrico que mueve la hélice.
Una de las principales ventajas es la flexibilidad de instalación.
El motor diésel y el motor eléctrico no necesitan estar alineados mecánicamente. Esto permite distribuir los componentes de una manera diferente dentro del barco y puede facilitar la utilización del espacio disponible.
Además, el generador puede producir energía para otros servicios eléctricos de la embarcación.
También es posible incorporar baterías al sistema. De esta manera, el barco puede funcionar durante determinados períodos utilizando energía almacenada y poner en funcionamiento el generador cuando sea necesario.
La desventaja es que tenemos varias transformaciones de energía.
La potencia mecánica del motor diésel se transforma en electricidad y posteriormente vuelve a transformarse en potencia mecánica en el motor eléctrico.
Cada una de estas conversiones tiene pérdidas.
Por lo tanto, debemos analizar el rendimiento global antes de determinar la potencia necesaria del sistema.
3. Propulsión diésel con transmisión hidráulica
La tercera alternativa de propulsión de un velero oceánico, utiliza un sistema hidráulico para transmitir la potencia.
El esquema básico es:
Motor diésel → bomba hidráulica → circuito hidráulico → motor hidráulico → hélice
El motor diésel acciona una bomba que genera un determinado caudal y presión de fluido hidráulico.
Ese fluido se conduce hasta un motor hidráulico que transforma nuevamente la energía hidráulica en movimiento de rotación para accionar la hélice.
La principal ventaja es, nuevamente, la flexibilidad de instalación.
El motor térmico puede ubicarse separado del sistema propulsor y la potencia puede transmitirse mediante conductos.
Esto puede resultar interesante cuando las características internas del barco dificultan una instalación convencional de motor, reductora y eje.
Pero también existen pérdidas en cada transformación energética.
Además, el sistema requiere bombas, motores hidráulicos, conductos, válvulas y otros componentes, y las pérdidas de energía terminan convirtiéndose en calor que debe ser evacuado.
Por lo tanto, aunque es una alternativa técnicamente interesante, debemos comparar su eficiencia y sus necesidades de mantenimiento con las de los otros sistemas.
4. Propulsión totalmente eléctrica
La cuarta alternativa de propulsión de un velero oceánico, elimina completamente el motor térmico.
El esquema es:
Baterías → electrónica de potencia → motor eléctrico → hélice
Las baterías almacenan la energía que posteriormente utilizará el motor eléctrico para propulsar el barco.
Esta alternativa presenta características muy atractivas.
Los motores eléctricos tienen pocas partes móviles, pueden alcanzar una elevada eficiencia y producen muy poco ruido y vibraciones.
También permiten una excelente integración con fuentes renovables de energía, como paneles solares o aerogeneradores.
Pero aparece un problema fundamental cuando pensamos en un velero oceánico: la densidad energética de las baterías.
Para navegar durante muchas horas necesitamos almacenar una cantidad importante de energía.
Y esa energía debe estar disponible a bordo en forma de baterías.
Cuantas más baterías instalemos, mayor será el peso y el volumen ocupado.
Y aquí aparece una relación que debemos tener muy presente en el diseño naval:
más baterías → más peso → mayor desplazamiento → mayor resistencia → mayor potencia necesaria.
Por lo tanto, no podemos estudiar la propulsión eléctrica simplemente comparando la eficiencia del motor eléctrico con la de un motor diésel.
Tenemos que estudiar cómo el peso del sistema completo afecta al comportamiento del barco.
La densidad energética: el gran desafío de la propulsión eléctrica
La propulsión de un velero oceánico que usa un combustible líquido concentra una gran cantidad de energía en un volumen y una masa relativamente reducidos.
Las baterías, en cambio, necesitan mucho más peso y volumen para almacenar una cantidad equivalente de energía utilizable.
Esto tiene una importancia especial en una embarcación oceánica.
En una navegación corta, la autonomía puede no ser un problema importante.
Pero si queremos que nuestro velero pueda navegar durante muchas horas utilizando exclusivamente propulsión eléctrica, la cantidad de energía almacenada puede llegar a ser considerable.
Por eso debemos encontrar un equilibrio entre:
- capacidad de las baterías;
- peso del sistema;
- volumen disponible;
- autonomía;
- velocidad de navegación;
- resistencia del casco;
- potencia requerida.
La propulsión eléctrica puede ser muy eficiente, silenciosa y limpia durante su funcionamiento, pero la autonomía oceánica exige analizar cuidadosamente el sistema de almacenamiento energético.
Comparación de las cuatro alternativas
Si comparamos las cuatro posibilidades de propulsión de un velero oceánico, desde el punto de vista de nuestro proyecto, podemos resumir sus principales características.
| Característica | Diésel convencional | Diésel – eléctrico | Diésel – hidráulico | Totalmente eléctrico |
| Eficiencia global | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Simplicidad | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐ |
| Peso del sistema | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐ |
| Ruido y vibraciones | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Mantenimiento | ⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐ | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
| Autonomía | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐⭐ |
| Integración con renovables | ⭐⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ | ⭐ | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
Las cinco estrellas significan la condición más favorable para propulsión de un velero oceánico: el NUESTRO.
El diésel convencional se destaca por su simplicidad, robustez, conocimiento tecnológico, facilidad de mantenimiento y autonomía.
El diésel-eléctrico ofrece una gran flexibilidad de instalación y permite integrar generación eléctrica, baterías y otros consumos del barco.
La transmisión hidráulica también ofrece libertad para distribuir los componentes, aunque debemos considerar las pérdidas de las diferentes transformaciones de energía y las necesidades de mantenimiento.
La propulsión totalmente eléctrica ofrece elevada eficiencia, muy bajo nivel de ruido y vibraciones, pocas partes móviles y una excelente posibilidad de integración con energías renovables.
Su principal desafío es la cantidad de energía que necesitamos almacenar para conseguir una autonomía adecuada para la navegación oceánica.
Por lo tanto, no podemos afirmar que exista un sistema universalmente mejor.
La solución más adecuada dependerá de las características del barco y, fundamentalmente, de la misión para la cual lo estamos diseñando.
¿Cuál propulsión de un velero oceánico elegiremos?
Esta es la pregunta que dejamos abierta en este capítulo.
Sabemos que para navegar a 9 nudos nuestro velero necesita aproximadamente 65 kW de potencia efectiva para vencer la resistencia calculada del casco.
Ahora debemos avanzar un paso más.
Tenemos que considerar las pérdidas de cada sistema y determinar la potencia que deberá entregar realmente el motor.
Después podremos estudiar el consumo energético, la autonomía, el peso de los diferentes componentes y las características de la hélice.
Y si analizamos una alternativa eléctrica o híbrida, también tendremos que dimensionar el banco de baterías y las fuentes de generación de energía.
De esta manera, la elección del sistema de propulsión no será una decisión basada solamente en preferencias tecnológicas.
Será una decisión de diseño naval, basada en las características y necesidades concretas de nuestro velero oceánico.
Seguiremos avanzando paso a paso en el proyecto.
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