Propulsión de viento en contra para embarcaciones articuladas de dos secciones
Se han producido múltiples precedentes técnicos en los últimos 40 años que proporcionan una base para desarrollar embarcaciones propulsadas por turbinas eólicas capaces de navegar directamente con vientos en contra. El concepto combina la tecnología de barcazas remolcadoras oceánicas, la tecnología de turbinas eólicas flotantes y un sistema probado para navegar contra el viento mientras funciona con una turbina eólica. Para que las turbinas eólicas a gran escala logren la movilidad detrás de los barcos, la investigación futura deberá combinar la tecnología de catamarán de doble casco con la tecnología de plataforma flotante para transportar la turbina.
Introducción
A principios de la década de 1980, un profesor canadiense de física en la Universidad Técnica de Nueva Escocia, el Dr. Brad Blackford, ingresó un bote impulsado por un molino de viento en una carrera de botes de vela en el puerto de Halifax. Navegó su embarcación directamente contra un viento en contra predominante y cruzó la línea de meta por delante de los competidores a vela. En años posteriores, finalmente alcanzó una velocidad de ocho nudos navegando en una casa flotante impulsada por un molino de viento directamente contra el viento en contra. Su logro proporciona una base para explorar más a fondo el potencial de los buques de carga comerciales propulsados por turbinas eólicas directamente en vientos en contra, incluidos los vientos alisios.
Las investigaciones han demostrado que el viento suele soplar a mayor velocidad sobre grandes masas de agua que sobre tierra. La velocidad del viento también aumenta con la elevación, lo que permite que las embarcaciones de mayor escala coloquen turbinas eólicas de mayor escala en las corrientes de viento más rápidas que soplan a mayor altura. El resultado sería una mayor potencia de salida de la turbina, que a su vez proporcionaría la potencia necesaria para impulsar una embarcación más grande y pesada directamente contra el viento en contra, incluso a una velocidad de navegación potencialmente más alta que la alcanzada por el Dr. Blackford. Sus logros, combinados con los desarrollos en la tecnología de aerogeneradores flotantes, ofrecen al sector marítimo una opción de propulsión futura.
Opción de remolcador
El diseño de los barcos modernos y de muchos puertos complica la colocación de una turbina eólica a gran escala sobre la cubierta del barco. Un enfoque alternativo implicaría la instalación de una turbina eólica a gran escala sobre la cubierta de una embarcación acompañante, siendo una posible opción un diseño de barcaza remolcadora. Un futuro remolcador catamarán de doble casco y súper ancho que lleva una turbina eólica tomaría prestado de precedentes de diseño recientes que involucran turbinas eólicas flotantes. En servicio, una embarcación de turbina eólica flotante móvil proporcionaría energía propulsora entre las entradas de puertos distantes, pero nunca entraría en ningún puerto debido a sus extraordinarias dimensiones.
La operación exitosa de barcazas remolcadoras en la parte superior de los Grandes Lagos de América del Norte, así como en el servicio costero, ha involucrado remolcadores que empujan y navegan grandes barcazas que transportan carga comercial a granel. Un concepto ampliado de una tecnología de embarcación de dos unidades acoplada puede incluir un remolcador que empuja y navega una barcaza o una embarcación acompañante de generación de energía remolcada que proporciona energía eléctrica a una embarcación de tamaño completo impulsada por hélices eléctricas, colocada delante de la embarcación de turbina. Un cable de energía eléctrica de interconexión transferiría energía eléctrica desde la unidad remolcada al barco, que incluiría alojamiento para la tripulación y un puente de control.
Unidad de arrastre de propulsión (remolcador)
La conversión de energía eólica de peso y dimensiones instalada en un remolcador o unidad remolcada requeriría que el remolcador catamarán de doble casco se construyera con una longitud, anchura, calado y altura considerables. Es probable que las condiciones severas de las olas del mar requieran la instalación de un mecanismo de acoplamiento entre la popa de la barcaza y la proa del remolcador que permita un movimiento vertical relativo. Las condiciones del viento probablemente requerirían hasta 200 pies entre los cascos gemelos de una unidad de catamarán que llevaría turbinas gemelas de eje vertical contrarrotante basadas en la turbina japonesa Typhoon diseñada para operar con vientos de 90 millas por hora, instaladas en una configuración multiapilada.
Cada eje de transmisión vertical de las turbinas impulsaría directamente una hélice de flujo axial con palas de paso variable instaladas en un eje vertical, con una opción de engranaje planetario para optimizar la velocidad de rotación de la hélice. Los conductos redirigirían el agua de entrada de horizontal a vertical al entrar en cada hélice y la corriente de agua de salida de vertical a horizontal, con una salida rectangular opcional de sección transversal variable. El par de aerogeneradores apilados verticalmente operaría entre 250 y 450 pies sobre el agua.
Para la navegación oceánica, el puente de control y los alojamientos de la tripulación podrían instalarse en la barcaza, con potencial futuro para el control autónomo en viajes transoceánicos. Es posible que se requiera más investigación para desarrollar el concepto de barcaza remolcadora para la navegación transoceánica en condiciones de olas severas.
Unidad de arrastre remolcada
Los precedentes en la tecnología de plataformas flotantes formarían la base de la investigación requerida para desarrollar un conjunto de catamarán móvil de doble casco que llevaría una turbina eólica flotante que sería remolcada detrás de un barco. Los cables de alimentación interconectados transferirían energía eléctrica desde la turbina eólica a las hélices impulsadas eléctricamente del barco. El barco también albergaría un puente de control y alojamiento para la tripulación. Una articulación entre embarcaciones que proporcione un movimiento vertical relativo entre la popa de la embarcación y el catamarán, junto con cierta capacidad de propulsión integrada en la unidad remolcada, reduciría las tensiones mecánicas en el acoplamiento de la articulación.
La configuración de dos cascos del catamarán permitiría que las hélices retrolavadas pasaran entre los dos cascos en los viajes por mar. Las embarcaciones portuarias locales, incluso con almacenamiento de energía a bordo o generación de energía a bordo, ayudarían a la embarcación principal durante la navegación a velocidades extremadamente bajas dentro de los límites de un puerto. Las dimensiones de la sección del catamarán de turbinas eólicas del buque acoplado requerirían que se acoplara al buque fuera de la zona portuaria al zarpar y al llegar a un puerto distante al final del viaje, se separara del buque fuera de la zona portuaria.
Potencia y velocidad
La plataforma semisumergible estacionaria y anclada Wind-Float diseñada por Principle Power e instalada en alta mar desde Escocia lleva el aerogenerador Vestas modelo V-164 de 9,5 MW. Un consorcio japonés propone desarrollar un aerogenerador flotante de 15MW (20.000 caballos de fuerza). Para ahorrar costos de combustible, algunas compañías navieras han reducido la velocidad de sus embarcaciones a una velocidad de navegación de 12 nudos. Un barco que requiere 100.000 caballos de fuerza para navegar a 25 nudos necesitaría 12.600 caballos de fuerza (9,4 MW) para navegar a 12 nudos y alrededor de 7.500 caballos de fuerza (5,6 MW) para navegar a 10 nudos. La turbina eólica de flujo axial General Electric 4.2-117 de 4,2 MW (5600 caballos de fuerza) está diseñada para soportar velocidades del viento de hasta 125 millas por hora.
Un barco que requiere 40.000 caballos de fuerza para navegar a 25 nudos necesitaría un poco más de 5.000 caballos de fuerza para navegar a 12 nudos. Selsam Wind Power instaló rotores de 2 palas gemelas separados 90 grados en el mismo eje de transmisión que operaba en un pequeño ángulo con respecto al viento. Un rotor se instaló a barlovento de la torre y el otro a sotavento, con el eje central del eje de transmisión instalado al costado del eje central de la torre. Si GE estuviera dispuesta a adoptar el concepto Selsam, la producción de la turbina con capacidad para tifones de GE aumentaría a más de 5MW (7000 caballos de fuerza).
Conclusiones
Los precedentes y el hardware necesarios para desarrollar un barco propulsado por turbinas eólicas a megaescala capaz de navegar directamente contra el viento en contra, ya existen en áreas aparentemente no relacionadas del sector marítimo. La combinación de los precedentes y el hardware ofrece la base de un barco propulsado por turbinas eólicas potencialmente viable capaz de navegar directamente hacia los vientos alisios predominantes a lo largo de quizás varios miles de millas náuticas. El barco podría navegar con los vientos alisios y especialmente durante velocidades extremas del viento. Según el precedente de Halifax, un barco propulsado por turbinas eólicas probablemente navegaría a mayor velocidad con viento en contra que una goleta.
Si bien un barco propulsado por una turbina eólica de dos secciones sería un competidor de una goleta moderna de megaescala, podría construirse a una escala mucho mayor que una goleta y ser capaz de transportar una mayor carga útil. Los barcos propulsados por turbinas eólicas y las modernas goletas a gran escala probablemente operarían a lo largo de diferentes rutas internacionales y servirían a diferentes mercados. La presencia de velas de ala en la cubierta restringiría los tipos de carga que podría transportar una goleta moderna de gran escala, mientras que una turbina eólica transportada por una plataforma de catamarán de doble casco colocada detrás de un barco aumenta la variedad de carga que podría transportarse a bordo del barco.
Las opiniones expresadas aquí son del autor y no necesariamente las de The Maritime Executive.
