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Mejor juntos: baterías y pilas de combustible

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A medida que el transporte marítimo experimenta con sistemas de propulsión híbridos, las baterías y las pilas de combustible se consideran cada vez más tecnologías complementarias, en lugar de competidoras

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Han pasado cinco años desde que el primer buque a batería, el ferry noruego Ampere, entró en servicio en mayo de 2015. Había unos 55 buques con baterías instaladas en esa fecha; hoy hay 166 buques en funcionamiento con baterías a bordo y se han pedido otros 161, según el Foro de Baterías Marítimas.

Los proveedores de tecnología de baterías han respondido a este aumento de interés con inversiones específicas en el sector. A principios del año pasado, Corvus, el líder en baterías marinas, con una cuota de mercado del 32% (59 buques en operación), anunció sus planes de abrir una fábrica de baterías marinas totalmente automatizada de 80 millones de coronas noruegas (9,3 millones de dólares) en Bergen a finales de 2019, con una capacidad de producción anual de 400 MWh.

En enero de este año, Siemens abrió su propia fábrica de robots en la costa noruega de Trondheim. Con una capacidad de producción de 300 MWh de módulos de baterías, la fábrica de Siemens es más pequeña que las instalaciones previstas por Corvus. Sin embargo, se trata de una inversión significativa en relación con el tamaño del negocio existente de la empresa en el sector náutico: aunque Siemens ha actuado como integrador de sistemas de baterías en 33 buques en servicio, ha utilizado sus propios módulos con muy poca frecuencia. El nuevo sitio, que puede construir más de seis baterías en cada turno, le ayudará a servir a lo que considera un mercado en crecimiento en los sectores marino y de alta mar.

El Centro Marino Offshore de Siemens en Trondheim ha sido complementado por una fábrica de baterías robóticas

Los buques como el Ampere que funcionan únicamente con baterías siguen siendo la minoría. De los recipientes equipados con baterías en operación y en orden, el 75% son híbridos. De ellos, sólo el 23% se cobra por una conexión en tierra, mientras que el resto sólo se cobra con los motores. Y aunque los pequeños transbordadores costeros siguen siendo el pilar de la utilización de baterías, su uso se está extendiendo rápidamente a otros sectores.

"Todo proyecto de buques comienza ahora con una discusión sobre el uso de baterías o combustibles alternativos", dice Sondre Henningsgård, líder de sistemas marítimos de DNV GL y director gerente del Foro de Baterías Marítimas. Destaca el sector offshore como uno de los sectores con mayor potencial de crecimiento, con múltiples proveedores -entre ellos Corvus y Siemens- que ofrecen soluciones en contenedores para buques de suministro offshore. Cerca de 30 buques de alta mar estarán equipados con baterías entre 2019 y 2021, según las cifras del foro.

"Las baterías podrían sustituir a un motor auxiliar y utilizarse para hacer frente a los picos de la demanda de energía, permitiendo que los auxiliares restantes funcionen con una carga más óptima"

Siemens tiene sus ojos puestos en el crecimiento offshore. Northern Drilling introducirá el primer sistema de almacenamiento de energía en una plataforma semisumergible cuando West Mira comience a operar en el Mar del Norte este año. Los generadores diesel-eléctricos de la plataforma se complementarán con un sistema de iones de litio, el BlueVault de Siemens, que se espera que reduzca el tiempo de funcionamiento de los motores diesel de la plataforma en un 42%. Esto reducirá las emisiones de CO2 en un 15% y las de NOx en un 12%. La solución consiste en cuatro sistemas de convertidores y baterías con una potencia máxima total de 6 MW.

El director de soluciones offshore de Siemens, Bjørn Einar Brath, afirma: "Las plataformas offshore tienen un consumo de energía muy variable para la perforación y el posicionamiento dinámico. Al incorporar el almacenamiento de energía, es posible reducir el tiempo de funcionamiento de los motores diesel y mantenerlos funcionando en un nivel de combustión optimizado. Esto, en última instancia, conduce a una reducción de las emisiones"

Gaseros híbridos

El transbordador Aurora Spirit es uno de los primeros buques de su sector en desplegar baterías de propulsión

Otros sectores también están empezando a tomar nota. A principios de este año, Samsung Heavy Industries (SHI) entregó el primero de los inusuales buques cisterna híbridos de Teekay Offshore. El buque cisterna, uno de los cuatro que se encargan con otras dos opciones, cuenta con propulsión de GNL de doble combustible por medio de motores que también son capaces de quemar compuestos orgánicos volátiles (COV) emitidos por la carga del buque. También se instalan baterías, lo que significa que los motores auxiliares de Wärtsilä pueden quemar COV a medida que se emiten y almacenar la energía a utilizar con la propulsión diesel-eléctrica del buque.

Como resultado de este proyecto, Wärtsilä y SHI han formado una asociación para explorar el uso de baterías en otros buques cisterna y, por primera vez, en el segmento de los gaseros. El objetivo del proyecto es optimizar los costes de capital y de explotación de estos tipos de buques, ampliando al mismo tiempo el uso de soluciones híbridas y eficientes.

SHI también está interesada en entrar en el mercado marino con sus propias baterías - la compañía hermana Samsung SDI es un gran productor de baterías de iones de litio y está haciendo crecer su negocio de almacenamiento de energía. Samsung podrá utilizar el centro híbrido de Wärtsilä en Trieste -una instalación que permite realizar pruebas a escala real de los sistemas de propulsión híbridos- para explorar las mejores propiedades de la batería y las mejores especificaciones para uso marino.

"Estamos siendo testigos de indicadores tempranos de una interrupción a largo plazo en la industria marina, con motores diesel sucios siendo sustituidos por sistemas de celdas de combustible de emisión cero"

El director de ventas de Wärtsilä, en el segmento comercial, Stein Thorsager, dice: "Ven la ventaja de usar baterías como parte de la demanda de energía a bordo y creen firmemente que esto será de valor para otros buques cisterna y buques de gas"

La propulsión de los gaseros suele ser proporcionada por motores de dos tiempos, con motores de velocidad media que satisfacen la demanda de energía a bordo, incluyendo la re-liquefacción y la carga de la carga. Las baterías podrían sustituir a un motor auxiliar y utilizarse para hacer frente a los picos de demanda de energía, permitiendo que los auxiliares restantes funcionen con una carga más óptima. Esto reduciría el consumo de combustible así como el mantenimiento de los motores restantes.

El Sr. Thorsager señala que algunos buques de transporte de GNL ya utilizan la propulsión eléctrica. Estos arreglos hacen que sea fácil considerar la posibilidad de agregar baterías a la configuración.

"Creemos en la propulsión eléctrica para algunos de los buques más pequeños de GNL", dice. "Ya vemos interés en estos conceptos por parte de los armadores y fletadores que están estudiando todas las opciones para reducir sus emisiones a fin de cumplir los objetivos de la OMI"

Las baterías pueden ofrecer importantes ahorros de combustible - los buques cisterna del transbordador Teekay prevén utilizar un 22% menos de combustible que otros buques similares como resultado de su capacidad para quemar COV y almacenar energía en las baterías. Pero la medida en que las baterías pueden ayudar al transporte marítimo a cumplir sus objetivos de emisión de gases de efecto invernadero depende en gran medida de cómo se genere la electricidad en primer lugar. La electricidad de los motores diesel no permitirá a los buques eliminar las emisiones de carbono. Y mientras que la electricidad desde la costa eliminaría las emisiones a bordo, la tecnología actual de baterías sólo puede proporcionar suficiente carga para viajes relativamente cortos.

"Las baterías por sí solas no resuelven el problema", coincide el Sr. Henningsgård. "Pero permitirán la solución."

Las pilas de combustible en primer plano

Las pilas de combustible están ganando terreno como solución potencial para la descarbonización. Las pilas de combustible no almacenan energía, sino que la convierten en electricidad a partir de una fuente de combustible externa (a menudo hidrógeno), a diferencia de las baterías que almacenan y luego descargan electricidad. La inversión en estas tecnologías - y el número de proyectos que pretenden desplegarlas en el ámbito marino - ha avanzado rápidamente en los primeros meses de 2019.

Reflejando el movimiento de los fabricantes de baterías Corvus y Siemens, en marzo la compañía de celdas de combustible Ballard Power Systems anunció planes para abrir una fábrica dedicada a la producción y reparación de celdas de combustible marinas. El Centro de Excelencia Marina de Ballard's abrirá sus puertas este año en Hobro, Dinamarca, con una capacidad de producción anual de más de 15 MW.

"Estamos siendo testigos de los primeros indicadores de una interrupción a largo plazo en la industria marina, con motores diesel sucios sustituidos por sistemas de celdas de combustible de emisión cero", dice Jesper Themsen, presidente y CEO de Ballard Europe. Dado el ritmo de progreso de este año, su creencia es comprensible.

Aunque todavía no se aplica en el sector marino, la tecnología de las pilas de combustible se conoce relativamente bien. En los últimos años se han llevado a cabo varios proyectos de investigación marina de gran envergadura y las investigaciones se están centrando en la mejor manera de explotar e integrar las pilas de combustible. Una de las asociaciones que exploran este tema es la compañía GE Power Conversion y la compañía de celdas de combustible Nedstack, que ha diseñado una planta de energía de hidrógeno de varios megavatios para buques de pasajeros.

Para este diseño, que utiliza células de membrana de intercambio de protones alimentadas con hidrógeno y produce electricidad, agua y calor sin gases de escape, es crucial el control eléctrico. Se utilizarán accionamientos eléctricos de velocidad variable para optimizar el control de las pilas de combustible y distribuir la electricidad generada. El encender y apagar las celdas de combustible frecuentemente reduce su expectativa de vida y puede ser limitado mediante el uso de motores eléctricos y un sistema de administración de potencia. Esto permitirá que las celdas de combustible alcancen los intervalos requeridos de cinco años en dique seco.

Al igual que con las baterías, Noruega está demostrando ser una fuerza motriz en la temprana adopción marina de las pilas de combustible. Dos proyectos de buques comerciales propulsados por pilas de combustible recibieron financiación en el marco de la iniciativa Piloto-E. Organizado por el Consejo de Investigación de Noruega, Innovation Norway y Enova, Pilot-E apoya varios proyectos medioambientales cada año. De los seis que recibirán financiación en la última ronda, dos están en el sector marino comercial y cuentan con pilas de combustible de hidrógeno.

"El encender y apagar las celdas de combustible frecuentemente reduce su expectativa de vida y puede ser limitado usando transmisiones eléctricas y un sistema de administración de potencia, permitiendo que las celdas de combustible alcancen los intervalos requeridos de cinco años en dique seco"

El operador multimodal Samskip está dirigiendo un proyecto para desarrollar dos portacontenedores para rutas marítimas de corta distancia entre Oslo, Polonia y la costa occidental de Suecia. Las naves serán totalmente eléctricas y se alimentarán con pilas de combustible de hidrógeno.

El equipo del proyecto de Seashuttle incluye al proveedor de tecnología Kongsberg, al especialista en hidrógeno Hyon y a Massterly, la empresa conjunta de soluciones autónomas para buques entre Kongsberg Maritime y Wilhelmsen. La subvención sigue a los 6 millones de euros (6,8 millones de dólares) ya recibidos del gobierno noruego.

Mientras tanto, el grupo noruego de astilleros y tecnología marina Havyard ha recibido 104,3 millones de coronas noruegas (12,0 millones de dólares) para desarrollar un "sistema de energía de hidrógeno de alta capacidad". Se instalará en uno de los cuatro transbordadores de cruceros que se están construyendo para el nuevo operador costero noruego Havila Kystruten. El sistema, combinado con las baterías, permitirá que el buque navegue sin emisiones durante cinco veces más tiempo que otros buques planificados o existentes. Se instalará y entrará en funcionamiento a finales de 2022.

Trabajando al unísono

Es importante la mención de las baterías y las pilas de combustible que funcionan en paralelo en el sistema Havila Kystruten. Para cualquier aplicación, excepto la más pequeña, el almacenamiento de energía es una parte esencial del sistema de potencia. Si la potencia producida por las pilas de combustible no puede utilizarse inmediatamente, debe almacenarse. Para algunos diseños avanzados de pilas de combustible que deben encenderse constantemente, las baterías son esenciales para llevar el exceso de carga.

Uno de los transbordadores de crucero de Havila Kystruten contará con una combinación híbrida de pila de combustible y batería

Un proyecto de investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ha propuesto un sistema de potencia híbrido centrado en pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) que funcionan a carga constante. Las baterías almacenarían cualquier exceso de electricidad generada cuando la demanda de electricidad es menor que la producción de SOFC, mientras que el gas de síntesis producido por las celdas sería procesado en hidrógeno que podría alimentar las celdas de combustible auxiliares de membrana de intercambio de protones (PEM) en la demanda máxima de potencia.

Las celdas de combustible de SOFC desarrolladas por la EPFL han alcanzado una eficiencia del 75%, en comparación con poco más del 50% para los motores más eficientes, pero pueden tardar 20 horas en alcanzar su plena capacidad. Pueden utilizarse para producir una combinación de electricidad, gas de síntesis rico en hidrógeno y calor a alta temperatura. Este calor se utilizaría en un proceso de purificación - consistente en un reactor de cambio agua-gas de dos etapas y una unidad de absorción de oscilación de presión - para generar hidrógeno. Los únicos subproductos serían el CO2 y el agua.

El investigador de la EPFL Francesco Baldi explica que el sistema de energía híbrido se adaptaría a los cruceros debido a sus diversas demandas de energía, en comparación con la energía propulsora necesaria para los buques mercantes. Las SOFC pueden funcionar con una amplia variedad de combustibles líquidos y gaseosos, mientras que las PEM utilizan combustible de hidrógeno, que requeriría un gran espacio de almacenamiento a bordo si se utiliza como fuente de energía principal.

Mientras que las celdas de combustible de óxido sólido pueden ser un prospecto más distante, otros proyectos están explorando la combinación de celdas PEM "tradicionales" con baterías. Uno de ellos está siendo conducido por el astillero noruego Fiskestrand, que está explorando cómo se pueden utilizar las pilas de combustible de hidrógeno y las baterías en una ruta corta de transbordadores a partir del próximo año.

El proyecto HYBRIDship del astillero está considerando el diseño óptimo de la sala de máquinas para las pilas de combustible, así como la forma de integrarlas con otros sistemas. El objetivo es garantizar que la propulsión (incluidas las pilas de combustible) sea lo suficientemente robusta para un servicio repetitivo y de corta duración.

El laboratorio SINTEF Ocean de Trondheim y ABB evaluarán cómo las pilas de combustible y las baterías pueden funcionar mejor juntas para las operaciones de transbordadores de corta distancia. Las pruebas simularán las condiciones que se espera que encuentre un transbordador en una ruta de 10 km de alta frecuencia.

Las pilas de combustible necesitan baterías -o al menos alguna forma de almacenamiento de energía- para ser realmente eficaces a la hora de ayudar a descarbonizar el transporte marítimo. Y, sorprendentemente, podría haber más barreras para la adopción de baterías relativamente maduras que para la incipiente tecnología de pilas de combustible. Los más importantes son el costo y la densidad de energía.

En los cruceros a batería de Hurtigruten, Roald Amundsen y Fridtjof Nansen, los sistemas instalados de 1,35 MWh ocupan sólo una fracción de las salas de baterías diseñadas para albergar instalaciones de hasta 6,5 MWh. Cuando estas instalaciones estén terminadas, se espera que pesen alrededor de 80 toneladas. Esto representa casi la mitad del peso total de los cuatro motores Rolls-Royce B33:45, que satisfacen la mayoría de las necesidades energéticas de los buques.

No es difícil entender por qué los grandes paquetes de baterías todavía no han encontrado aplicaciones en recipientes más sensibles al peso. Y los avances tecnológicos que se espera que lleven la densidad de energía de la batería a un nuevo nivel están demostrando ser dolorosamente lentos para emerger. Según el instituto de investigación BloombergNEF, no se espera que las baterías de estado sólido -la próxima gran esperanza para reducir la tecnología de las baterías- tengan un "impacto significativo" en el mercado de los vehículos eléctricos hasta finales de la década de 2020. Para el más conservador y desafiante mercado marino, podría ser mucho más tarde.

Sin embargo, incluso más que las baterías, son las respuestas al desafío del hidrógeno las que determinarán el éxito de las pilas de combustible en el transporte marítimo. La dificultad de almacenar hidrógeno en grandes volúmenes es bien conocida. Incluso en su forma más compacta y licuada, el hidrógeno ocupa el doble del espacio que el GNL. En el caso de los buques que realizan largos viajes entre la carga de combustible, ésta es una cuestión clave. Los problemas de almacenamiento sólo podrían superarse con cambios importantes en el diseño de los recipientes. La adaptación de los programas de suministro de combustible no sería posible a menos que la disponibilidad de plantas de licuefacción comerciales, en Europa en particular, mejorara drásticamente.

Pero hay una cuestión más fundamental que el almacenamiento. Las pilas de combustible sólo pueden reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del pozo al despertar si utilizan combustible limpio. Están surgiendo tecnologías que podrían suministrar hidrógeno renovable. Las plantas de electrólisis a gran escala han sido diseñadas para su uso en tierra, lo que produciría muchos cientos de toneladas al día. El hidrógeno también podría producirse de forma limpia combinando el reformado de vapor de gas natural con la captura y almacenamiento de carbono. Y un avance reciente de los investigadores de la Universidad de Stanford podría hacer que la electrólisis del agua de mar sea efectiva a mayores volúmenes.

Ninguna de estas soluciones estará disponible a escala comercial de forma inminente. Por lo tanto, la cuestión sigue siendo si las fuentes renovables de hidrógeno pueden ampliarse con la suficiente rapidez como para contribuir a la necesidad relativamente urgente de descarbonización del transporte marítimo.

Las pilas de combustible desempeñarán un papel en la descarbonización del transporte marítimo. Pero el tamaño y el calendario de esa función dependerán en gran medida de los avances en los ámbitos de las pilas y el hidrógeno renovable.