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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO DE UNA EMBARCACIÓN HÍBRIDA DE RECREO
Antonio Aguado Peña
Director: Juan Norverto Moriñigo
Madrid Septiembre
2012
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
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DISEÑO DE UNA EMBARCACIÓN HÍBRIDA DE RECREO
Antonio Aguado Peña
Director: Juan Norverto Moríñigo
Madrid Septiembre
2012
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INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO DE UNA EMBARCACIÓN HÍBRIDA DE RECREO Autor: Antonio Aguado Peña
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Entidad colaboradora: Instituto Universidad Pontificia Comillas - ICAI.
RESUMEN DEL PROYECTO
1. MOTIVACION DEL PROYECTO
Uno de los principales retos del siglo XXI es encontrar alternativas viables a los combustibles fósiles, respondiendo a varios problemas que plantean. En primer lugar la escasez de los mismos, que hace que tengamos reservas de 200 años según las previsiones más favorables. Esta escasez es la que además hace que continuamente los productos derivados del petróleo se encarezcan sin remisión. Por otra parte la contaminación ambiental es otro aspecto fundamental ya que el uso de estos combustibles supone la emisión de partículas nocivas para el medio ambiente. Por ello se están buscando soluciones a este tipo de combustible, sobre todo en el área del transporte que es la que más consumo tiene de estos combustibles. Estas soluciones ya se ven sobre todo en el mundo de la automoción y son la implementación de motores eléctricos en vez de motores de combustión a través de vehículos eléctricos o híbridos. El proyecto es por tanto una respuesta natural a la evolución que estamos viendo en el transporte. Con el diseño de una embarcación de recreo híbrida tratamos de introducir estas ideas al mundo náutico.
2. METODOLOGÍA Los objetivos con la hibridación del barco son que la embarcación sea capaz de realizar ciertos trayectos con 0 emisiones, es decir, en modo eléctrico. Estos trayectos corresponden a aquellos en los que la navegación está limitada a 3 nudos o en los que se exija que no haya emisiones. Normalmente corresponderán a las salidas y entradas de puerto y a los acercamientos para fondear o zonas expresamente indicadas. Para ello en primer lugar elegiremos un tipo de hibridación que se adecue con los objetivos que nos marcamos. En este caso la hibridación en paralelo será la más adecuada. A continuación se estudiarán los requerimientos de potencia y energía que se demandan para este tipo de trayectos con cero emisiones así como para los trayectos más habituales, de este modo determinaremos los motores tanto eléctrico como térmico y el banco de baterías que debemos emplear.
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11,5
2,9
6,0
1,5
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
litros por trayecto % del tanque decombustible
Ahorro de combustible por trayecto
ahorro con e-mot ahorro con e-mot en //
0
50
100
150
ahorrocon e-mot
ahorrocon e-mot en
//
107
56 22
11
kg d
e C
O2
Ahorro de emisiones por temporada
(kg de CO2)/10temporada
% ahorro deemisiones
0
50
100
150
200
250
300
3 4 5 6
Au
ton
om
ía e
n m
inu
tos
Velocidad en nudos
Autonomía eléctrica
Puerto 0.5 km
Puerto 1 km
Puerto 2 km
Puerto 6 km
3. CONCLUSIONES Y RESULTADOS
Una vez que tenemos dimensionados los motores térmico y eléctrico y el banco de baterías podemos determinar cuál es la autonomía de la embarcación navegando en modo eléctrico.
Vemos como dependiendo de la longitud del puerto ésta se ve disminuida.
A continuación es el momento de estudiar cómo se comporta la hibridación en términos de ahorros en cuanto a combustible, a emisiones y ahorro económico. Para ello determinaremos una serie de trayectos tipo y de modos de hibridación que se pueden emplear. De este modo nos encontramos que con la hibridación propuesta somos capaces de ahorrar importantes cantidades de combustible en función como ya hemos dicho del modo de hibridación que utilicemos ya sea utilizando el motor eléctrico sólo (e-mot) o en paralelo con el térmico (e-mot en //).
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0 20 40 60
ahorro con e-mot
ahorro con e-moten //
16
8
55
29
euros
Ahorro económico
euros/10 portemp. cont.valle
euros portrayecto contarifa valle
0
50000
100000
150000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
eu
ros
años
Análisis de sensibilidad en función de la subida anual del gasoil
con 10%
con 15%
con 20%
inversión
El ahorro de combustible supone ahorrar por temporada de entre medio o un depósito de combustible de 400l entero. Implica también un ahorro importante de emisiones entre un 11 y un 22 por ciento menos, así como un ahorro económico importante por temporada. Con la hibridación propuesta alcanzamos ahorro desde 290 € hasta 550 € por temporada, aplicando un ahorro intermedio estudiamos el retorno de la inversión en función de la subida del gasoil. Vemos que en cualquiera de los escenarios la inversión se recupera antes de expirar la vida de la embarcación que oscila entre los 20-30 años. Para concluir, en definitiva, podemos decir que además de ser un proyecto beneficioso y respetuoso para el medio ambiente, es también un proyecto rentable económicamente.
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HYBRID DESIGN OF A PLEASURE BOAT Author: Antonio Aguado Peña
Director: Juan de Norverto Moriñigo
Collaborating entity: Instituto Universidad Pontificia Comillas - ICAI.
SUMMARY
1. PROYECT MOTIVATION
One of the main challenges on the XXI century is to find viable alternatives to fossil fuels as solution to some issues that they generate. Chiefly the oil shortage; the most favourable forecasts gives us 200 years of reserves. This shortage is continuously making oil products getting more expensive. On the other hand the environmental pollution is another fundamental side because of the emission of noxious particles to the environment. Thereby alternatives to this type of fuel are being studied, especially in the transport area, which is the one who most consumes this type of fuel. We can see solutions to this problem in the automotive world; this solution includes the electric motors implementation instead of the thermal engines in electric and hybrid vehicles. The project then is a natural response to the evolution we are having in transport. With the hybrid design of a boat we try to introduce these ideas to the nautical world.
2. METHODOLOGY The objective with this hybridization is to be able to make certain routes with 0 emissions, that is to say, in electric mode. These paths correspond to those in which the navigation is limited to 3 knots or where cero emissions are required. Normally it will correspond to docking and undocking, at anchor manoeuvre approximations or expressly restricted areas. First of all we will choose the type of hybridization which fits better with the chosen objectives. In this case parallel hybridization is the best choice. Then we will study the requirements of power and energy needed in this kind of routes with cero emissions as well as regular routes; this way, we should be able to determine the electric motor and the thermal engine and also the bank of batteries.
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3. CONCLUSIONS AND RESULTS
Once we have the thermic and electric motors and the bank of batteries we can determine the autonomy of the boat, sailing in electric mode
It is remarkable to see how the length of the port reduces the autonomy. Now we are studying how is the behaviour of the hybridization in terms of savings of fuel, emissions and economic savings. We will propose a common route with a pleasure boat; we will also decide different type of uses of the hybridization. Thereby we will find that with the proposed hybridization we are able to save up an important quantity of fuel according to the use of the hybridization either electric motor only (e-mot) or electric motor in parallel with thermal (e-mot in //).
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The fuel savings during a season reach between a half or a complete tank of fuel of 400 litres. This implies important savings in CO2 emissions, reaching between 11 and 22 per cent of the emissions per season. This fuel savings also means economic savings for the customer. With this proposed hybridization we obtain savings from 290 € to 550 € per season. Taking an intermediate saving we can study de return of investment according to the annual increase of gasoil price. It is worth pointing that in every scenario of annual increase, the return of investments is below the life of a boat which ranges between 20 or 30 years. As a conclusion we can say that apart from being an environmentally beneficial and respectful project it is also an economically viable project.
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Índice de la memoria
Capítulo 1 Introducción ............................................................................................1
1.1 Motivación del proyecto ...................................................................................1
1.2 Objetivos............................................................................................................7
1.3 Metodología / Solución desarrollada ...............................................................8
1.4 Recursos / herramientas empleadas ..............................................................10
Capítulo 2 Estado del arte ..................................................................................11
2.1 Caracterización del V.H.................................................................................11
2.2. Vehículos híbridos en serie............................................................................18
2.2.1. Embarcaciones hibridas en serie....................................................22
2.3 Vehículos híbridos en paralelo......................................................................24
2.3.1 Embarcaciones hibridas en paralelo...............................................25
2.4 Tecnología de las baterías ...............................................................................33
Capítulo 3 Elección tipo de hibridación ......................................................... 38
Capítulo 4 Elección casco................................................................................ 42
Capítulo 5 Cálculo potencia requerida ............................................................ 44
5.1 Motor eléctrico ................................................................................................44
5.2 Motor térmico……………………………. .....................................................58
Capítulo 6 Dimensionamiento baterías…………................…....................... 64
6.1 Dimensionamiento...........................................................................................64
6.2 Elección tipo de baterías……………………………......................................67
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Capítulo 7 Dimensionamiento tanque combustible......................................... 73
Capítulo 8 Estudio trayecto de recreo tipo....................................................... 75
Capítulo 9 Modelo de utilización de la hibridación en paralelo..................... 79
Capítulo 10 Consumos y ahorros de la hibridación......................................... 85
10.1. Ahorros de combustible...............................................................................85
10.1.1. Ahorro con ME exclusivamente.....................................................85
10.1.1. Ahorro con ME y MT en paralelo..................................................91
10.2 Ahorros de emisiones....................................................................................95
10.3 Ahorros económico.......................................................................................98
Capítulo 11 Estudio económico...................................................................... 100
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Índice de figuras
Fig.1. Mix energético español………………………………………...…….……..2
Fig.2. Posible producción de petróleo………………………………………......…3
Fig.3. Configuración serie………………………………………………………..14
Fig.4. Esquema flujo energía serie (elaboración propia)………………...………15
Fig.5. Configuración paralelo…………………………………………………….16
Fig.6. Esquema flujo energía paralelo (elaboración propia)……………………..17
Fig.7. Opel Ampera………………………………………………………………18
Fig.8. Batería Opel Ampera……………………………………………..………..19
Fig.9. BMW i3………………………………………………………………..…..20
Fig.10. Arquitectura BMW i3……………………………………………..………21
Fig.11. Rhea 850………………………………………………………………...…22
Fig.12. Diseño Rhea 850…………………….................................................…….23
Fig.13. Toyota Prius ………………………………………………………...…….24
Fig.14. Range Boat 39……………………………………………………………..25
Fig.15. Faeton F300 hybrid………………………………………………………..26
Fig.16. Green line 33 hybrid……………………………………………....……….26
Fig.17. Techo solar Green line 33 hybrid………………………………………….27
Fig.18. Esquema Green line 33 hybrid en puerto………………………………….28
Fig.19. Esquema Green line 33 hybrid en modo eléctrico…………………….…..29
Fig.20. Esquema Green line 33 hybrid en modo térmico……………………...…..29
Fig.21. Esquema Green line 33 hybrid fondeado………………………………….30
Fig.22. Motor fueraborda Torqeedo………………………………………….……31
Fig.23. Motor fueraborda Torqeedo……………………………………………….32
Fig.24. Energía específica/ Potencia específica…………………………………...34
Fig.25. Energía específica/ Potencia específica ……………………………...…..35
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Fig.26. Comparativa diesel baterías……………….…………………………..…..36
Fig.27. Esquema flujo energía en paralelo (elaboración propia)…………....…….38
Fig.28. Esquema hibridación en paralelo en barcos…………………………….…40
Fig.29 Motor hibrido Mastervolt………………………………………………….40
Fig.30. Esquema paralelo Steyr Motors……………………………………….…..41
Fig.31. Vistas casco (elaboración propia)…………………………………………42
Fig.32. Gráfica nudos resistencia/ potencia (elaboración propia)…………………47
Fig.33. Gráfica nudos resistencia/ potencia (elaboración propia)………...……….48
Fig.34. Gráfica velocidad aceleración (elaboración propia)………………………51
Fig.35. Área frontal proyectada (elaboración propia)………………………….….53
Fig.36. Potencia real a entregar (elaboración propia)……………………………..57
Fig.37. Embarcación de planeo ángulo de planeo (elaboración propia)..................59
Fig.38. Grafica resistencia potencia según Savitski (elaboración propia)………...61
Fig.39. Puerto de Mahón…………………………………………………..………65
Fig.40 . Distribución de la Eª utilizada en nav. eléctrica (elaboración propia)…..66
Fig.41. Batería litio Mastervolt……………………………………………………67
Fig.42. Batería AGM Mastervolt……………………………………..……………68
Fig.43. Batería gel Mastervolt……………………………………………….…….69
Fig.44. Batería MVG gel Mastervolt…………………………………………..…..70
Fig.45. Cuadro características baterías…………………………………………….71
Fig.46. Profundidad descarga baterías de litio…………….…………...………….72
Fig.47. Eª disponible y necesaria (elaboración propia)………………...………….72
Fig.48 . Curva de carga motor Volvo Penta………………………………….…….73
Fig.49. Curva de consumo motor Volvo Penta…………………………….......….74
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Fig.50. Curvas de navegación (elaboración propia)……………………………….77
Fig.51. Mahón - cala Pregonda (elaboración propia)…………………………...…78
Fig.52. Modelo uso eléctrico / térmico (elaboración propia)…….……..…………81
Fig.53. Modelo uso eléctrico térmico y paralelo (elaboración propia)....................83
Fig.54. Porcentaje uso baterías en función del puerto (elaboración propia)………86
Fig.55. Gráfica autonomía eléctrica (elaboración propia)…………………………87
Fig.56. Gráfica ahorro combustible por trayecto (elaboración propia)……………88
Fig.57. Curva de carga motor Volvo Penta………………………………………..92
Fig.58 . Curva de consumo motor Volvo Penta……………………………………93
Fig.59. Horario tarifas valle / punta……………………………………………….98
Fig.60. Paquete Mastervolt…………………………………………………….…100
Fig.61. Evolución precio gasoil……………………………………………….….101
Fig.62. Gráfica sensibilidad en función de la subida anual gasoil (elaboración
propia)……………………………………………………………………………………102
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Índice de tablas
Tab.1. Vel/Fr/Rr/Rt/Pot (elaboración propia)……………………..….…………..49
Tab.2. Nudos/Pot. real (elaboración propia)………………………….………..…56
Tab.3. Datos para Savitski…………………………………….…………………..60
Tab.4. V/Ang. trim/Rf/Rt/Pot……………………………………………..………62
Tab.5. Autonomía eléctrica en función del puerto (elaboración propia)................86
Tab.6. Tiempos de navegación eléctrica (elaboración propia)……………….…..89
Tab.7. Ahorro combustible (elaboración propia)………………………..………..90
Tab.8. Ahorro de comb. e-mot en paralelo (elaboración propia)………………....94
Tab.9. Ahorro emisiones por trayecto (elaboración propia)….........................…..95
Tab.10. Ahorro emisiones por temporada (elaboración propia)……………….…..96
Tab.11. Porcentaje de ahorro de emisiones (elaboración propia)…………….……97
Tab 12. Ahorro económico (elaboración propia)………………………....……..…99
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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN
1.1 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
El proyecto surge casi de forma natural como respuesta a la evolución que está
sufriendo actualmente el mundo de la motorización, en especial en el mundo del
transporte. Esta revolución que se está viviendo en el transporte viene marcada
por el interés en crear una nueva forma de impulsar vehículos que consiga
eliminar o reducir las emisiones de partículas contaminantes y a la vez obtener la
energía de fuentes que no sean limitadas como es el caso del petróleo.
Podemos decir que actualmente la energía que mueve al mundo viene de
combustibles fósiles, el petróleo es la energía primaria más consumida junto con
el carbón.
Tanto las normativas medioambientales estatales como las europeas han tomado
cartas en el asunto y proponen reducciones de las emisiones por medio de
objetivos a cumplir al mismo tiempo que se cargan de impuestos a los vehículos
de transporte que emiten emisiones contaminantes.
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En la gráfica vemos como prácticamente 2/3 de la energía viene de combustibles
fósiles, también apreciamos que durante los últimos años energías alternativas
van aumentando su presencia, como es el caso de la nuclear, la hidráulica o el gas
natural.
Nos encontramos con que prácticamente el 99% del sector transportes depende
exclusivamente de productos derivados del petróleo (gasolina, diesel,
queroseno…) Ante esta situación en los últimos años se están desarrollando
alternativas a este tipo de combustibles.
Figura 1. Mix energético español (IEA)
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Los inconvenientes de esta alta dependencia del petróleo son:
-En primer lugar la contaminación del medio ambiente debido a las emisiones
contaminantes que se generan en la combustión: óxidos de
nitrógeno (NOX), Hidrocarburos (HC), Monóxido de carbono (CO) y partículas, que
favorecen el deterioro de la capa de ozono, provocan lluvia ácida y el consabido
calentamiento global.
-En segundo lugar nos encontramos con que el petróleo no es una energía renovable y
que su extracción no es nada sencilla, estudios recientes estiman que las reservas de
petróleo están en el entorno de centenas de años siendo las predicciones más
alarmistas de unos 40 años y las más favorables de unos 200 años, en cualquier caso
estamos hablando de órdenes de magnitud similares entorno a las centenas de años.
Figura 2. Posible producción de petróleo (Eneregy Watch Group)
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Ante esta situación en la que como vemos existen el interés medioambiental y las
limitaciones de las reservas de petróleo se buscan como hemos dicho alternativas
al consumo de petróleo como fuente de energía sobre todo en el sector
transportes. Las alternativas han sido varias: El hidrógeno, los biocombustibles y
las baterías.
El hidrogeno como tal más que una fuente de energía primaria, se considera como
un vector energético esta tecnología aún está en fase de desarrollo, presenta
problemas de almacenamiento y de eficiencia en su proceso de obtención que es
del orden del 30%. Como aspecto positivo podemos decir que las emisiones son
muy limpias ya que se trata de vapor de agua. Por todas estas cuestiones se
considera el hidrógeno más como una solución a largo plazo.
Los biocombustibles también son una solución para evitar el consumo de petróleo
en principio se obtienen a partir de grandes plantaciones de materias primas como
cereales, remolacha, etc… pero esta solución no ha resultado ser muy ética ya que
materias primas básicas subían de precio debido a esta especulación, algo que no
teniendo en cuenta la difícil situación de países del tercer mundo no se contempla.
Más interesante son los usos de biocombustible provenientes de desechos de
industrias. Las aplicaciones de los residuos como biocombustible ya sea en gas o
en estado sólido se usan sobre todo en la industria más que en el transporte. Se
investiga también en obtención de biocombustible a través de algas. La ventaja es
que son combustibles bastante parecidos a los derivados del petróleo y los
motores no necesitan demasiada adaptación, las emisiones no son cero pero se
consigue una fuente alternativa.
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También habría que mencionar el gas como combustible alternativo al petróleo en
el transporte GLP (gas licuado del petróleo) o GNC (gas natural comprimido)
estos combustibles están en más abundancia que el petróleo y tienen la ventaja de
que contaminan menos ya que su combustión es más limpia y el consumo es
menor también. La adaptación a estos sistemas de un motor convencional también
es relativamente sencilla.
Por desgracia en el caso de España por ejemplo esta tecnología apenas está
disponible debido a los pocos puntos de carga de este combustible. Se está
trabajando en aumentar el uso de este tipo de combustibles, en transporte público
por ejemplo.
Por último otra solución alternativa para sustituir al petróleo es el uso de motores
eléctricos alimentados con baterías, esta solución es la que estamos viendo que
coge más fuerza en el sector del transporte ya que es la solución más factible a
corto y medio plazo. El desarrollo de vehículos eléctricos o híbridos consigue
resolver los problemas planteados por el petróleo la contaminación y las reservas
de petróleo. Prácticamente todas las marcas de vehículos están desarrollando
coches eléctricos o híbrido.
El vehículo eléctrico usa como fuente de energía la electricidad, una energía
limpia con cero emisiones, la pega que tenemos actualmente es que esa energía
viene a través de las baterías que acumulan la energía, la tecnología actual de
estas baterías no permite altas autonomías por lo que en general se opta por la
hibridación.
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Esta evolución que vemos en el mundo del automóvil de alguna manera es la que
empuja también al empleo de soluciones similares en las embarcaciones.
Dentro ya de las embarcaciones de recreo, la hibridación usando un motor de
combustión (Diesel normalmente) y un motor eléctrico alimentado con baterías,
es la solución más lógica que se puede aplicar actualmente.
Cabe señalar que el uso de motores eléctricos además no es nuevo en náutica ya
que por ejemplo ya en 1888 Isaac Peral científico, marino y militar español,
desarrolló un submarino propulsado por un motor eléctrico que obtenía la energía
de unas baterías. Actualmente grandes buques y submarinos también son
propulsados por motores eléctricos y ya existen modelos híbridos de
embarcaciones de recreo al igual que ocurre con los automóviles.
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1.2 OBJETIVOS
El objetivo del proyecto es diseñar una embarcación híbrida de recreo teniendo en
cuenta distintos aspectos.
- El objetivo prioritario del proyecto es conseguir que la embarcación sea
capaz de realizar trayectos con cero emisiones (modo eléctrico) en zonas de
navegación limitadas a 3 nudos (atraque, desatraque, aproximaciones a la
costa para fondear…). Para ello deberemos determinar cuáles son estas zonas.
En principio este limitación de cero emisiones no existe pero suponemos que
la normativa puede inclinarse hacia en este sentido ya que las zonas de
limitación a 3 nudos si existen. Además no sólo estaríamos cumpliendo una
posible normativa sino que estaríamos ahorrando combustible y eliminando
emisiones contaminantes.
- También se puede tener en cuenta que el usuario demande una navegación
silenciosa y para distintos tipos de pesca (p.ej. curricán…) estos trayectos
también deberíamos ser capaces de realizarlos en modo eléctrico.
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- La disminución en el consumo de combustible es otro aspecto fundamental
tanto por sostenibilidad como por economía, la embarcación híbrida es más
autónoma y menos dependiente de un combustible fósil, el tema económico es
muy importante para el usuario esto se ve reflejado también en la disminución
de este consumo. Esta disminución de consumo de combustible vendrá no
sólo de realizar los trayectos a 3 nudos en modo eléctrico, sino que también
vendrá a través de un uso inteligente de ambas fuentes de energía (diesel y
baterías).
- Por último y no menos importante la reducción de emisiones contaminantes
de la embarcación híbrida deberá ser notable frente a una que no lo es. Ésta
menor contaminación es un aspecto también muy importante ya que la
conciencia con el medio ambiente cada vez es mayor, además el aspecto
ecológico tiene mucho valor añadido actualmente.
1.3 METODOLOGÍA / SOLUCION DESARROLLADA
La metodología para el desarrollo del diseño de la embarcación híbrida es la
siguiente:
En primer lugar estudiaremos cuales son las opciones de hibridación que se
pueden plantear para el caso. Una vez analizadas las posibilidades se elegirá las
más conveniente entre ellas.
Tras la elección del tipo de hibridación elegiremos el tipo de casco y la
motorización del mismo.
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Para elegir el casco escogeremos aquel que se adecúe al proyecto debiendo sor un
casco de planeo o semi-planeo de una lancha motora que cumpla con la
descripción de embarcación de recreo.
Una vez tengamos el casco podremos determinar las necesidades motoras de la
embarcación así junto con el tipo de hibridación dimensionaremos tanto el motor
térmico como el eléctrico.
Con los motores seleccionados nos falta elegir la autonomía que queremos que
tenga la embarcación para ello determinaremos cuales son los trayectos de
navegación limitada a 3 nudos, así como las rutas y velocidades más comunes de
una embarcación de recreo en donde distinguiremos navegación eléctrica o
navegación térmica de este modo determinaremos la capacidad del tanque de
combustible y el banco de baterías a emplear.
Estudiaremos ahora el modo en el que los motores se combinan en función del
tipo de navegación para ahorrar el máximo combustible.
Se hará un estudio del ahorro de combustible y la cantidad de emisiones
contaminantes.
Por último se realizara un estudio económico de la rentabilidad del proyecto.
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1.4 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS
Los principales recursos utilizados para la realización del proyecto han sido:
Documentación técnica y divulgativa sobre hibridación tanto en barcos como
en coches. Así como apuntes de ingeniería naval.
Programa de diseño y cálculo de resistencia hidrodinámica Freeship.
Microsoft Office Excel: Para realizar cálculos y analizar resultados.
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Capítulo 2 Estado del arte
2.1 Caracterización de los vehículos híbridos
Un vehículo híbrido es aquel que combina un motor de combustión interna y otro
eléctrico para desplazar el vehículo, aunque no necesariamente han de actuar los
dos conjuntamente para la propulsión del mismo.
La energía que alimenta el o los motores eléctricos es almacenada o bien de forma
química (es decir mediante baterías) o bien de forma mecánica (mediante un
volante de inercia), e incluso de forma hidráulica, aunque este último método es
rara vez ha sido aplicado a vehículos de uso no experimental. [MICH09]
El objetivo principal de estos vehículos es la reducción del consumo, tanto de
combustibles fósiles como energético en general, y de las emisiones
contaminantes, sin perder prestaciones, por ejemplo, aceleración y habitabilidad.
Por lo general, un vehículo híbrido se compone al menos, de:
- Un motor de combustión interna.
- Uno o más motores eléctricos.
- Un elemento de almacenamiento de energía (unas baterías o un volante de
inercia).
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- Un inversor que conecta la batería con el motor eléctrico (si este es trifásico) o
un elemento de transmisión como un CVT (transmisión variable continua) en
el caso de usarse un volante de inercia.
Una de las principales características de los vehículos híbridos es que aprovechan
un porcentaje mucho mayor de energía de la que generan que los vehículos
convencionales de gasolina. Un 30% frente a un 19%.
Ello lo consiguen mediante las baterías que almacenan energía y son la causa de
esta eficiencia mayor. Muchos sistemas híbridos reutilizan energía, como puede
ser la energía cinética convirtiéndola en energía eléctrica gracias a los llamados
frenos regenerativos.
Los vehículos híbridos, de entrada, presentan en la actualidad algunos
inconvenientes o desventajas, que resultan obvios, al menos a priori. En ellos hay
menos espacio de carga a causa del volumen ocupado por las baterías.
Tienen un peso mayor, porque hay que sumar el adicional del motor eléctrico, y,
sobre todo, las baterías. Se necesita un incremento en la energía para desplazarlo,
por consiguiente. También es mayor su coste, por el momento.
Además, añaden complejidad a los vehículos convencionales de gasolina o de
diesel, que dificultan las revisiones y las reparaciones que tengan que efectuarse a
lo largo de su vida útil. No puede dejar de mencionarse así mismo, la necesidad
que, por el momento, generan de utilización de materias primas que son escasas
(como pueden ser el neodimio y el lantano).
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Si tiene desventajas, a priori, también se adivinan los numerosos datos favorables
o beneficios que pueden aportar los vehículos híbridos a corto plazo. Son más
agradables de conducir, porque los motores eléctricos dan más fuerza – o dicho
con precisión, más par – a bajo régimen de revoluciones y su comportamiento es
más lineal.
Permiten una reducción de las emisiones contaminantes notable, su respuesta es
más inmediata y generan menos ruido que un motor térmico.
También puede citarse la posibilidad de recuperación de energía en las
desaceleraciones.
Si se compara un vehículo híbrido con un vehículo eléctrico simple se puede
destacar que el primero tiene mayor autonomía y una recarga más rápida.
En recorridos cortos, el vehículo híbrido puede funcionar sin usar el motor
térmico, con lo que se evita que trabaje en frio y se disminuye el desgaste.
En el año 2009 ya circulaban más de 2,5 millones de vehículos híbridos en el
mundo.
La mayoría lo hacía en Estados Unidos, donde la cifra de tales automóviles supera
los 1,6 millones, seguido de Japón con casi 700 mil y Europa que se aproxima al
cuarto de millón.
Toyota, Honda y Ford han sido hasta el momento presente los fabricantes
principales.
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Los vehículos híbridos pueden ser de dos tipos en serie y en paralelo.
Los vehículos híbridos en serie son aquellos en los que sólo la parte eléctrica da
tracción y el motor térmico se utiliza para generar energía, mientras que en los
vehículos híbridos en paralelo tanto la parte eléctrica como la térmica puede hacer
girar las ruedas.
En la configuración en serie, un conversor de energía proporciona potencia
propulsiva, y no existe conexión mecánica entre el motor de combustión y las
ruedas.
La configuración en serie se muestra en la figura
Figura 3. Configuración en serie [LOPE10]
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En los híbridos en serie el motor térmico impulsa un generador eléctrico, que
recarga la batería, y alimenta al motor o motores eléctricos y estos son los que
impulsan al vehículo.
La batería se dimensiona en función de los picos de demanda. De esta forma, sólo
una parte de la energía proviene de las baterías, que suministran la potencia
necesaria para aceleraciones y adelantamientos, mientras en régimen estacionario
la potencia generada en exceso sirve para recargarlas.
Se llama en serie porque la energía fluye en línea recta:
MCI GENERADOR TRANSFORMADOR
BATERIAS
ME TRANSMISIÓN
ENERGIA
Figura 4. Esquema flujo energía en serie (elaboración propia)
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El vehículo híbrido en paralelo es aquél en el que hay más de una fuente de
energía que genera potencia propulsiva. Es más complejo que el híbrido en serie,
pero ahorra las perdidas energéticas correspondientes a los procesos de
conversión de la energía mecánica en eléctrica.
El motor térmico y el motor eléctrico se configuran en paralelo, y se utiliza un
acoplamiento mecánico que combina ambas fuentes de energía.
El esquema de la configuración en paralelo se refleja en la figura siguiente:
La hibridación en paralelo es más compleja pero ofrece más posibilidades, la
energía esta vez no tiene un único origen sino que viene tanto del motor de
combustión como del eléctrico. En este caso ambos motores comparten el eje de
transmisión.
Figura 5. Configuración en paralelo [LOPE10]
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Este es el tipo de hibridación que más se está usando tanto en automoción como
en embarcaciones ya que ofrece tiene ventajas frente a la hibridación en serie
como por ejemplo el ahorro energético que supone suprimir las transformaciones
de energía de mecánica a eléctrica. Además esta hibridación permite conducir en
modo térmico lo que hasta ahora permite solventar el gran problema de las
autonomías de las baterías. Por eso esta hibridación es adecuada para conseguir
mayores autonomías.
MCI
BATERIAS
ME
Generador/Motor
TRANSMISIÓN
ENERGIA
ENERGI
Figura 6. Esquema flujo energía en paralelo (elaboración propia)
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2.2. Vehículos híbridos en serie existentes
El número de modelos híbridos en serie a la venta es aún reducido en la
actualidad. Sin embargo, pueden mencionarse los siguientes:
-El Opel Ampera/Chevrolet Volt, que fue puesto a la venta a finales de 2010. Este
vehículo es realmente el primer eléctrico enchufable de rango extensible que se
comercializa a gran escala. Se trata de una berlina de tamaño medio y cuenta con
un motor eléctrico propulsor de 111 KW y 368 Nm, y otro motor de combustión de
64 KW y 1,4 litros de cilindrada. La autonomía en modo puramente eléctrico
alcanza, mediante homologación con ciclo Europa (NEDC), los 60 kilómetros, que
según estudios de la marca es suficiente para las necesidades diarias del 80% de los
usuarios. Esta la consigue gracias a unas baterías de 16 KWh. de capacidad que
pesan 198 Kg., y están diseñadas con forma de “T” para adaptarse de la mejor
forma posible a la zona inferior del chasis.
Figura 7. Opel Ampera
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Su autonomía total, gracias al respaldo del generador térmico, supera los 500
kilómetros, obtenida con un depósito de tan sólo 35 Kg., permitiendo que si el
usuario decide realizar un largo viaje no se vea limitado por los largos tiempos de
recarga de los vehículos eléctricos puros.
No obstante, el peso del conjunto se eleva hasta 1715 Kg., unos doscientos a
trescientos más que un vehículo convencional equivalente, en buena parte a causa
de las baterías y del incremento de la complejidad de la configuración. Elevado es
también su precio, que en España se estima alcanza aproximadamente, sin
descontar las subvenciones gubernamentales, los 42.000€.
Se espera que, con funcionamiento eléctrico, su coste de operación sea de 2,6
céntimos/Km., lo cual representa cuatro veces menos que un vehículo de gasolina
convencional. Cuando se encuentra en modo de extensión de rango, el consumo
medio es ligeramente inferior a los 7 litros.
Figura 8. Batería del Opel Ampera
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-El BMW i3 que, aunque aún no se ha comercializado, se encuentra en un
avanzado estado de desarrollo, y será puesto a la venta a comienzos de 2013.
El motor eléctrico encargado de propulsar al vehículo contará con una alta
potencia, dado que se trata de un vehículo urbano de pequeñas dimensiones,
superando los 100 KW y las 12.000 rpm, estará acoplado a las ruedas traseras.
Le prestará gran atención a la frenada de tipo regenerativa, con un aumento de la
autonomía hasta un 20%. Para la mejora de las prestaciones y la disminución del
consumo, la plataforma usada cuenta con un diseño radical, hasta ahora nuevo, en
los coches de calle: la parte inferior de la estructura es llamada „DriveModule‟ y
está formada por un chasis de aluminio, mientras que la parte superior es el
„LifeModule‟ y está construida a partir de CFRP (Carbon-Fiber Reinforced
Polymer). En la Figura 8 se muestra la arquitectura usada. El „DriveModule‟ es el
encargado de cumplir las funciones básicas de resistencia ante un impacto, así
como de albergar las baterías de una forma especialmente integrada y dar rigidez
al vehículo para una conducción deportiva.
Figura 9. BMW i3
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El „LifeModule‟ sirve no sólo como carrocería, sino que también actúa para la
mejora de la resistencia ante un impacto.
Será el primero en su clase que use un derivado de la fibra de carbono para
producción en masa, reduciendo así su elevado coste. Este diseño estructural
permite un ahorro considerable de peso, de 340kg, respecto a un vehículo
equivalente que usase un chasis convencional de acero, y una flexibilidad muy
superior a la hora de mejorar la habitabilidad interior.
Figura 10. Arquitectura del BMW i3
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2.2.1 Embarcaciones de recreo híbridas en serie existentes
Este tipo de hibridación es la menos usada en barcos de recreo actualmente
debido a que las demandas de potencia en barcos son bastante elevadas lo que
llevaría a tener grandes bancos de baterías. Cuestión limitada actualmente por el
precio y la tecnología.
Tenemos como ejemplo de embarcación hibrida en serie el Rhea 850
Figura 11. Rhea 850
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Figura 12. Diseño Rhea 850 (Rhea Marine)
De fabricación francesa, fabricado por Rhea Marine 8.5 metros de eslora consta
de 2 motores eléctricos de 145 kW con un pack de baterías de litio de 38.5kWh y
un motor de combustión diesel de 100kw que alimenta un generador que carga las
baterías.
En la siguiente figura vemos como se distribuyen las baterías del Rhea Marine, es
destacable el tamaño de los bancos de baterías que emplea. Realmente grande y
ocupando un gran espacio en el barco. Este tamaño de los bancos de baterías en la
hibridación en serie es el que hace que se haya usado mucho menos esta solución.
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Este tipo de hibridación también sería aplicable a los grandes buques o
submarinos que se impulsan con un motor eléctrico que recibe la energía de una
fuente de energía distinta a unas baterías como puede ser la nuclear.
2.3. Vehículos híbridos en paralelo existentes
El vehículo hibrido por excelencia que ha sido la bandera de este tipo de
tecnología es el Toyota Prius consta de un motor de combustión de gasolina de
ciclo Atkinson de 99 CV (73k W) y un motor eléctrico de 82 CV (61 kW) con 28
módulos de 6 células de 1.2 V lo que aportan 201.6 V de tensión nominal con una
capacidad de 6.5 amperios hora.
Figura 13. Toyota Prius
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Prácticamente todas las marcas de coches tienen un modelo hibrido en paralelo en
el mercado Chevrolet ( Chevrolet Silverado Hybrid), Ford (Ford Escaoe Hybrid),
Nissan ( Nissan Altima Hybrid), Honda (Honda Civic Hybrid), Audi (Audi
A6,Q5 Hybrid), …etc.
2.3.1 Embarcaciones de recreo híbridas en paralelo existentes
Range Boat 39 12 m de eslora, desplazamiento de 5.87 tm, motor de combustión
de 121.5 kW y un motor eléctrico de hasta 7 kW alimentado a través de baterías a
24 V de 750 Ah. [LRN].
Figura 14. Range Boat 39
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Figura 16. Greenline 33 Hybrid
Faeton F300 Fly Hybrid 8 m de eslora con un motor térmico de 257 kW y un
motor eléctrico Mastervolt de 7.4 kW [LRN].
Greenline 33 Hybrid 10 metros de eslora, desplazamiento 4800kg también con
una hibridación en paralelo con motorizaciones diesel de entre los 165 Hp (121
kW) y un motor eléctrico de 7kW. [GLINE]
Figura 15. Faetón F300 Hybrid
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Consta además de un techo solar que mantiene las baterías cargadas y
proporciona energía adicional. Incluso es posible navegar a menos de 3.5 nudos
con costo cero ya que a esta velocidad toda la energía que se consume es la que se
obtiene del techo solar convirtiéndolo en un barco solar, con luz diurna los
paneles solares son capaces de entregar hasta 1.3kW que pueden servir también
para los consumos auxiliares.
Figura 17.Techo solar, Greenline 33 Hybrid
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Figura 19 .Esquema Greenline 33 Hybrid en modo eléctrico (Greenline)
Los distintos modos de operación del barco son:
- Cuando está en puerto, se conecta a la corriente de 230V que carga las
baterías y proporciona electricidad a través del inversor de hasta 3kW para
consumos de energía de aplicaciones auxiliares (TV, nevera, etc.).
- Navegando en modo eléctrico, navegación sin ruido y sin emisiones por
debajo de 6 nudos, el motor eléctrico a través de las baterías impulsa al barco
que tiene una autonomía de más de 20 millas a 4 nudos.
-
Figura 18. Esquema Greenline 33 Hybrid en puerto (Greenline)
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- Navegando en modo térmico el motor diesel impulsa al barco y recarga las
baterías
- Fondeado el techo solar carga las baterías que proporciona una fuente de
230V que también proporciona electricidad para servicios auxiliares. Si el
nivel de carga de las baterías baja por debajo de un valor se enciende el motor
térmico que carga las baterías estando la hélice desacoplada.
Figura 20 .Esquema Greenline 33 Hybrid en modo térmico (Greenline)
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Otro ejemplo de utilización de motores eléctricos en náutica, sin la necesidad de
ser un modelo híbrido. Este es el ejemplo de la firma alemana Torqeedo que tiene
varios modelos de motores eléctricos adaptados tanto a veleros como a lanchas
fueraborda.
Se tratan de una gama compuesta por dos motores eléctricos capaces de impulsar
veleros de hasta 6 toneladas se caracterizan por ser muy ligeros y avanzados, son
silenciosos y muy manejables y permiten la navegación en zonas restringidas a
motores de gasolina como embalses por ejemplo y por supuesto cuidan el medio
ambiente.
Figura 21. Esquema Greenline 33 Hybrid fondeado (Greenline)
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Estos motores se pueden utilizar como motor principal para embarcaciones de
pequeña o mediana eslora.
También se pueden usar como motores auxiliares de barcos a motor o veleros.
Existen actualmente distintas versiones con varias potencias que varían 1000
vatios hasta los 4000 vatios.
Figura 22. Motor fueraborda Torqeedo
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Todos los motores disponen de un pequeño ordenador integrado que calcula la
autonomía y la velocidad mediante GPS e incluye también información sobre el
estado de carga de la batería en el mango. Se comercializan desde 2900 € el
modelo más básico.
Figura 23. Motor fueraborda Torqeedo
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2.4. Tecnología de las baterías
Las baterías se han convertido en el mayor quebradero de cabeza para todos los
encargados del desarrollo del vehículo eléctrico. Forman una de las partes más
importantes de este tipo de vehículos, pues son las responsables de almacenar y
suministrar la energía eléctrica que necesitan para su funcionamiento.
Prestaciones fundamentales del vehículo tales como la autonomía, velocidad
máxima, tiempo de recarga, coste y peso dependen fundamentalmente de la
tecnología de la batería. Actualmente tanto en los vehículos híbridos como en los
eléctricos se están utilizando tres tecnologías diferentes: las baterías de plomo
ácido, los acumuladores alcalinos de níquel-hidruro metálico (Ni-MH) y las
baterías de Ión-Litio. Siendo esta última la que aporta mejores prestaciones.
Las baterías recargables son dispositivos capaces de almacenar y suministrar
energía eléctrica mediante reacciones electroquímicas de oxidación/reducción.
Cuando se utiliza la batería la energía química contenida en los electrodos se
transforma directa y espontáneamente en energía eléctrica. La unidad básica de
las beterías son las celdas, la unión de dos o más celdas forman las baterías. Los
parámetros electroquímicos más importantes son:
- Voltaje [V]: Diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo.
- Capacidad específica [Ah]: Indica la cantidad total de carga eléctrica que es
capaz de almacenar. Para poder comparar dos baterías se normaliza en masa o
volumen.
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Figura 24. Energía específica/Potencia específica [IEATR09]
- Energía específica [Wh]: Indica la cantidad de energía eléctrica que puede
acumular la celda o la batería. Para poder comparar dos baterías se normaliza
en masa o volumen.
- Ciclos de vida: Números de ciclo de carga/descarga que se pueden realizar
hasta que la capacidad desciende por debajo del 80% del valor nominal. Para
su aplicación en VE tiene que estar por encima de los 500.
- Potencia específica [W/kg ó W/L]: Indica la energía instantánea (potencia)
que puede dar una batería, normalizada en masa o volumen.
Como vemos en este grafico en el que comparamos la energía específica de las
baterías con su potencia específica dependiendo del tipo de tecnología que tengamos
tenemos unas características u otra. En general nos interesará cuanta más energía
específica Wh/kg y potencia específica W/kg mejor, una nos habla de la energía que
podemos almacenar por unidad de masa y la otra de la potencia por unidad de masa
que podemos suministrar.
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Las baterías son el caballo de batalla en el desarrollo de vehículos eléctricos como
ya hemos dicho y esto es así porque actualmente las baterías que se tienen
comparadas con un combustible tienen tanto una energía específica como una
potencia específica menor, además de que el precio de las baterías sigue siendo muy
alto.
Cabe resaltar que las escala de la gráfica es logarítmica por lo que las diferencias
entre las baterías que mejores características aportan cuanto a potencia y energía
específicas son de al menos un orden de magnitud menor que las de un combustible
fósil.
Figura 25 .Energía específica/Potencia específica [VALOT08]
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A la luz de estos dos gráficos podemos decir que las baterías con tecnología de ion
de litio son las mejores, aparte de tener mayor energía y potencias especificas tienen
más ventajas como son una mayor profundidad de carga que el resto, una mayor
cantidad de ciclos de vida además de un menor impacto ambiental por no contener
materiales altamente tóxicos como plomo, cadmio o mercurio.
En esta gráfica seguimos comparando estos aspectos, vemos como para recorrer 500
km con 33 kg de diesel basta, sin embargo si son baterías de ion de litio que son las
que mejores prestaciones dan hasta la fecha, necesitamos en ese caso 540 kg, como
vemos los órdenes de magnitud son distintos.
Figura 26. Comparativa diesel/baterías 500 km autonomía.
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Capítulo 3 Elección del tipo de hibridación
3.1 Consideraciones
Para elegir el tipo de hibridación que vamos a utilizar en el diseño de la embarcación
de recreo debemos tener en cuenta varias cosas.
- En primer lugar se trata de una embarcación de recreo de la que como hemos
dicho principalmente queremos que al menos los trayectos limitados a 3 nudos
sean con cero emisiones, este tipo de trayectos no consumen mucha energía ya
que son a baja velocidad.
- Hay que destacar que una embarcación de recreo requiere de potencias y
consumos mayores por lo tanto requerirá motores más potentes y suministros
de energía mayores, un coche tiene alrededor de unos 40 litros de combustible
mientras que una embarcación de recreo a partir de los 8 m de eslora ronda
los150 litros. Por tanto habrá que tener en cuenta que estamos hablando de más
energía que hay que suministrar con bancos de batería mayores
- El hecho de carecer de regeneración de energía también es importante, al
contrario que en los coches que pueden regenerar energía a través de la frenada
en los barcos este fenómeno no se puede dar, ya que los trayectos son mucho
más simples y carecen de frenadas prácticamente. De este modo los bancos de
baterías a instalar son más grandes por este aspecto ya que no contamos con
regeneración de energía
- El precio y peso de las baterías es un factor muy importante a tener en cuenta
- Por último como hemos visto la hibridación en paralelo es la más usada hasta
la fecha porque aunque sea más compleja permite más posibilidades y es la que
mejor se adapta al tipo de hibridación que proponemos.
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Figura 27. Esquema flujo energía en paralelo (elaboración propia)
Por todo ello se ha optado por una hibridación en paralelo ya que sobre todo la
diferencia de potencias necesarias para navegar a 3 nudos y navegar a una velocidad
de crucero de unos 17 nudos es claramente distinta como veremos a lo largo de los
cálculos del proyecto.
Los objetivos del proyecto nos marcan el tipo de hibridación esto se debe a diversas
razones:
- En primer lugar como ya hemos dicho la clara diferenciación entre navegación
eléctrica y la navegación térmica. Los requisitos que se plantean en el proyecto
de navegación con 0 emisiones en zonas limitadas a 3 nudos son claros y nos
determinan unas potencias muy distintas a las de una navegación normal. Por
tanto este aspecto hace diferenciar mucho las potencias y consumos de uno y
otro tipo de fuente de energía.
- En segundo lugar la hibridación en paralelo se ajusta más claramente a los
objetivos propuestos ya que como hemos visto anteriormente una hibridación
en paralelo recibe la energía de dos fuentes distintas lo que nos permite ser más
flexibles en el diseño y ajustarnos perfectamente a los requerimientos del
proyecto.
MCI
BATERIA
S
ME
Generador/Mot
TRANSMISIÓN
ENE
ENE variabl
variable
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- Como vemos en el esquema de una hibridación en paralelo tenemos más
flexibilidad pudiendo diseñar cada una de las fuentes de energía propulsiva
para los requerimientos deseados.
- Una hibridación en serie supondría que toda la energía proviene directamente
de las baterías, si queremos una buena autonomía esto implicaría tener unos
grandes bancos de baterías que como hemos visto en el apartado de 2.3
supondrían un coste y un peso muy elevado para el diseño. En una hibridación
en serie, en el caso de que no queramos instalar unos grandes bancos de
baterías, deberíamos instalar un gran motor térmico que supliera a las baterías
lo que unido al gran motor eléctrico instalado complica y encarece el proyecto.
En el fondo lo que conseguimos en una hibridación en paralelo es una mayor
independencia entre los dos tipos de energía tanto la térmica como la eléctrica y esto
es lo que en nuestro proyecto es adecuado ya que como se ha dicho la navegación
eléctrica que se propone es para bajas velocidades y por tanto los consumos de
potencia y de energía son distintos a los de una navegación a velocidades más altas.
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Figura 29. Motor hibrido Mastervolt
3.2 La hibridación en paralelo en barcos
Como ya hemos visto anteriormente éste es el tipo de hibridación que más se está
utilizando debido a las características de los barcos y sus necesidades en cuanto a
potencia y en cuanto a energía necesaria. La tecnología de las baterías y el coste
actual es el que hace que las hibridaciones no tengan una gran autonomía eléctrica y
es el que hace que se limite este tipo de navegación eléctrica a bajas velocidades.
Con esta premisa y como ya se ha comentado la hibridación en paralelo es la que
mejor se adapta a esta situación.
La hibridación en paralelo que se lleva a cabo en barcos consta de un motor diesel, y
un motor eléctrico que también va unido al eje de la transmisión. Nuestro modelo de
hibridación es como el que ya emplea Mastervolt. [MSTV]
Figura 28. Esquema hibridación en paralelo en barcos [Hybrid Marine 07]
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El HybridMaster es universal, y se puede instalar en paralelo al eje del propulsor.
La relación entre las RPM del motor eléctrico y el eje del propulsor es adaptable, lo
que resulta un factor crucial al garantizar que el ajuste de la propulsión eléctrica sea
óptimo para el propulsor y motor existentes. El HybridMaster Ultra representa la
gama alta de esta serie, y utiliza tecnología de motor asíncrono sin escobillas,
totalmente libre de mantenimiento. [MSTV]
Este es el modelo de hibridación que vamos a instalar que básicamente consiste en
intercalar un motor eléctrico unido al eje del motor con una relación de velocidades
adecuada .Con esta hibridación podremos conjugar bien ambos motores para
conseguir el máximo ahorro de energía.
Otros modelos de hibridación en paralelo que se están usando mucho son los que
hace Nanni Diesel y Steyr Motors entre otros, básicamente es lo mismo solo que el
esquema cambia algo. El motor eléctrico va intercalado entre el motor térmico y el
inversor.
Figura 30. Esquema paralelo Steyr Motors
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Capítulo 4 Elección del casco
Para elegir el casco de la embarcación debemos saber que Según el artículo 2.1
del RD 1434/1999 de 10 de septiembre, se consideran embarcaciones de recreo
aquéllas de todo tipo, con independencia del medio de propulsión, que tengan eslora
de casco comprendida entre 2.5 y 24 metros, proyectadas y destinadas para fines
recreativos y deportivos, y que no transporten más de 12 pasajeros.
Por ello elegimos con ayuda del programa Freeship el siguiente casco para el
proyecto.
Figura 31. Vistas casco (elaboración propia)
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Las dimensiones del casco son las siguientes:
Eslora total 9.395 m
Eslora de trazado 8.306 m
Manga máxima 2.250 m
Manga de trazado 2.250 m
Calado de trazado 0.656 m
Vol. Desplazado 6588 m3
Sup mojada 21 m2
Con ρ=1025kg/m3
Desplazamiento= Vol. x ρ=6752 kg
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Capítulo 5 Cálculos de la potencia requerida
5.1 Motor eléctrico
Para calcular la potencia requerida por nuestra embarcación deberemos estudiar
cuales son las fuerzas que se oponen al avance de nuestro barco. [ATF11]
Debido a las características de la hibridación que planteamos debemos estudiar las
potencias y por tanto las fuerzas que aparecen en nuestra embarcación para dos
situaciones distintas. La primera será para velocidades bajas (generalmente menores
de tres nudos) y la segunda será para las velocidad de crucero que estimemos para la
embarcación.
La resistencia al avance del barco es:
Rt=Rw+Rh+Raa
La tenemos descompuesta en tres términos:
Rw es la resistencia de las olas
Rh es la resistencia hidrodinámica
Raa es la resistencia aerodinámica
Gracias al número de Froude podemos distinguir varios casos
√ ⁄
“v” es la velocidad a la que se desplaza la embarcación
“g” la gravedad
“L” la longitud de flotación, lo que hemos llamado eslora de trazado o de flotación
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Casos en función del número de Froude:
• Fr<0,4 vel. Reducida Rh predomina del orden del 70-90%, Rw
despreciable.
• 0,4<Fr<0,7 Caso intermedio Rw, empieza a subir.
• Fr>0,7 hidroplaning Rw importante Raa también.
Atendiendo al número de Froude calculamos la velocidad que hace Fr=0.4 con los
datos de L=8.306m, g=9.81m/ss este cálculo nos da:
V= 7 nudos.
Por lo tanto estando por debajo de los 7 nudos podemos estudiar la resistencia del
barco centrándonos en Rf.
Rf:
Rf resistencia de frotamiento es la resistencia hidrodinámica propia de un cuerpo
que avanza en un fluido. La calculamos gracias a la ley de similitud de Reynolds
Rf=1/2∙ρ ∙S ∙ C∙v2
Con ρ=1027 kg/m3 para el agua salada
Siendo S superficie mojada
V velocidad relativa del cuerpo con el fluido
C cte dependiente de Re.
C=Kf(1+k)
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Kf lo llamamos coeficiente de resistencia y depende del Reynolds
( )
El número de Reynolds se obtiene
Siendo v la velocidad
L la longitud característica, que en nuestro caso es la de flotación
vc es la viscosidad cinemática del fluido que para el agua de mar la hemos cogido
de unos 1.08·10-6
m2/s.
k~ es un coeficiente que indica "la influencia de la forma de la carena" sobre el
"deslizamiento del fluido" cerca de ella, k podría ir desde 0 para carenas muy finas
(planeadoras), hasta k= 0,2 ó más para los cálculos hemos tomado un valor
intermedio de k, k=0.08 ya que la carena que tenemos es semiplaneadora.
Con estos datos podemos hacer un gráfico en Excel de la resistencia en función de
las velocidades.
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Figura32. Gráfica Nudos/Resistencia-Potencia (elaboración propia)
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Figura 33. Gráfica Nudos/Resistencia-Potencia (elaboración propia)
El programa Free-Ship también nos proporciona los cálculos de las resistencias al
avance otorgándonos la siguiente gráfica.
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Tabla 1. Tabla Vel/Fr/Rr/Rt/Pot
La tabla de datos del programa es la siguiente:
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Como vemos el programa nos desglosa la Rt en Rf que es la resistencia
hidrodinámica igual que la hemos aplicado nosotros y Rr que agrupa el resto de
términos sin incluir la resistencia aerodinámica. Como vemos los resultados son
similares obteniendo gráficas muy parecidas. Para el cálculo con Excel hemos
estimado la Rt como la Rf/0.85 como aproximación. Aun así tomaremos los
resultados de Freeship para diseñar ya que no hace tantas aproximaciones.
Es destacable como a medida que la velocidad aumenta Rf y Rt cada vez difieren
más debido a la influencia del resto de las fuerzas que van tomando más
importancia.
Para obtener con más detalle la potencia demandada máxima durante la navegación
a 3 nudos calcularemos dos situaciones, la de aceleración del barco hasta los tres
nudos y la de navegación a 3 nudos:
Para calcular la fuerza de durante el proceso de aceleración hasta los tres nudos
tenemos que:
Fpa=Facel + Fhacel + Faeacel
Facel es la fuerza relacionada con la aceleración necesaria para llevar el barco a los
3 nudos
Fhacel es la fuerza hidrodinámica ya calculada anteriormente.
Faeae es la fuerza aerodinámica propia de un cuerpo que se mueve en el aire.
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Figura 34. Gráfica velocidad aceleración (elaboración propia)
La fuerza de aceleración se calcula con la segunda ley de Newton.
F=m·a
La masa en este caso son 6752 kg de desplazamiento y la aceleración es la que nos
permite llegar de los 0 nudos a los 3. Para tener en cuenta las posibles corrientes u
oleajes que se dan en el mar también tomaremos una velocidad relativa entre la
embarcación y el fluido de 4 nudos que es superior a los 3 de diseño.
F=m·a+Fhacel+Faeacel
Para estos cálculos Fhacel y Faeacel se calculan tomando una velocidad igual a 2/3
de la velocidad relativa.
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Consideramos una aceleración aceptable en modo eléctrico de 0 e 3 nudos en 5
segundos que nos da una aceleración
a=v/t de 0.31 m/s2
m·a por tanto nos da 2084 N
Fhacel corresponde a:
Fhacel=1/2∙ρ ∙S ∙ C∙v2
La v que cogemos para el cálculo es una vmedia que estimamos en 2/3 de la
velocidad relativa entre el barco y el agua que son 4 nudos. vmedia por tanto nos da
2.66 nudos.
Obtenemos por tanto una Fhacel que miramos en la tabla a 2.66 nudos y nos da un
valor de 74N.
Faeacel la obtenemos como:
Faeacel=1/2∙ρ ∙Cx ∙ Ax∙v2 tomando la v como el apartado anterior a 2/3 de la
velocidad relativa entre barco y viento.
Cx es el coeficiente de penetración del barco que estimamos en 0.5 ya que
estimando que ha de ser más alta que la de un coche (0.2-0.4) ya que su forma es
menos aerodinámica pero menor que la de un camión que varía entre (0.4-0.6).
ρ es la densidad del aire 1.18 kg/m3
Ax es el are frontal del barco. Es la que queda al descubierto por encima de la línea
de flotación.
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Figura 35. Área frontal (elaboración propia)
Ax nos da una superficie de ≈ 3m2.
Tomamos para el cálculo de la Faeacel un valor de viento en contra correspondiente
a una situación de mar marejada con una velocidad que está entre una fuerza 4 y 5
en la escala de Beaufort que equivalen a unos 21 nudos. La velocidad relativa entre
la embarcación y el viento será de 24 nudos. La v que usamos por tanto son 16
nudos.
Faeacel = 60 N
Como vemos cuando el viento en contra es fuerte la influencia de la Fae es más
importante, cuando estemos en situaciones de calma sin embargo apenas se notará
este término, que en realidad será la mayoría de las veces ya que por norma general
las embarcaciones de recreo sólo salen de puerto cuando el tiempo es bueno.
Fpa = 2218 N
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Pacel la calculamos como la Fpa por 2/3 de la velocidad a la que se desplaza el
barco que son 3 nudos, quedándonos 2 nudos.
Pacel= 2281 W
La potencia necesaria para navegar a 3 nudos es bastante menor pues se elimina el
término de la aceleración.
F3Nudos=Fh4nudos+Fae
Fh4nudos= 207 N (de la tabla de Rh).
Fae: la calculamos como en el caso anterior solo que esta vez con una velocidad de
3 nudos del barco y un viento en contra de 21 nudos que nos da una velocidad
relativa del viento de 24 nudos.
Fae=135 N.
F3Nudos=301 N.
P3 nudos= F3Nudos·v3nudos(en m/s)=673 W.
Vemos como lo que nos determina el dimensionamiento del motor eléctrico es el
proceso de aceleración del barco y no la navegación. Para acelerar hasta los 3 nudos
usaremos gran parte de la potencia del motor eléctrico sin embrago durante la
navegación a 3 nudos no usaremos toda la potencia.
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El motor eléctrico que necesitamos lo calculamos teniendo en cuenta la potencia
máxima que hay que entregar que es la de aceleración en este caso (2281W).
La potencia del motor será esa potencia teniendo en cuenta los rendimientos de la
hélice y de la transmisión.
El rendimiento de una hélice ronda los 0.6 y el de la transmisión 0.9 la potencia del
motor será por tanto P a entregar partido del producto de rendimientos.
Pmotor ≈ 4224 W
Por tanto necesitaremos un motor eléctrico cercano a los 5kW aunque de entre las
opciones de 5 y 7.5 decidimos el motor de 7.5 para asir alcanzar mayores
velocidades en modo eléctrico.
Elegimos el HybridMaster 7.5 Ultra. Cuyas características son:
- 7.5 kW
- Asíncrono
- 48 V
- 1450 rpm máx.
Realizando este mismo cálculo que hemos hecho para la velocidad de 3 nudos para
unas cuantas velocidades más y realizando un ajuste a través de una exponencial que
se asemeja mucho a la curva de velocidad/potencia podemos obtener una tabla de
Excel que nos relaciona la potencia que debemos entregar con la velocidad en
nudos.
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Tabla 2. Tabla nudo/ pot real (elaboración propia)
Obtenemos una gráfica que nos da una idea de los consumos de potencia del motor
navegando a distintas velocidades. Esta gráfica nos determinará la velocidad
máxima a la que podemos navegar en modo eléctrico.
Nudos Pot real (W)
2,2 305,6
2,6 453,2
3,0 673,0
3,4 856,6
3,8 1182,5
4,0 1381,0
4,2 1632,3
4,6 2253,2
5,0 3062,0
5,4 4293,3
5,8 5926,4
6,0 6940,0
6,4 9611,5
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Figura 36. Potencia real a entregar
+
Para determinar este dato basta con un cálculo sencillo ya que la potencia máxima
de nuestro motor eléctrico es de 7500kW y esa potencia se lleva a la hélice con los
rendimientos de 0.9 y 0.6 lo que hace que la potencia máxima a entregar sean 4050
W. Si hacemos el cálculo utilizando la exponencial de ajuste tenemos una velocidad
máxima de 5.33 nudos. Esta velocidad será la máxima alcanzable en las condiciones
descritas de viento y corrientes en contra, en caso de no haber o ser muy
despreciables podríamos alcanzar los 6 incluso 7 nudos dependiendo de las
condiciones.
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5.2 Motor térmico
Pasamos ahora al dimensionamiento del motor térmico para el cual determinaremos
una velocidad de crucero del barco. La velocidad de crucero de diseño del barco será
de 17 nudos.
5.1 – Método de Savitsky
Existen varios métodos para realizar la estimación de potencia de una embarcación.
El método de Savitsky es un método usado para estimar la potencia necesaria para
embarcaciones planeadoras.
El método de Savitsky es uno de los métodos más utilizados para predecir la
potencia de embarcaciones de planeo. Fue propuesto por Daniel Savitsky,
investigador del canal de experiencias David Taylor (EEUU). El método se basa en
el estudio experimental sistemático con formas prismáticas en régimen de planeo.
La peculiaridad de este fenómeno, estudiado por Savitsky, es el régimen de planeo.
En la siguiente figura podemos apreciar una embarcación en situación de planeo, es
una situación de equilibrio de fuerzas y momentos durante el momento de la
navegación, con un cierto ángulo de trimado dinámico (τ). De estos valores y del
trimado dinámico dependerá siempre la situación de equilibrio.
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Figura 37. Embarcación de planeo, ángulo de trimado [GOM10]
En la imagen anterior se pueden apreciar las siguientes fuerzas:
- T = es el empuje de la hélice.
- ε = es el ángulo formado por la fuerza T con la línea de la quilla.
- R = es la resistencia al avance que ofrece la embarcación.
- N = es la sustentación.
- ∆ = es el desplazamiento de la embarcación.
El método se basa en el cálculo del equilibrio de la embarcación mediante la
estimación de las diferentes acciones.
Para el cálculo de la sustentación, se basa en la estimación del efecto de la astilla
muerta, a partir de los datos obtenidos en ensayos con placas planas.
Para el cálculo de la resistencia al avance, se basa en una corrección de los valores
dados por el coeficiente de fricción. Esta línea de fricción fue tomada como estándar
por la International Towing Tank Conference en 1957. Dado este coeficiente se le
suma el resto de valores de resistencias varias. Finalmente, para unos valores de T,
∆ y ε dados, se calcula el valor del ángulo de trimado dinámico de equilibrio τ.
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Tabla 3.Tabla datos para Savitsky
Para realizar el cálculo se ha recurrido al programa Freeship que contiene el cálculo
según el método de Savitsky. En la siguiente imagen vemos los datos introducidos
en el programa.
La gráfica que nos ofrece el programa es la siguiente
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Figura 38. Gráfica resistencia y potencia según Savitski (elaboración propia)
Vemos como varían la resistencia la potencia y el ángulo de trimado tau en función
de la velocidad del barco.
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Tabla 4.Tabla V/Ang trim/Rf/Rt/Pot
Los datos ofrecidos por el programa son los siguientes:
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La potencia requerida a 17 nudos es de 111 kW interpolando entre 16.62 y 18.11,
por tanto la potencia que necesitamos del motor térmico al igual que hicimos con el
eléctrico será la requerida entre los rendimientos de hélice y transmisión.
La potencia del motor es de:
Pmcombustión = 205 kW
Debemos tener en cuenta también un aumento de la resistencia del 15% producido
por el ensuciamiento del casco lo que se traduce en un 15% más de potencia
necesaria.
Pmcombustión=235 kW
Se elige el motor con algo más de potencia para que la velocidad de crucero sea
alcanzable y el consumo este más ajustado a esa velocidad.
El motor escogido para el diseño es un Volvo Penta modelo D6-370 con una
potencia de 243 kW. [VOL]
Con este motor podemos alcanzar una velocidad máxima de unos 22 nudos.
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Capítulo 6 Banco de baterías
6.1 Dimensionamiento
Para calcular el dimensionamiento de las baterías debemos determinar ahora cuales
van a ser los recorridos mínimos que se van a realizar en modo eléctrico.
Como ya hemos dicho el proyecto trata de conseguir que la embarcación sea capaz
de realizar todos los recorridos a menos de 3 nudos en modo eléctrico ya que se
espera que la ley se endurezca en este sentido como ya ha ocurrido en algunos
países.
Estos recorridos abarcan el atraque y desatraque en puerto, el acercamiento a la
costa para fondear y otros posibles casos.
Se pretende que se cubran al menos estos recorridos.
Del atraque y desatraque en puerto debemos estimar que las baterías tengan
autonomía para realizar a la vez ambas maniobras por lo que en primer lugar
debemos determinar el puerto más largo que encontremos en España para que la
embarcación sea capaz de recorrer su distancia al menos dos veces con las baterías.
En España la gran parte de los puertos no miden más de 1km pero tiene especial
interés el puerto de Mahón en Menorca. El puerto de Mahón, es el segundo puerto
más grande de Europa, es un puerto natural con una longitud de casi seis kilómetros
desde la bocana al punto más alejado del puerto. Por tanto para realizar el
dimensionamiento se ha tomado este puerto como referencia.
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Figura 39.Puerto de Mahón
Para calcular el banco de baterías debemos calcular la energía en Wh que se necesita
para los recorridos que hemos determinado como recorrido con cero emisiones.
En primer lugar debemos calcular la energía en Wh para realizar el atraque y
desatraque del puerto de Mahón.
La potencia necesaria para la aceleración ya le hemos calculado anteriormente, son
4224 W pero debemos tener en cuenta el rendimiento del motor eléctrico que hemos
estimado en 0.85 por tanto son 4969 esta potencia la entregamos a lo largo de 5
segundos por lo que la energía que necesitamos en Wh es 6.9Wh. Para tener en
cuenta las posibles maniobras en puerto para atraque y desatraque consideraremos
que para salir de puerto hacen falta unas 8 maniobras entre aceleraciones y frenadas
por lo que esta energía queda multiplicada por 8 pero como estas maniobras se
hacen dos veces (atraque y desatraque) quedarán multiplicada por 16 no debemos
olvidar tampoco las aceleraciones y maniobras que se realizan al fondear que
suponen 4 maniobras más de este tipo, la mitad que en el puerto porque son
maniobras más sencillas, por tanto el factor es por 20 quedándonos al final 118Wh
de consumo de energía.
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Figura 40.Distribución de la energía utilizada en navegación eléctrica (elaboración propia)
Para realizar el trayecto de 6km del puerto dos veces a 3 nudos tenemos que se
necesitan un tiempo de t=e/v 2.16 horas
La potencia necesaria para navegar a 3 nudos la obtenemos de los cálculos previos
que son en 673W que teniendo en cuenta los rendimientos en transmisión, hélice y
rendimiento del motor eléctrico, que estimamos en 0.85 y las 2.16 horas dan
3167Wh.
Estimamos además que los acercamientos a la costa para fondear pueden suponer
una media hora más de navegación teniendo en cuenta que al entrar en la zona
cercana a la costa el barco ya trae velocidad de crucero lo que hace que no sea
necesario apenas consumir energía.
La media hora de navegación a 3 nudos serían 733.12 Wh
La frenada y aceleración 118 Wh
Clasificando la energía en:
- Aceleraciones (ya sean frenadas o aceleraciones positivas).
- Salida y entrada de puerto
- Aproximación para fondear
Etot = 4038.12Wh
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Figura 35. Área frontal (elaboración propia)
Figura 41. Batería litio Mastervolt
Vemos como la mayor parte de la energía 78% se consume en la entra y salida del
puerto, ya que realmente es un puerto extremadamente largo, las aceleraciones
vemos que nos son tan importantes y suponen un 3% del total
6.2 Elección del tipo de baterías
[EMB]
Necesitamos por tanto 4038.12 Wh que al haber escogido un motor de alimentado a
48 V nos lleva a buscar 71.5 Ah de capacidad de las baterías.
Dentro de las opciones en las baterías podemos elegir entre baterías de ion Litio o
AGM o Gel.
Pasamos a analizar cada una de las opciones de baterías eligiendo ya el modelo de
cada tecnología que se adaptaría a nuestro proyecto.
6.2.1 Baterías de Ión de Litio
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Figura 42. Batería AGM Mastervolt
Ficha técnica:
- Capacidad Ah 160 Ah
- Dimensiones 623 x 199 x 345 mm
- Peso 48 kg
- Tipo de batería Ión de Litio
- Voltaje 24 V
- Marca MASTERVOLT
- Precio 5875 €
Con este modelo de batería tendríamos que comprar dos y ponerlas en serie ya que
nuestro motor se alimenta a 48 V por lo tanto el precio final sería de 11750 €
6.2.2 Baterías AGM
- Capacidad Ah 185 Ah
- Dimensiones 560 x 126 x 280 mm
- Peso 54 kg
- Tipo de batería AGM Slim
- Voltaje 12 V
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Figura 43. Batería gel Mastervolt
- Marca MASTERVOLT
- Precio 600€
En este caso tendríamos que utilizar 4 baterías en serie para conseguir los 48 V lo
que harían un total de 2400 €.
6.2.1 Vaso de gel
- Capacidad Ah 280 Ah
- Dimensiones 125 x 207 x 357 mm
- Peso 22 kg
- Tipo de batería Vaso de gel - 2V
- Voltaje 2 V
- Marca MASTERVOLT
- Precio 380€
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Figura 44. Batería MVG gel Mastervolt
Para conseguir los 48V del motor en este caso deberíamos adquirir 24 vasos de gel
que serían 9120 €.
6.2.1 Baterías MVG gel
- Capacidad Ah 200 Ah
- Dimensiones 518 x 274 x 238 mm
- Peso 70 kg
- Tipo de batería MVG (gel)
- Voltaje 12 V
- Marca MASTERVOLT
- Precio 640€
Para conseguir los 48V del motor en este caso deberíamos adquirir 4 baterías que
suman 2560 €.
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Figura 45. Cuadro características baterías (Mastervolt)
La marca Mastervolt nos proporciona una tabla donde compara las distintas
tecnologías de baterías [MSTV]:
Las baterías de ión de litio son las que mejores prestaciones tienen respecto a las
demás y debido a las características de la hibridación las baterías van a sufrir ciclos
de descarga completa prácticamente cada trayecto, ya que continuamente trataremos
de agotar las baterías al máximo para conseguir el máximo ahorro.
Otro factor fundamental es que las baterías de ion de litio no tienen una capacidad
variante con la intensidad de descarga algo que limita mucho al resto de baterías.
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Figura 46. Profundidad de descarga baterías de litio (Mastervolt)
Figura 47. Energía disponible y necesaria en las baterías
La siguiente gráfica nos muestra muy claramente el aspecto anteriormente
comentado:
Nos decantamos por tanto por 2 baterías de ión de litio de 160 Ah y 24V que nos
aportan una capacidad de 160Ah a 48 V, para que la vida sea más larga haremos
descarga del 80% de profundidad tal y como nos advierte el fabricante contamos por
tanto con 6144 Wh.
Esto supone una energía extra, ya que nosotros demandamos
4038.12Wh que al ser baterías
0
2000
4000
6000
8000
1
E.Disponible 6144
E.Necesaria 4038,12
Wh
Banco baterias
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Figura 48.Curva de carga del motor Volvo Penta (Fabricante)
Contamos por tanto con un 34% más de energía extra que se podrá utilizar para
ahorrar aún más combustible.
Capítulo 7 Dimensionamiento tanque
combustible
Calcularemos el consumo del barco a 17 nudos. Para ello utilizamos las curvas que
nos proporciona el fabricante.
La potencia que el motor tiene que entregar al cigüeñal ya la hemos calculado son
unos 235 kW entrando en la curva de Pot/rev sacamos las revoluciones:
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Figura 49. Curva de consumo del motor Volvo Penta (Fabricante)
Nos da unas 2570 rpm, es interesante observar como la gráfica nos aporta también
el dato de curva de carga en la hélice que nos da de unos 125 kW que se aproxima
bastante a la potencia requerida a 17 nudos calculada en el apartado 5, 111 kW que
si tenemos en cuenta el factor de. 15% de la suciedad nos da 127kW.
Con ese dato de revoluciones entramos en la curva de consumo/rev
El consumo es de unos 33 litros/h
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Consideramos que una autonomía aceptable son unas 200 millas que a los 17 nudos
de velocidad de crucero son 12 horas, esto nos hace tener un depósito de
combustible de unos 400 litros.
Capítulo 8 Estudio del trayecto de recreo tipo
Los trayectos tipo que vamos a estudiar son:
- Trayectos de recreo normal, donde distinguimos en función de su longitud.
Este es el tipo de trayecto más habitual, consiste como ya se ha comentado
anteriormente en salir de puerto para fondear en una playa y volver al puerto.
El trayecto de recreo normal es del que venimos hablando a lo largo del
proyecto, es de tipo circular y básicamente la distancia del mismo será la que
nos determine el consumo y ahorro de energía. Podríamos asimilar este tipo de
trayectos a lo que en automoción sería un viaje convencional.
- Trayectos de recreo especiales: Aquí estudiamos la posibilidad de tener
trayectos en los que prácticamente no utilicemos el motor térmico, debido a
que se quiera realizar una navegación silenciosa, o por ejemplo que se haga
cierto tipo de pesca de curricán en la que se necesita una velocidad muy baja.
En estos tipos de trayecto no se suele fondear habitualmente. Por hacer el
mismo símil anteriormente citado esto podrían ser trayectos de ciudad en los
que no se requiere mucha potencia y las distancias no son muy largas.
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El trayecto de recreo normal es el más habitual y por eso nos centraremos en el para
crear un trayecto tipo real de ejemplo
Dado que se ha tomado el puerto de Mahón como referencia para realizar los
cálculos del dimensionamiento de las baterías, se tomará también el puerto de
Mahón para dar un ejemplo de trayecto tipo.
El trayecto típico de una embarcación de recreo es bastante sencillo ya que en la
gran mayoría de las ocasiones el recorrido que se realiza es circular, es decir, se
comienza en el puerto y se acaba en el mismo puerto.
En general la gran mayoría de los desplazamientos de recreo que se realizan
consisten en salir del puerto para fondear en alguna cala y bañarse allí para después
volver a atracar el barco en el puerto.
La distancia del puerto a la cala no suele ser muy larga ya que tampoco interesa que
el recorrido sea demasiado largo. Se suele intentar que estos recorridos no sean de
más de 2 horas.
Estimamos como tiempo de navegación medio un trayecto de 1 hora, lo que
navegando a 17 nudos nos da una distancia media de 17 millas (31.5 km)
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Figura 50. Curvas de navegación (elaboración propia)
Las dimensiones de la isla de Menorca con una distancia de norte a sur de 17 km y
de este a oeste de 47 km hacen que desde el puerto de Mahón prácticamente se
pueda realizar cualquier trayecto.
Se aprecia cómo debido a las dimensiones de la isla, prácticamente en menos de dos
horas podemos llegar a cualquier lado de la isla de Menorca navegando a 17 nudos.
Empezamos a contar el tiempo de navegación una vez que se sale de la bocana del
puerto.
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Figura 51. Mahón – Cala Pregonda (elaboración propia)
Como recorrido tipo por tanto tendríamos cualquiera que esté entre las dos curvas
anteriormente trazadas.
El trayecto elegido es Mahón – Cala Pregonda. Es una playa de interés turístico y
que se encuentra al norte de la isla a una distancia adecuada para el estudio del caso.
La distancia de la cala está muy cerca de la curva de la hora de navegación por lo
que asumimos por tanto que desde la salida de la bocana del puerto hasta la cala
tenemos prácticamente una hora de navegación
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Capítulo 9 Modelo de utilización de la
hibridación en paralelo.
Antes de estudiar cómo van a ser las reducciones de emisiones y de consumos que
se van a producir en el trayecto tipo elegido, deberemos estudiar cómo va a
gestionarse el uso del modo eléctrico y del modo térmico de nuestra embarcación.
EL diseño que se ha realizado así como el dimensionamiento garantizan que:
- Se tiene autonomía eléctrica para atracar y desatracar en el puerto de Mahón
con una longitud de 6km.
- Energía necesaria para las aceleraciones y deceleraciones.
- Contamos también con media hora extra de navegación a 3 nudos que la hemos
determinado para los acercamientos a la costa.
Las baterías que se han elegido son las del capítulo 6
Disponemos de 6144 Wh y trataremos de consumirla en cada trayecto. El uso de
esta energía es el que nos proporciona el ahorro en combustible y en emisiones.
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El modelo de uso de ésta energía es el que proponemos a continuación y que se basa
en las siguientes premisas:
- En primer lugar utilizaremos obligatoriamente energía eléctrica de las baterías
cuando el trayecto esté limitado a tres nudos. Esto es en puertos y zonas con la
de navegación limitada, zonas cercanas a la costa, zonas protegidas, etc.
- Trataremos siempre de consumir las baterías al máximo en todos los trayectos
para que el ahorro sea máximo.
- La filosofía será la de tratar siempre de utilizar el modo eléctrico cuando
estemos cerca de la costa o en el puerto para evitar la contaminación en estos
puntos y pasar a contaminar ya alejados de la costa.
- Al no poseer de regeneración de energía las baterías sólo se cargan a través del
motor térmico que mueve el motor eléctrico que funcionando como generador
carga las baterías y en el puerto donde se conecta a la red.
La peculiaridad de los trayectos de las embarcaciones de recreo nos permite hacer
este estudio y realizar una hibridación en la que casi siempre seamos capaces de
consumir la misma energía eléctrica.
Vamos a estudiar dos casos distintos que en el fondo son los mismo siendo uno un
caso particular del otro.
- En primer lugar estudiaremos como sería en un puerto cualquiera y un trayecto
cualquiera.
- En segundo lugar estudiaremos el caso particular del trayecto tipo del apartado
anterior Mahón-Cala Pregonda
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Figura 52. Modelo uso eléctrico térmico (elaboración propia)
La filosofía como hemos dicho es siempre la misma: Tratar de contaminar lejos de
la costa
Como vemos en la figura 40 se utiliza modo eléctrico tanto a la ida como a la vuelta
en las maniobras de atraque y desatraque y de fondeo y salida de fondeo.
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El dimensionamiento de las baterías se ha realizado para un puerto especialmente
grande como es el de Mahón con 6km de longitud por lo que en la gran mayoría de
los puertos no necesitaremos tanta navegación en modo eléctrico y además
contamos con media hora más de navegación en modo eléctrico puro que no siempre
se llevará a cabo.
Tenemos por tanto como norma general poca exigencia de navegación puramente
eléctrica, lo que nos aporta energía eléctrica en exceso en la mayoría de las
ocasiones.
Sin embargo al tener una hibridación en paralelo que nos permite utilizar ambos
motores a la vez, podemos utilizar la energía de que disponemos por diseño que no
se consume en trayectos en modo eléctrico puro combinándola con el motor térmico.
De este modo podremos utilizar prácticamente en todos los trayectos la energía de
las baterías y así consumir la máxima energía eléctrica consiguiendo un ahorro
máximo.
El modo en paralelo se utilizará se podrá activar en cualquier momento del trayecto
en modo manual pero si no se toca nada se realizará automáticamente tanto en la
salida de puerto como en la salida del fondeo.
De modo automático a no ser que el usuario lo cambiase se consumiría la mitad de
la energía almacenada en las baterías a la salida y entrada del puerto y la otra mitad
en el fondeo y salida de fondeo.
En la salida de fondeo, de vuelta al puerto se consumirá el resto de la energía de las
baterías exceptuando la energía necesaria para volver al puerto.
Esto se consigue gracias al uso de un sistema de control que incluye localización
por medio de un GPS integrado que controla la posición del barco en todo momento
y que además tiene las dimensiones del puerto de cada barco.
El sistema de control supervisa en todo momento el nivel de energía de las baterías y
es el que se encarga de poner en paralelo el motor eléctrico tanto en la salida de
puerto como en la salida de fondeo controlando que siempre se deje energía
suficiente para volver al puerto.
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Figura 53. Modelo uso eléctrico, térmico y paralelo (elaboración propia)
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Se eligen estos momentos de uso en paralelo ya que son momentos inevitables
prácticamente en todos los trayectos en una embarcación de recreo.
Obviamente el usuario puede decidir no consumir la energía eléctrica en estos
momentos por lo que podrá desconectar esta opción.
Esto por ejemplo puede suceder si el usuario quiere salir del puerto para hacer una
navegación exclusivamente eléctrica por cualquier razón.
Estas posibilidades las contemplaremos en una serie de trayectos tipo que el usuario
puede realizar así como distintos tamaños de puerto.
Los trayectos tipo que vamos a estudiar son:
- Trayectos de recreo normal, donde distinguimos en función de su longitud.
Este es el tipo de trayecto más habitual, consiste como ya se ha comentado
anteriormente en salir de puerto para fondear en una playa y volver al puerto.
El trayecto de recreo normal es del que venimos hablando a lo largo del
proyecto, es de tipo circular y básicamente la distancia del mismo será la que
nos determine el consumo y ahorro de energía. Podríamos asimilar este tipo de
trayectos a lo que en automoción sería un viaje convencional.
- Trayectos de recreo especiales: Aquí estudiamos la posibilidad de tener
trayectos en los que prácticamente no utilicemos el motor térmico, debido a
que se quiera realizar una navegación silenciosa, o por ejemplo que se haga
cierto tipo de pesca de curricán en la que se necesita una velocidad muy baja.
En estos tipos de trayecto no se suele fondear habitualmente. Por hacer el
mismo símil anteriormente citado esto podrían ser trayectos de ciudad en los
que no se requiere mucha potencia y las distancias no son muy largas.
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Capítulo 10 Consumos y ahorros de la
hibridación.
10.1 Ahorros de combustible
10.1.1Ahorro con M.E. exclusivamente.
Dependiendo de la potencia a la que pongamos el motor eléctrico tendremos unos
ahorros de combustible u otros en función de la autonomía que tengamos a esas
velocidades a las que hemos hecho el estudio.
Nos damos cuenta por el tipo de hibridación y la imposibilidad de recargar las
baterías con sistemas regenerativos que el máximo ahorro de combustible se dará
cuando utilicemos al máximo la energía de las baterías.
La utilización máxima de las baterías viene determinada por la longitud del puerto,
el tiempo de navegación ya sea térmica o eléctrica y la velocidad de la misma.
En cuanto a la longitud del puerto tenemos que se utiliza un porcentaje de las
baterías que puede llegar a ser importante:
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Figura 54. Porcentaje de uso de las baterías en función del puerto
Tabla 5. Autonomía eléctrica en función del puerto (minutos)
En esta gráfica vemos el porcentaje de baterías que se consume, comprobamos que
en un puerto tan largo como el de Mahón consumimos más del 70% de las baterías.
En el cálculo también están incluidos los consumos de salida y entrada del puerto así
como los provenientes de las aceleraciones correspondientes a las maniobras en
puerto para atraque y desatraque.
En función del puerto del que hablemos tendremos una autonomía eléctrica u otra,
en la siguiente tabla vemos las autonomías que tenemos dependiendo de la velocidad
a la que nos lleve el motor eléctrico y de la longitud del puerto.
puerto 6
km puerto 2
km puerto 1
km puerto 0,5
km minutos a 3
nudos 120 206 228 239
minutos a 4 nudos
58 101 111 116
minutos a 5 nudos
26 45 50 52
pot max 20 34 38 40
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
6 2 1 0,5
% d
e u
so d
e la
s b
ate
rias
longitud del puerto en km
Consumo de baterias
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Figura 55. Gráfica autonomía eléctrica (elaboración propia)
Vemos como hasta en el caso más desfavorable que es el de un puerto de 6 km como
es el de Mahón tenemos 120 minutos de autonomía a 3 nudos que son 4veces lo que
hemos calculado en cuanto a aproximaciones a la costa para el diseño de las
baterías.
Gráficamente se aprecia más claramente la importancia de las velocidades del motor
eléctrico así como de la longitud de los puertos.
0
50
100
150
200
250
300
3 4 5 6
Au
ton
om
ía e
n m
inu
tos
Velocidad en nudos
Autonomía eléctrica
Puerto 0.5 km
Puerto 1 km
Puerto 2 km
Puerto 6 km
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Figura 56. Gráfica ahorro de combustible en cada trayecto (elaboración propia)
Para calcular el consumo de combustible que conseguimos vemos cual es el
consumo de combustible que haría el motor a esas velocidades a las que trabaja el
motor eléctrico, (de 0 a 6 nudos), a estas velocidades el motor se encuentra al ralentí
y el consumo es siempre constante prácticamente, lo obtenemos de la gráfica de
consumo, unos 9.5 l/h.
Es interesante ver como es el ahorro de combustible en función de la longitud del
puerto y de la velocidad en nudos a la que nos lleve el motor eléctrico:
Vemos como la longitud del puerto influye bastante y que los mayores ahorros se
consiguen a 3 nudos también vemos que según los puertos van siendo más similares
en distancia los consumos se igualan mucho también.
Para hacer un cálculo de ahorro de consumo general, supondremos que a 3 nudos se
realizarán la entrada y salida de puerto y que el resto de consumos de motor
eléctrico lo haremos a 5 nudos o a potencia máxima del motor ya que con estos
consumos de potencias la autonomía eléctrica se puede consumir con tiempos más
razonables por debajo de los 50 minutos.
0
5
10
15
20
25
3 4 5 6
litro
s
Nudos
Ahorro de combustible en cada trayecto
Puerto 6 Km
Puerto 2 km
Puerto 1 km
Puerto 0.5 km
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Tabla 6. Tiempos de navegación eléctrica (elaboración propia)
Así aplicamos el modo de hibridación explicado en apartados anteriores mediante el
cual reservando la energía para atraque y desatraque del puerto gastamos la restante
en salida del puerto y salida de fondeo haciendo trayectos en modo eléctrico de
menos de 25 minutos por encima de los 5 nudos y en modo eléctrico con cero
emisiones y cero ruidos.
Los tiempos de navegación eléctrica que tenemos en función del puerto son:
El trayecto más largo que hay que recorrer para conseguir el ahorro máximo a 5
nudos o más es de 46 minutos en el caso más desfavorable que es el del puerto de
0.5 km es de 46 minutos a 5 o 6 nudos que corresponden a 4.2 millas para recorrer
en modo eléctrico.
0 50 100 150 200
puerto 6
puerto 2
puerto 1
puerto 0,5
minutos
tiempo total
tiempo puerto
tiempos e-nav
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Tabla 7. Ahorro de combustible (elaboración propia)
Con estos datos de navegación de entre 5 y 6 nudos y sabiendo el consumo de
combustible que se ahorra a esta velocidad hacemos el cálculo del ahorro total de
combustible en función del puerto.
Como era de esperar cuanto más largo es el puerto, es decir cuanto más distancia se
recorra a 3 nudos más ahorro obtenemos 24.5 litros por trayecto. Pudiendo llegar a
un ahorro de 32 litros en caso de que todos los consumos del motor eléctrico sean a
3 nudos.
Vemos como el caso del puerto de Mahón es especial debido a su longitud, es por
ello que requiere más tiempo de navegación eléctrica a 3 nudos y por ello más
ahorro, por el contrario quedará menos autonomía eléctrica para disfrutar.
En el resto de puertos se ahorrarían de media 11 litros de combustible en cada
trayecto que se realizase. Con la condición de que se navegue en modo eléctrico el
tiempo necesario para consumir las baterías.
24,7
13,8
11,0 9,7
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
puerto 6 puerto 2 puerto 1 puerto 0,5
Litr
os
Ahorro de combustible
Ahorro e-nav
Ahorro por puerto
Ahorro total
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10.1.2 Ahorro con M.E. y M.Térmico en paralelo
En este caso estudiamos un tipo de usuario que no quiere perder el tiempo yendo a
velocidades demasiado lentas sino que quiere hacer el trayecto hasta su cala lo más
rápido posible a la velocidad de crucero
Para conseguir el máximo ahorro como ya se ha dicho se tratará siempre de
consumir toda la energía de las baterías.
Para ello se pone en marcha el motor eléctrico en paralelo con el térmico para
consumir la energía según el modelo que ya se mencionó en el apartado 9.
El ahorro de combustible en este caso habrá que calcularlo como el trabajo que el
motor eléctrico le evita al térmico y con ello un ahorro de combustible, cuando éste
navega a la velocidad de crucero.
El trabajo que aporta el motor eléctrico al térmico son los 7.5 kW de potencia del
motor teniendo en cuenta el rendimiento de la transmisión quedándonos 6750 W.
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Figura 57.Curva de carga del motor Volvo Penta (Fabricante)
Entrando en la curva de potencia del motor tenemos que:
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Figura 58.Curva de consumo del motor Volvo Penta (Fabricante)
Entrando ahora en la gráfica de consumo podemos calcular lo que se ahorra:
Vemos como la potencia del motor eléctrico es muy pequeña frente a la del térmico
sin embargo esa poca potencia que entregamos 6750 W hace que el motor se vea
ligeramente desahogado en ese punto necesitando menos revoluciones.
Esa reducción de revoluciones se ve traducida en una reducción del consumo.
Aportando la potencia nominal del motor eléctrico, los 7.5 kW el consumo se ve
reducido de 33 l/h a los 30 l/h, ahorramos por tanto 3 litros a la hora.
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Tabla 8. Ahorro combustible con e-mot en paralelo (elaboración propia)
Se diseña la relación de transmisión entre el motor y el eje de la transmisión para
que cuando las revoluciones sean 2500 rpm el motor eléctrico a través de esa
relación de transmisión de la potencia máxima que son los 7,5 kW.
En caso de aportar los 7,5kW al motor térmico en paralelo, como ya hemos visto
anteriormente dependiendo de la longitud del puerto tendremos un ahorro u otro.
Vemos como a medida que el puerto es más pequeño, es decir a medida que se usan
más los motores en paralelo el ahorro de combustible se reduce a la mitad
prácticamente. Como era de esperar el ahorro es mucho mayor en modo eléctrico
puro que en modo en paralelo.
21,8
8,9
5,6 4,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
puerto 6km
puerto 2km
puerto 1km
puerto 0,5km
litro
s Ahorro con e-mot en //
Ahorro en puerto
Ahorro total
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Tabla 9. Ahorro emisiones (elaboración propia)
10.2 Ahorros de emisiones
Para calcular el ahorro de emisiones que se consiguen con la hibridación utilizamos
la fórmula que nos determina la cantidad de CO2 emitido en función de la cantidad
de combustible empleado.
Siendo x e y los coeficientes del hidrocarburo en este caso diesel, por lo que
tendremos C12H23.
De este modo por cada kg de combustible se emiten 3.16 kg de CO2.
Como trabajaremos con litros de combustible y sabiendo que la densidad el mismo
es de 840 g/litro tendremos que se emiten 2.66 kg de CO2 por litro de combustible.
Atendiendo a los ahorros de combustible que conseguimos tenemos unos ahorros de
emisiones de CO2 directamente relacionados.
Compararemos el ahorro de emisiones que se consigue con modo eléctrico puro y
con modo en paralelo, asumiendo unos ahorros medios de combustible de 11.5 litros
en el caso de modo eléctrico puro y de 6 litros en modo paralelo.
0 10 20 30 40
ahorro con e-mot
ahorro con e-mot en //
30,59
15,96
kg de CO2 por trayecto
Ahorro emisiones
kg de CO 2 trayecto
xykg
kg
/12
44
eCombustibl
CO 2
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Tabla 10. Ahorro emisiones por temporada (elaboración propia)
Si consideramos que la temporada consta de 35 salidas al año, es decir 35 trayectos,
el ahorro de emisiones por temporada es el siguiente:
Estos ahorros comparando lo que consumiría una embarcación sin motor eléctrico
en un trayecto tipo que ya hemos determinado anteriormente que lo consideramos de
1h son un porcentaje importante de las emisiones.
0
200
400
600
800
1000
1200
ahorro con e-mot
ahorro con e-mot en //
1071
559
kg d
e C
O2
Ahorro de emisiones por temporada
kg de CO2 temporada
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0 10 20 30
ahorro con e-mot
ahorro con e-mot en //
22
11
% ahorro por trayecto
% ahorro por trayecto
Tabla 11. Porcentaje de ahorro emisiones (elaboración propia)
Vemos como los ahorros dependiendo del modo en que se use la hibridación
suponen desde un 11% de ahorro de emisiones hasta un 22% del mismo por lo que
son un ahorro importante.
10.3 Ahorro económico
El ahorro económico también es importante y está al igual que las emisiones
relacionado directamente con el ahorro de combustible. El ahorro se consigue
gracias a que el kWh obtenido vía red eléctrica que carga las baterías es más barato
que el que se obtiene del combustible.
El precio del litro de diesel actualmente [05/09/12] está en 1.45 euros por litro
sabiendo que en cada trayecto tenemos un ahorro determinado de litros podemos
calcular el dinero que nos ahorramos. A este ahorro hay que quitarle el coste de la
recarga de las baterías y que se calcula con el precio de la tarifa eléctrica.
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Figura 59. Horario tarifas valle/punta [ASAL11]
El precio de la tarifa eléctrica aplicable a partir del 1 de junio 2012 es el siguiente y
varía en función de si tenemos en cuenta discriminación horaria o no:
Modalidad sin discriminación horaria:
TEU0= 0,142208 euros/kWh.
Modalidad con discriminación horaria de dos periodos:
TEU1= 0,172518 euros/kWh.
TEU2= 0,060780 euros/kWh
El ahorro máximo se consigue con una tarifa con discriminación de carga. Con esta
estrategia de carga de las baterías, recargaremos las baterías de la embarcación en
horas valle con el que conseguimos la energía a un precio de hasta más de dos veces
más barato que con una tarifa sin discriminación de carga. Los horarios de valle y
punta además son muy adecuados para aplicarlos en este proyecto ya que son
precisamente las horas punta en las que el barco está navegando por lo que la
recarga no se precisa. Y en las horas valle el barco ya está en puerto momento en el
cual se realiza la recarga de las baterías.
[IET/843/2012, Ministerio de industria, energía y turismo]
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Tabla 12. Ahorro económico (elaboración propia)
Para la carga de las baterías sabemos que en cada trayecto utilizamos 6144 Wh que
son los que tenemos que recargar. Tenemos en cuenta también el rendimiento de la
carga que es de un 90% en caso de las baterías de litio y la tasa de auto descarga que
es de un 3% mensual. Para hacer una estimación del coste por recarga tenemos que
el 3% de auto descarga son 230 Wh mensuales que son 2765 Wh anuales que entre
las 35 salidas por temporada de navegación son 79 Wh por trayecto. Sumado a los
6827 Wh que supone tener en cuenta la carga por trayecto con el 90% de
rendimiento, tenemos que recargamos 6906 Wh por trayecto.
El ahorro por trayecto dependiendo como siempre del tipo de hibridación varía entre
8 € y 16 € lo que por temporada supone unos 290 € y 570 €. Son cifras nada
desdeñables que se verán incrementadas cada año debido al inevitable aumento del
precio de los carburantes, estudiaremos este impacto en el siguiente capitulo
0,000 20,000 40,000 60,000
ahorro con e-mot
ahorro con e-mot en //
15,693
8
55
29
euros
Ahorro económico
euros/10 por temp. cont.valle
euros por trayecto contarifa valle
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Figura 60. Paquete Mastervolt
Capítulo 11 Estudio económico.
Se estudiará en este apartado la rentabilidad económica del proyecto. A partir de los
ahorros que tenemos por temporada y a partir del coste extra que supone introducir
una hibridación en una embarcación de recreo, veremos a partir de cuándo se
recupera la inversión inicial. Para ello determinaremos los costes incrementales en
los que incurrimos.
Mastervolt ofrece un paquete con todos los dispositivos necesarios para la
hibridación que este paquete son 16.169 $que son 12.853 €. Pero incluye baterías
AGM en vez de batería de litio y el motor es de 5kW en vez de 7.5.
Las baterías son 4 baterías AGM de 600€ cada una, el motor de 5 kW cuesta 5900€
y el de 7.5kW lo estimamos en 8000 € ya que no tenemos referencias del precio de
este motor, incluyendo las baterías de litio que son 11750€ nos queda un total de
24300 € extra de inversión para tener la embarcación híbrida
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Figura 61. Evolución precio gasoil [CETM]
Teniendo en cuenta por tanto el ahorro por temporada y además la subida del precio
del combustible esto nos lleva a que el ahorro se va incrementando cada vez, es
cierto que también sube la tarifa de la luz pero esta subida no impacta tanto ya que
tenemos tarifa valle y aunque se duplicase apenas afectaría en un 4% sobre el ahorro
total.
Vemos como el precio del gasóleo está tendiendo a un aumento anual que oscila
pero que esta entre el 10y 20 por ciento anual lo que provoca ahorros directamente
proporcionales al año.
Para estudiar el impacto de la subida del gasoil en el ahorro económico hacemos un
estudio de sensibilidad, para poder simplificarlo no diferenciaremos entre el modo
de hibridación con e-mot y con e-mot en paralelo, sino que estudiamos un caso
intermedio en el que suponemos que el usuario usará ambos igualmente produciendo
ahorros medios entre ambos.
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Figura 62. Gráfica análisis sensibilidad en función de la subida anual del gasoil
(elaboración propia)
En función del escenario del precio del gasoil tendremos un retorno de la inversión u
otro. En el escenario en el que el gasoil sube un 10% tendríamos la inversión
completamente amortizada a los 20 años, mientras que en el caso de que suba hasta
un 20% serían unos 14 años. Teniendo en cuenta que la vida de un barco de estas
características ronda entre los 20 y 30 años dependiendo del uso que se le dé al
motor vemos como la inversión es rentable económicamente para el usuario.
Como conclusión hemos visto que el proyecto es favorable para el medio ambiente
reduciendo las emisiones de CO2 y ahorrando una importante cantidad de
combustible reduciendo la dependencia de estos combustibles pero también es
económicamente rentable para el usuario en términos de recuperación de la
inversión si bien es cierto que las tecnologías han de avanzar para que sean aún más
atractivas estas soluciones como ya se ha comentado la tecnología de las baterías es
el principal caballo de batalla.
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26
eu
ros
años
Análisis de sensibilidad en función de la subida anual del gasoil
con 10%
con 15%
con 20%
inversión
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Bibliografía
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[CETM] www.cetm.es
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