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Plataformas de combate eléctricas (II). Buques de superficie
Los sistemas de propulsión eléctrica para plataformas marítimas están revolucionando el diseño de buques civiles y militares. Los astilleros y navieras se han embarcado en lo que podríamos denominar como la transición eléctrica marítima. Esta transición se basará en el empleo de motores eléctricos cuya fuente de energía variará entre un abanico de posibilidades.
La flexibilidad operacional que aportan estas soluciones son su principal activo. También vienen a cambiar lo conocido hasta ahora en eficiencia energética, reducción de tiempos de respuesta e incremento de la maniobrabilidad. Comparado con sistemas de propulsión convencionales, los ciclos de mantenimiento serán menos costosos, más digitalizables y predictibles, que terminarán disminuyendo los ciclos de mantenimiento.
Los buques con propulsión eléctrica se pueden clasificar en dos grandes grupos: los 100% eléctricos con 0 emisiones, que emplean baterías para alimentar el sistema de propulsión eléctrica, y también el resto de servicios de la plataforma; y por otro lado los de propulsión eléctrica alimentados por generadores de energía, que a su vez puede ser con combustibles fósiles (diesel) o celdas de combustible (hidrógeno).
Buques de superficie.
Los DDG-1000 de la clase Zumwalt de la US Navy emplean un sistema de energía integrada (IPS). El IPS de General Electrics (GE) consta de dos motores de turbina de gas MT30 acoplados a generadores RR4500 que proporcionan energía a sendos motores eléctricos AC de inducción que mueven los ejes de hélice. El sistema integrado proporciona además energía eléctrica a todos los sistemas de la plataforma, incluyendo la posibilidad de alimentar armas de energía dirigida (DEW) y cañones electromagnéticos (EMRG).
Durante el desarrollo del DDG-1000 se planteó la posibilidad de emplear motores DC de imanes permanentes (PMM) de DRS Technologies, aunque finalmente se optó por un motor AC de inducción avanzados (AIM) de Coverteam. El principal motivo fue que la tecnología de PMM no estaba desarrollada en la época en la que se requería, lo que imposibilitaba poder emplearse en el DDG-1000. La principal desventaja de los AIM es que son motores más pesados y voluminosos que los PMM.
La generación energética de los Zumwalt se complementa con generadores diesel para rangos de velocidades medias y bajas, dejando los turbogeneradores a gas para altas velocidades y consumos elevados de energía. La combinación diesel-eléctrico o gas (CODLOG) de los Zumwalt de la US Navy también será empleada en los nuevos buques de combate global Type 26 de la Royal Navy. Este tipo de propulsión ha sido empleada tradicionalmente por submarinos debido a las baja firma acústica. Parece que los buques de superficie empiezan a beneficiarse de ventajas tácticas furtivas propias de los submarinos.
La tendencia actual es que el movimiento de las hélices lo realicen motores eléctricos alimentados por generadores de gas o diesel. Este sistema híbrido permite que la maniobrabilidad de los buques evolucione más allá de las limitaciones tecnológicas propias de la propulsión convencional. Tal es así que en la actualidad ya se emplean conceptos innovadores como los azipods, un sistema de doble hélice con rotación 360 que integra el avance y la deriva que otorga nuevas formas de maniobras a los buques.
Sistema de propulsión 100% eléctrica del Ferry Damen 2306 E3 (Fuente: Damen)
Motores eléctricos.
Los sistemas de propulsión eléctricos pueden clasificarse en dos grandes tipos: corriente alterna (CA) y corriente continua (CC).
Hasta ahora los motores CA eran los más empleados en las plataformas navales. Son los más comunes en la propulsión diesel-eléctrica, con configuraciones de baja y media tensión. Sin embargo, los últimos avances en motores CC los han convertido en la tendencia actual. Emplean configuraciones de baja tensión de 1000V que pueden conectarse directamente a generadores de velocidad variable y a baterías. Estos motores CC suelen ser más pequeños y ligeros que los CA.
Los motores CC permiten cambios ágiles de velocidad, mientras que los CA requieren variadores de frecuencia para modificar la velocidad de trabajo. De esta manera, los sistemas que siempre funcionen con la misma velocidad, un montacargas por ejemplo, serán de tipo CA; mientras que los sistemas que requieren disponer de un rango de velocidades variable emplearán CC.
Aunque pudiera parecer que las baterías tan solo podrían alimentar motores CC, mediante el empleo de capacitadores se consigue convertir la corriente continua de las baterías en corriente alterna para motores CA. Esto abre aún más las posibilidades para la propulsión eléctrica de plataformas de combate navales en función de los requerimientos operativos.
Submarinos.
Las celdas o pilas de combustible son un dispositivo de almacenamiento y conversión electroquímica, similar a una batería, pero que requiere del reabastecimiento de los reactivos consumidos. En realidad produce electricidad tras la reacción de un combustible en el ánodo con el oxígeno en el cátodo. La principal ventaja es que estas celdas pueden ser abastecidas con el combustible que empleen, como puede ser el hidrógeno. Las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno generan energía eléctrica y desechan agua.
Los submarinos convencionales operan con un sistema que no requiere aire, conocido como Propulsión Independiente de Aire (AIP) que les permite operar sin necesidad de emerger a la superficie o usar el snorkel. Esta fuente de energía se considera de gran interés para dotar a los buques de guerra. El S-80 ya incluye un avanzado sistema AIP basado en una pila de combustible de la empresa Hynergreen Technologies S.A.
Consideraciones técnicas
La tecnología asociada al almacenamiento de energía en base a baterías aún no es capaz de cubrir la demanda energética de un buque de guerra del futuro. Esto limita enormemente la autonomía energética en operaciones, un factor fundamental para cualquier plataforma naval. De la misma manera, los tiempos de carga pueden llegar a extenderse en exceso. Esto unido a su vulnerabilidad ante ataques de armas de energía dirigida y pulsos electromagnéticos podrían poner en riesgo la disponibilidad operativa de los buques.
La disyuntiva se encuentra quizás en el modo de alimentar ese sistema de propulsión, con tres grandes opciones: diesel, celdas y baterías. La flexibilidad que proporciona la modularidad de la propulsión eléctrica permite que el módulo energético sea diferente para cada proyecto, o incluso sustituido en el mismo proyecto al afectar tan sólo a los elementos propios del sistema generador.
Conclusiones.
Parece que una cosa es clara: los motores eléctricos proporcionan numerosas ventajas tácticas y energéticas que lo convierten en una opción muy interesante para el desarrollo de futuras plataformas de combate marítimas. Tanto en el ámbito civil como en el militar el empleo de este tipo de propulsión comienza a ganar peso.
Las principales ventajas de diseño son la flexibilidad y resiliencia capaz de hacer frente a la incertidumbre tecnológica. Esto permite la sustitución individual de sistemas de generación o propulsión, sin afectar negativamente al conjunto. Diferentes fuentes de energía pueden alimentar el mismo sistema de propulsión, generando redundancia energética.
La propulsión eléctrica es altamente sensorizable, lo que permite un funcionamiento más eficiente y un mantenimiento predictivo más preciso. Si se combina con operaciones autónomas, la eficiencia y autonomía del buque se incrementa. La disminución de la firma térmica y acústica y la reducción de emisiones le otorgan un perfil furtivo, difícil de detectar. La maniobrabilidad de los buques será mayor, con un alto par-motor y posibilidad de emplear sistemas de propulsión y navegación 360.
La integración de baterías avanzadas y la generación eficiente de electricidad serán la clave para el futuro desarrollo de buques puramente eléctricos. Hasta entonces, los sistemas híbridos alimentarán los motores eléctricos de la planta propulsora.
