Autor: Joseph Notaro, vicepresidente global de ventas y marketing de Dukosi
La electrificación está desempeñando un papel clave en la descarbonización de la industria marítima, impulsando la demanda de innovación en sistemas avanzados de baterías marinas.
El crecimiento de las actividades marítimas, ya sean comerciales, pesqueras, turísticas o de extracción de energía y minerales, representa una amenaza creciente no solo para el propio medio ambiente marino, sino también para el clima mundial. En 2022, la industria del transporte marítimo contribuyó alrededor del 2% de las emisiones globales de CO2 relacionadas con la energía, cuales equipa con la industria de la aviación (2,5%). Esta proporción podría aumentar al 10% hacia el ano 2050 si no se toman medidas correctivas. A medida que se intensifican los esfuerzos globales para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), la industria marítima se ve presionada a descarbonizar sus operaciones, y se están investigando diversas tecnologías, tipos de combustible y fuentes de energía alternativas, incluida la electrificación.
La adopción de la electrificación en diversas aplicaciones marinas está generando una demanda de baterías marinas robustas, potentes, seguras y sostenibles, lo que impone requisitos únicos de fiabilidad y rendimiento al diseño de los sistemas de baterías. Este artículo explora el papel fundamental de las baterías en la electrificación marina, destacando cómo innovaciones tecnológicas como el Sistema Monitoreo de Celdas de Dukosi (DKCMS) pueden alcanzar de forma realista estos objetivos en los sistemas de baterías de alta potencia de próxima generación. El impacto real de estas soluciones se ilustra con el caso práctico de integración avanzada de sistemas de baterías por ejemplo de Nordic Marine Power.
Descarbonización del sector marítimo
Reconociendo su importante contribución a la contaminación por GEI, la Organización Marítima Internacional (OMI) anunció recientemente una estrategia revisada de GEI que apunta a cero emisiones netas (NZE) para 2050. Alcanzar este objetivo require una reducción del 20 % en las emisiones totales del transporte marítimo internacional para 2030 y del 70 % para 2040, a pesar del aumento previsto de la actividad.
Para un sector donde los combustibles derivados del petróleo han abastecido tradicionalmente más del 99 % de la demanda energética, estos compromisos requieren una transición significativa hacia combustibles alternativos y más limpios, como los combustibles sintéticos o eléctricos, los biocombustibles, las pilas de combustible de hidrógeno y los sistemas de baterías eléctricas e híbridas.
La creciente electrificación impulsa la demanda de sistemas de baterías marinas
Un número creciente de buques marinos están adoptando sistemas de propulsión electrificados de una u otra forma, desde la propulsión totalmente eléctrica por baterías hasta sistemas híbridos. Los motores eléctricos convierten más del 98 % de la energía de entrada en movimiento y requieren un mantenimiento mínimo en comparación con otras opciones. Por ello, la electrificación ofrece numerosas ventajas, y la justificación comercial para el operador se basa en una mayor eficiencia y una reducción de los costes de mantenimiento y operación, lo que se traduce en una reducción del coste total de propiedad. También ofrece otras ventajas, como la simplificación del acceso a funciones como la monitorización remota, el mantenimiento al corriente y una mejor gestión de comunicación mediante conectada hacia la nube.
La propulsión por baterías es actualmente la más adecuada para buques de transporte marítimo de corta distancia (SDS), como transbordadores de pasajeros o remolcadores, que operan más cerca de la costa con horarios regulares. Los buques transoceánicos, como portacontenedores, cruceros y rompehielos, también utilizan cada vez más la propulsión eléctrica, pero las limitaciones y los riesgos de las largas distancias implicadas exigen el uso de sistemas híbridos, que combinan baterías con otros combustibles.
La electrificación marítima es un campo en rápida evolución, con avances en sistemas de baterías que posibilitan proyectos innovadores como el Yara Birkeland (Figura 1), un buque portacontenedor totalmente eléctrico. Diseñado como prueba de concepto para un buque totalmente autónomo, propulsado por baterías y capaz de viajar por todo el mundo, el Yara Birkeland opera actualmente en una ruta costera fija, transportando fertilizantes entre la planta de producción y los puertos de embarque. Se estima que este proyecto elimina 40.000 viajes anuales en camiones diésel.
Figura 1: El Yara Birkeland es un buque portacontenedor totalmente eléctrico con cero emisiones (fuente: Knut Brevik Andersen, Wilhelmsen Ship Service)
La demanda de sistemas de baterías marinas no se limita al sector naviero. Los sistemas flotantes de almacenamiento de energía en baterías (BESS), instalados en grandes masas de agua, abordan diversas necesidades emergentes, generalmente relacionadas con las instalaciones de energías alternativas (Figura 2). En el Reino Unido, por ejemplo, se están implementando BESS flotantes junto a parques eólicos marinos y otras fuentes de energía renovable para aumentar la estabilidad del suministro eléctrico. En otros lugares, se están utilizando BESS flotantes donde el terreno es escaso o costoso, como en algunos países del sudeste asiático. Los BESS flotantes también se benefician de las ventajas de refrigeración de las masas de agua circundantes.
Otras aplicaciones emergentes que requieren tecnología de baterías marinas incluyen los intentos actuales de implementar centros de datos submarinos. En fin el experimento del Proyecto Natick de Microsoft ya ha concluido, otras iniciativas, como el proyecto de Highlander en China, continúan, y los centros de datos submarinos siguen ofreciendo una posible alternativa a las instalaciones terrestres.
A medida que encontremos formas innovadoras de explotar nuestros océanos y masas de agua sin afectar aún más al medio ambiente, los requisitos de la tecnología de baterías marinas seguirán evolucionando.
Figura 2: Un ejemplo de un BESS flotante, cuyas ventajas incluyen la optimización del uso del suelo, una mayor funcionalidad de refrigeración y posibles sinergias con otros sistemas de energía marina. (fuente: iStock)
Desafíos en el diseño de baterías marinas
Los diseñadores de sistemas de baterías aptos para su implementación en aplicaciones marinas deben abordar diversos desafíos específicos. Los entornos marinos son hostiles, y los sistemas de baterías deben ser capaces de soportar agua salada, humedad, temperaturas extremas, vibraciones e impactos. Además, la naturaleza de la industria marina exige un alto grado de personalización y dificulta la estandarización, la reutilización y la producción en masa. El número de buques es relativamente bajo en comparación con la industria automotriz, por ejemplo, y los tipos de embarcaciones son muy diversos. Esto afecta las características de la batería, como la capacidad (que determina la autonomía) y la velocidad de carga y descarga. Los transbordadores de pasajeros RoPaX de corta distancia, por ejemplo, pueden tener solo unos minutos para recargar mientras están en puerto. La densidad energética también es un factor crucial, ya que el espacio a bordo puede ser limitado y la maniobrabilidad y la autonomía de la embarcación pueden verse significativamente afectadas por el peso de los paquetes de baterías.
La seguridad es quizás el principal reto para el diseñador del sistema de baterías marinas. Las baterías de litio se utilizan cada vez más en aplicaciones marinas, pero pueden ser vulnerables a fugas térmicas e incendios si no se diseñan, instalan y utilizan correctamente. Las consecuencias de ambos resultados pueden ser graves, ya que las limitaciones de espacio a bordo pueden propiciar la rápida propagación de incendios y gases tóxicos. Además, para el OGV, lejos del puerto, la asistencia de emergencia a menudo no estará disponible de inmediato, lo que aumenta el riesgo de muerte y de daños o incluso pérdidas del buque.
Por lo tanto, el diseño del Sistema de Gestión de Baterías (BMS) es crucial para los sistemas marinos. Muchos BMS solo monitorean módulos de celdas, en lugar de celdas individuales de la batería. Esto significa que, en caso de sobrecalentamiento de una celda, el BMS depende de la propagación del calor al punto de monitoreo más cercano antes de detectar el problema y poder reaccionar. El consiguiente retraso en la detección puede provocar una fuga térmica, impidiendo que el BMS reaccione a tiempo.
Este problema se demuestra claramente en un experimento reciente realizado por Nordic Marine Power (NMP), organización especializada en el diseño y suministro de sistemas de almacenamiento de energía de vanguardia para aplicaciones marinas. Se monitorizó individualmente la temperatura de ocho celdas prismáticas de iones de litio, equipadas con una integración típica para aplicaciones marinas. La celda número 4, ubicada cerca del centro de la configuración experimental, sufrió una sobrecarga forzada, lo que provocó un aumento de temperatura al superar su voltaje máximo nominal. La Figura 3 muestra el perfil de temperatura resultante de las ocho celdas. Se observa que, tras 30 minutos de sobrecarga, la temperatura de las otras 7 celdas fue significativamente inferior a la de la celda 4. El diagrama también ilustra la propagación del calor a través del módulo, donde la temperatura de las celdas más alejadas es inferior a la de las más cercanas a la celda 4.
Figura 3: Cambio de temperatura a lo largo del tiempo en ocho celdas prismáticas de un módulo con respecto a la celda 4, que fue sobrecargada deliberadamente. (Fuente: Dukosi)
Este experimento destaca la importancia de implementar una arquitectura de batería que pueda monitorear la temperatura de cada celda. Sin embargo, las arquitecturas de batería tradicionales solo implementan un sensor por cada celda, lo que retrasa la detección de fugas térmicas.
Estás arquitecturas de baterías más inteligentes que optimizan su rendimiento, prolongan su vida útil y, lo más importante, mejoran la seguridad. Las innovadoras tecnologías de chip en celda, como el DKCMS de Dukosi, permiten la monitorización de la temperatura y el voltaje por celda, reduciendo el riesgo de fugas térmicas, como se ilustra arriba. Con lecturas precisas y sincronizadas de voltaje y temperatura para el host BMS, el DKCMS permite estimaciones más precisas del estado de carga (SoC) y el estado de salud (SoH) a lo largo de la vida útil de la batería. El DKCMS también utiliza una arquitectura de comunicaciones única y sin contacto, que elimina los voluminosos sistemas de cableado, mejora la flexibilidad, la escalabilidad y la fiabilidad del diseño, a la vez que reduce significativamente las limitaciones de espacio y peso al diseñar el sistema para una solución de batería marina.
Innovaciones tecnológicas en baterías marinas
A pesar de esta preocupación, debido a su menor peso, mayores densidades energéticas, mayor vida útil y rendimiento mejorado en comparación con las químicas de celdas alternativas, las baterías de iones de litio son una excelente opción para aplicaciones marinas. Paralelamente, la tecnología de baterías continúa evolucionando, impulsada por la tendencia global de electrificación en el transporte y el almacenamiento de energía, los esfuerzos por lograr cero emisiones netas y también por estándares internacionales como IEC62619:2022, e iniciativas de la industria, incluido el programa global de certificación DNV. También se vislumbran nuevas químicas, como las baterías de iones de litio de estado sólido, que ofrecen mayor densidad energética y mayor seguridad, pero por su puesto las celdas iones de sodio, que ofrecen un mayor grado de seguridad, por lo otro sacrifican densidad energética. Al mismo tiempo, varias tecnologías innovadoras están transformando las capacidades de los sistemas de baterías marinas; la integración de baterías con fuentes de energía renovables está ayudando a reducir la dependencia del sector de las fuentes de combustible de petróleo, mientras que los avances en las tecnologías de carga están reduciendo el tiempo de inactividad, mejorando la logística operativa y los costos.
Sistemas de baterías marinas: un facilitador esencial del NZE 2050
La OMI ha establecido su compromiso con la reducción de emisiones en su estrategia NZE 2050, y la electrificación desempeñará un papel crucial en la consecución de estos objetivos. La electrificación en el entorno marino adopta diversas formas, desde la propulsión directa de buques hasta el suministro de sistemas flotantes de almacenamiento de energía para estabilizar la producción de energía en parques eólicos. Los sistemas de baterías son clave para todas estas aplicaciones, y la creciente tendencia hacia la electrificación marina impulsará la innovación continua en sistemas de baterías marinas. La capacidad, la densidad energética, la duración del ciclo de carga, la fiabilidad y la seguridad rigen el diseño de las baterías, y los sistemas avanzados de monitorización de celdas de batería, como el DKCMS de Dukosi, son factores clave para la innovación en el desarrollo de baterías marinas.
