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Adams Challenge

SMARTug

El proyecto SMARTUG es un proyecto de investigación y desarrollo que el grupo CINTRANAVAL está desarrollando en colaboración con las empresas SCHOTTEL-GmbH e INDUSTRIAS FERRI.

Las líneas de actuación para este proyecto de Investigación y Desarrollo están encaminadas a aportar ideas que mejoren los siguientes aspectos en el diseño de remolcadores:

1.Reducir el impacto medioambiental (huella ecológica) del buque durante la operación del mismo

2. Aumentar la seguridad de las personas que desarrollan su trabajo en este tipo de buques.

3. Aumentar la seguridad del buque en sí ante posibles contingencias.

4. Reducir el consumo energético del buque a lo largo de su ciclo operativo.

5. Aumentar el confort de las personas que viven a bordo.

6. Aumentar las prestaciones del buque respecto a otros de su mismo porte, redundando en la seguridad de la operación de asistencia a otros buques.

7. Reducir los gastos de operación del buque, reduciendo los gastos de mantenimiento y varios.

8. Mantener el coste de construcción sin elevarlo sobre el coste de construcción de un buque actual de las mismas prestaciones.

Para ello se ha analizado la tendencia del mercado, y mas concretamente se ha contactado con varios Armadores europeos de remolcadores que se han considerado relevantes dentro del sector a fin de recabar de ellos sus inquietudes y necesidades.

De la respuesta obtenida de los diferentes Armadores, se obtiene que el remolcador que mejor se adapta a los términos de este estudio por tener las características mas interesantes para los Armadores sería un remolcador de puerto con capacidad para la realización de remolque largo, con capacidad de escolta, alta maniobrabilidad, sistema de Contra Incendios exterior, tripulación reducida y una capacidad de tiro de aproximadamente 80 t a punto fijo.

De estas mismas respuestas se puede además determinar, lo cual es importante para este capitulo, que las horas de funcionamiento estándar pueden ser del orden de 1500 h/año. Así mismo se ha determinado un Perfil Operativo, en términos de potencia total requerida por la propulsión del remolcador, como se muestra en la siguiente figura.

1      CONSIDERACIONES INICIALES

Si bien el criterio no es unánime respecto al sistema de propulsión del remolcador que se ha tomado como base para el estudio, sí hay una ligera mayoría de preferencias del sistema azimutal por popa (ASD) frente a otras opciones, por lo que se ha utilizado este sistema de propulsión.

En una primera fase, se han analizado los modos de operación en las siguientes configuraciones:

  1. Sistema Diesel mecánico de transmisión directa
  2. Sistema hibrido con PTI
  3. Sistema Diesel eléctrico con dos alternadores, carga compartida

1.1    SISTEMA DIESEL MECANICO DE TRANSMISION DIRECTA

El sistema Diesel Mecánico de transmisión directa consiste en la utilización de dos Equipos Propulsores azimutales situados en la popa del remolcador, que son accionados cada uno de ellos por un Motor Diesel a través de un eje, usualmente con transmisión cardan.

Este sistema tiene como ventaja la transmisión directa de la potencia entre el Motor Diesel que la genera y el Equipo Propulsor que la utiliza. En ese sentido, si bien hay un cierto rozamiento en las chumaceras que soportan el eje y en las articulaciones cardanicas, se puede asumir que no hay pérdida de potencia apreciable entre la salida del motor y la entrada del equipo propulsor

Otra de las ventajas de este sistema es la simplicidad/economía de instalación y mantenimiento ya que no requiere de equipos adicionales con su costo añadido.

También tiene como ventaja frente a otros sistemas, la simplicidad de manejo, ya que la potencia requerida por cada equipo propulsor es generada directamente por cada Motor Diesel, sin necesidad de un sistema de  gestión de potencia (PMS) adicional.

Los inconvenientes principales de este sistema provienen precisamente de su simplicidad. Dado que la potencia se transmite directamente, sin intervención de ningún sistema flexible de gestión, cuando el Equipo Propulsor requiere de poca potencia, el Motor Diesel correspondiente ha de generar esa potencia y no más, de manera que este trabaja alejado de su régimen optimo.

El esquema de funcionamiento de este sistema se puede representar en la siguiente figura, en la que se representa la potencia de cada Motor Diesel en función de la potencia propulsiva requerida.

Si trasponemos esto al Perfil Operativo que se ha obtenido de las consultas a los Armadores, este aspecto implica que los dos Motores Diesel asignados a la propulsión estarán en funcionamiento el 100% de las horas que el remolcador esté en operación. Además, en el grafico siguiente se puede ver cual sería el esquema de funcionamiento de ambos motores en términos de tiempo de operación, observándose que ambos motores estarían la mayor parte de su tiempo trabajando muy alejados de su régimen óptimo.

El segundo inconveniente, proveniente también de esa rigidez en la operación del sistema, se materializa en el hecho de que, en caso de querer disponer de un sistema de Contra Incendios Exterior (sistema FIFI), prácticamente se impone la utilización de Equipos Propulsores con hélices de paso controlable (CPP), a fin de permitir que los Motores Diesel accionen las bombas Contra Incendios. El inconveniente de esto es que, además de ser equipos más caros y de mantenimiento mas costoso, son equipos que tienen un peor rendimiento hidrodinámico.

Como aspecto mejorable del sistema, estaría la instalación de eje recto en lugar de eje cardanico, lo cual aporta dos ventajas principalmente:

  1. Eliminación de las perdidas de potencia que se puedan generar en las articulaciones cardanicas
  2. Reducción drástica del riesgo de vibraciones en las chumaceras, alargando sustancialmente la vida útil de estas.

Sin embargo como contrapartida, tiene de inconveniente la más compleja instalación del eje recto, implicando una perfecta alineación Motor Diesel – Equipo Propulsor.

1.2    SISTEMA HIBRIDO CON PTI

Hemos de comenzar aclarando que si bien estamos calificando este sistema como hibrido, no es realmente así ya que no se ha considerado la utilización de baterías.

El estado del arte en el momento de realización de este estudio es tal que la instalación de baterías y su sistema de gestión asociado para dar potencia suficiente a un remolcador de las características del que estamos estudiando tiene un coste excesivo para considerarlo razonable. Como orden de magnitud indicaremos que un sistema de este tipo, para dar potencia de navegación (15% de la potencia nominal) durante media hora, puede suponer un coste adicional en torno al 20% del precio del remolcador.

Por ello, la alternativa que se ha considerado más interesante es un sistema en el que cada Equipo Propulsor esté accionado por un Motor Diesel de aproximadamente 4/5 de la potencia total requerida y un Motor Eléctrico para la potencia restante. Los Motores Eléctricos serían alimentados por dos Grupos Alternadores de potencia adecuada, capaces de alimentar tanto a los motores eléctricos propulsores como a la planta eléctrica general del remolcador, con el correspondiente sistema de gestión de potencia (PMS).

De esta manera, en los momentos de baja potencia propulsora, el remolcador funcionaría con los motores eléctricos, poniendo en funcionamiento los Motores Diesel propulsores solamente cuando la potencia requerida alcanzase cierto valor.

Este sistema está desarrollado por la firma SCHOTTEL, en sus modelos SRP4000PTI, que disponen del Motor Eléctrico integrado en el Equipo Propulsor, por lo que no implica mayor empacho ni complejidad en la Línea de Ejes, ni hace necesaria la instalación de un engranaje reductor adicional.

En la siguiente figura se puede observar el esquema de funcionamiento en función de la potencia requerida para la propulsión, en la que se ha considerado también una carga eléctrica constante debida al funcionamiento de la planta general del buque.

Como se desprende de esta figura, el remolcador se propulsaría con los motores eléctricos hasta el 20% de la potencia propulsora, momento en que entrarían en funcionamiento los Motores Diesel propulsores.

A partir de ahí funcionarían estos hasta el 80% de la Potencia Propulsora, momento en el cual pasarían a estar complementados por los Motores Eléctricos.

Si este esquema lo trasponemos ahora al Perfil Operativo tendremos la siguiente figura en la que se muestra el tiempo de operación de cada motor o alternador para cada régimen de funcionamiento del mismo.

La primera conclusión que se obtiene de esta figura es que ha desaparecido toda la operación a muy bajo régimen (por debajo del 30%) de los Motores Diesel propulsores, lo cual implica que el rendimiento de los motores será mejor y que su mantenimiento será menor.

La segunda conclusión evidente es que los Motores Diesel propulsores están inactivos un 66% del tiempo, con lo que el tiempo entre mantenimientos (TBO) aumenta de manera muy significativa. Poniendo valores a esta reflexión, podemos indicar que, si en el sistema indicado en 1.1 los Motores Diesel propulsores están en funcionamiento 1500 h al año, en este sistema funcionarían solamente 500 h al año

Respecto a los alternadores, son motores más pequeños y de mantenimiento menos costos.

Hay que tener en cuenta además, que si bien del grafico parece que uno de ellos esta inactivo el 80% del tiempo, y el otro siempre funcionando puesto que estos alimentan también la planta eléctrica del buque. Esta situación difiere de la expuesta en 1.1, en la que un alternador (de otra potencia) que no está involucrado en la propulsión, estará funcionando el 100% de las horas de operación del remolcador, pero habría un segundo alternador continuamente fuera de servicio.

Puesto que el alternador que está en servicio es intercambiable con el que está en stand-by, este sistema supone pasar de un 50% de horas de servicio de ambos alternadores (750 h al año en nuestro caso) a un 60% de horas de servicio de ambos (900 h/año).

Evidentemente, la mejora propuesta en 1.1 en el sentido de eliminar las articulaciones cardan con la instalación de un eje recto, es también de aplicación en este caso.

 

1.3    SISTEMA DIESEL-ELECTRICO CON DOS ALTERNADORES Y CARGA COMPARTIDA

El tercer sistema que hemos analizado consiste en que cada Equipo Propulsor está accionado por un Motor Eléctrico del 100% de la potencia necesaria.

Para alimentar ambos Motores Eléctricos se disponen dos Grupos Alternadores de la potencia adecuada para alimentar también la cara eléctrica del remolcador, y que entran en funcionamiento según cual sea la potencia requerida. El sistema de gestión de potencia se encarga de repartir la carga entre los dos alternadores, de manera que al principio solamente uno de ellos está en funcionamiento, hasta que está entregando el 100% de su capacidad, momento a partir del cual entra en funcionamiento el segundo alternador, repartiendo la carga de manera equilibrada. El siguiente grafico muestra este sistema de operación.

Este esquema se puede trasponer al Perfil Operativo quedando una grafica de la siguiente forma.

La consecuencia que puede desprenderse de esta grafica del perfil operativo es que si bien el TBO aumenta significativamente, ya que uno de los alternadores esta fuera de operación el 93% del tiempo, no se consigue por este camino eliminar los tiempos de operación a muy bajo régimen, por lo que, si bien es una mejora frente al sistema tradicional Diesel mecánico de transmisión directa que se muestra en 1.1, el sistema es peor que el que hemos llamado hibrido y se muestra en 1.2.

2      ANALISIS DEL RENDIMIENTO ENERGETICO

Lo mostrado en el punto 1 es un resumen de lo estudiado dentro del proyecto SMARTUG con relación al sistema propulsivo. También se estudiaron otras configuraciones y otros repartos de carga que por su similitud con lo mostrado se han obviado en esta exposición.

Como resultado de lo expuesto en el punto anterior, se propone como mejora del estado general del arte en el diseño y construcción de remolcadores, para remolcadores portuarios, la utilización de un sistema de propulsión hibrido sin baterías, como el indicado en el punto 1.2.

A partir de aquí hemos analizado, para diferentes opciones del mercado, el consumo de combustible de cada uno de los sistemas, a fin de conocer si existe mejora en la opción propuesta en lo que a esto respecta.

La primera conclusión que se desprende de nuestro análisis es que este tema depende fuertemente de la curva de consumo específico de los motores concretos empleados, por lo que realmente no se puede establecer con carácter general el ahorro en combustible que se obtiene.

Sin embargo, y concretando en uno de los fabricantes de motores con los que hemos realizado el estudio, hemos analizado el consumo, dentro del perfil operativo obtenido de las conversaciones con los Armadores, de un motor de 2600 kW para la opción de referencia Diesel Mecánico de Transmisión Directa.

En esta opción hemos tomado este motor para asegurar, con el Equipo Propulsor SRP4000 el tiro de 80 t a punto fijo que hemos establecido como referencia.

El Motor Diesel considerado tiene una curva característica de consumo específico como la que se indica en la siguiente figura.

Para poder realizar un análisis mas completo, incluyendo todos los aspectos en términos de consumo, hemos considerado que el remolcador dispone de un Grupo Alterador de 150 kW trabajando de manera continua para alimentar la planta eléctrica del buque. A este Grupo Alternador se le ha “asignado” un consumo especifico constante de 215 g/kWh y se ha presupuesto un trabajo continuado durante todo el ciclo de operación del remolcador.

Con estas consideraciones, el consumo de combustible del remolcador, teniendo en cuenta el Perfil Operativo indicado en 1, ascendería a 316 l/h, que para las 1500 h de operación al año, se traducen en 474 m3 de combustible al año.

Por el contrario, para el sistema Hibido que se propone como mejora del Estado del Arte, se ha considerado que los Motores Diesel serán de 2060 kW, con una curva de consumo especifico como la que se muestra en la siguiente figura.

Este sistema iría complementado por unos Motores Eléctricos de 540 kW, alimentados por unos Grupos Alternadores de 600 kW, que alimentarían paralelamente la planta eléctrica del remolcador. Estos Grupos Alternadores tendrían la siguiente curva de consumo específico.

 

En estas condiciones y con el perfil operativo indicado más arriba, el consumo, incluyendo como decimos la planta eléctrica del remolcador, sería de 265 l/h, que para las 1500 h de operación al año, se traducen en 398 m3 de combustible al año.

Este planteamiento implica por tanto un ahorro anual de 76 m3, que supone un 16% respecto al consumo del sistema de referencia.

Podemos por tanto concluir que el sistema propuesto presenta mejoras en términos de coste de mantenimiento y de consumo, mejorando también, por tanto la huella medioambiental del remolcador.

3      CONCLUSIONES

Para la realización del proyecto SMARTUG, cuyo propósito es proponer mejoras en el estado del arte en el diseño de remolcadores en términos de seguridad, confort y huella medioambiental, se ha realizado un análisis de la configuración de la propulsión para  un remolcador ASD de puerto de 80 t a punto fijo.

Las Configuraciones de Propulsión que se han analizado son las siguientes:

1. Sistema Diesel Mecánico de Transmisión Directa

2. Sistema híbrido con PTI

3. Sistema Diesel-Eléctrico con dos alternadores y carga compartida

Se ha concluido que la configuración más interesante, desde el punto de vista del régimen de trabajo de los motores y  los periodos entre revisiones, es la segunda debido a las siguientes razones:

1. El régimen de trabajo de los motores está más cerca del óptimo, evitando periodos a revoluciones muy bajas.

2. El tiempo de trabajo de los motores se reduce, aumentando el tiempo entre revisiones.

Además, se ha analizado el consumo de combustible de las diferentes configuraciones.

En este sentido, se ha detectado una fuerte dependencia de la curva específica de consumo de combustible de los motores comerciales, por lo que no se pueden obtener conclusiones generales, lo que hace necesario realizar un estudio específico con esta filosofía caso por caso.

Sin embargo, para dar una idea del orden de magnitud, el ahorro de combustible puede alcanzar un 16% para la segunda configuración en comparación con la básica.

Por todas estas razones, la configuración que se recomienda, en el marco del proyecto SMARTUG, es el sistema híbrido con PTI debido a las ventajas que implican en términos de coste operacional y huella medioambiental.