Ing. Alexander ESLAVA SARMIENTO
Consultor Portuario
Especialista en Logística Internacional
COLOMBIA
A nivel global, el 82 % de las mercancías comercializadas, se transportan por buque, en una flota de aproximadamente 99.800 buques de 100 toneladas brutas o más (media). La edad promedio de estos buques se sitúa en 22 años Se acepta que la vida media de un buque es de 30 años. Desde este punto de vista, la mayoría de los buques existentes deberían estar operativos durante muchos años más; el transporte marítimo es el modo de transporte más eficiente energéticamente, ya que la industria marítima depende predominantemente de combustibles de origen fósil, como el fueloil pesado «Heavy Fuel Oil», (HFO), el disel marino «Marine Diesel Oil», (MDO), o el gasóleo marino «Marine Gas Oil», (MGO). La combustión de estos combustibles dentro del respectivo sistema de propulsión del buque resulta en la liberación de emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI), incluyendo dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), así como emisiones de material particulado (MP), óxido de azufre (SO2) y óxido de nitrógeno (NOx), todos altamente propulsores del Cambio Climático Global (CCG). De hecho, el transporte marítimo es responsable del 3 % de las emisiones globales de GEI (706 millones de toneladas de emisiones de CO2 en 2024).
Según la Organización Marítima Internacional (OMI), el sector del transporte marítimo es responsable de casi el 3% de las emisiones totales de GEI a nivel global, y de acuerdo a la información publicada en «Lloyd’s List», las emisiones de CO2 en el sector naviero muestran un aumento interanual del 4,9 % en 2021. Esto supone un gran revés para los continuos esfuerzos del sector naviero por reducir las emisiones de GEI. Es evidente que el sector naviero es responsable de una parte importante de las emisiones globales de GEI y esta cifra aumenta constantemente. Si no se toman medidas, es probable que las emisiones del transporte marítimo aumenten hasta un 130 % para 2050 en comparación con los niveles de 2008. En esta era de creciente conciencia global sobre los problemas ambientales, la eficiencia energética en el sector marítimo es una preocupación importante. Desempeña un papel significativo en el desarrollo sostenible al mitigar el CCG, conservar los recursos y reducir los costos operativos.
Estrategia
La primera estrategia de la OMI para lograr una reducción de las emisiones de GEI entró en vigor en 2018. Esta estrategia busca acelerar la reducción de las emisiones de GEI del transporte marítimo con el objeto de alcanzar un nivel de cero emisiones netas para 2050 o alrededor de esa fecha. Además, se han establecido objetivos provisionales de reducción de GEI del 20 % para 2030 y de al menos el 70 % para 2040. Asimismo, el objetivo para 2030 implica la adopción de tecnologías y combustibles que permitan alcanzar emisiones de GEI nulas o casi nulas en una proporción de al menos el 5% del consumo total de combustible en el sector marítimo. En consecuencia, para cumplir con los límites de emisiones de GEI de la flota mercante global y de cruceros, se han evaluado diferentes áreas de mejora, que incluyen medidas específicas y su potencial de reducción, entre otras: a) reducción de velocidad, optimización de rutas y utilización de buques, obteniéndose un Potencial de Reducción (PR) de GEI (PR-GEI) > 20 %; b) optimización de la forma del casco, revestimiento del casco, limpieza del casco (PR-GEI entre el 5-15 %); c) mejoras de eficiencia, recuperación de calor residual, sistemas de propulsión alternativos (PR-GEI entre el 5-20 %); d) uso de combustibles alternativos (Gas Natural Licuado (GNL), Gas Licuado de Petróleo (GLP), Hidrógeno Verde (H2), amoníaco, metanol), electrificación, uso de energía eólica, energía solar o energía nuclear (PR-GEI del 100 %); e) captura de carbono de los gases de escape y almacenamiento permanente del carbono (PR-GEI del 90 %).
En consecuencia, la adopción de combustibles y fuentes de energía alternativas es la única área de mejora con potencial para lograr una reducción completa (100 %) de las emisiones de GEI de la flota mundial de buques. Sin embargo, se puede considerar el uso de una gama relativamente amplia de combustibles alternativos en la industria marítima, cada uno caracterizado por diferentes beneficios y desafíos, dependiendo de sus propiedades específicas. De hecho, los requisitos relacionados con la infraestructura de producción, distribución y abastecimiento de combustible (bunkering), así como las respectivas tecnologías de propulsión, pueden diferir para el uso de diferentes opciones de combustibles alternativos, lo que potencialmente también requiere importantes modificaciones a bordo de los buques.
Emisiones a Bordo
Los motores principales de los buques utilizan combustible para generar la energía necesaria de empuje, la que lo hace avanzar. Los combustibles que utilizan los buques son principalmente combustibles fósiles (petróleo, gas carbón), por lo que sus gases de escape contienen una gran cantidad de sustancias nocivas y enorme cantidad de energía térmica. Los motores de bajo consumo de combustible intentan utilizar esta energía térmica para alimentar sus turbinas, hacer funcionar plantas de vapor y producir energía eléctrica de iluminación, aumentando así la eficiencia a casi el 80 %. A medida que la contaminación del aire se convierte en un factor importante, los fabricantes de motores trabajan arduamente en nuevos prototipos para reducir la huella de carbono, así como la emisión de gases nocivos (GEI). Al reducir el consumo de combustible, las emisiones de GEI y los costos operativos, los motores de bajo consumo de combustible ayudan a que el transporte marítimo sea más sostenible y económicamente viable a largo plazo.
Así, el combustible y el sistema de propulsión de un buque deben ser compatibles. Por tanto, la selección de un combustible alternativo influye en el sistema de propulsión, y la selección de un sistema de propulsión alternativo influye en la selección del combustible alternativo. Otros factores que influyen en la elección del sistema de propulsión y el combustible son el tipo de buque, la demanda de potencia y el perfil operativo. De hecho, el transporte marítimo internacional suele utilizar sistemas de propulsión de dos tiempos, cuatro tiempos y diéseleléctricos. En estos sistemas, la energía química almacenada en el combustible se convierte en energía mecánica (de propulsión) y energía eléctrica (necesaria para los sistemas de a bordo) mediante Motores de Combustión Interna (MCI). Los motores diésel de dos tiempos de baja velocidad se caracterizan por una mayor eficiencia y se utilizan generalmente para la propulsión. Por otro lado, los motores diésel de 4 tiempos de velocidad media presentan mayores densidades de potencia y se utilizan habitualmente para generar energía eléctrica (generadores diésel).
En efecto, la mayoría de los buques, actualmente, utilizan métodos de combustión en forma de motor de combustión interna (MCI). El hidrógeno Verde (H2) puede utilizarse para propulsar un MCI; sin embargo, dadas las diferentes tasas de combustión del hidrógeno y los combustibles utilizados actualmente, la modernización requeriría modificaciones significativas. Si bien, con la infraestructura adecuada. Debido a su alta inflamabilidad y densidad de energía gravitacional, el rendimiento de un motor de H2 puede superar combustibles a base de petróleo.
Transición
El CCG es el principal problema al que se enfrenta hoy en día la industria marítima, principalmente debido a la liberación de GEI. La solución obvia sería reducir el consumo de combustibles fósiles y, en última instancia, hacer la transición a combustibles alternativos y ecológicos. Sin embargo, es más fácil decirlo que hacerlo, ya que se trata de una transición compleja que abarca desde los desafíos prácticos de la implementación hasta las diversas consideraciones de costo-beneficio. Esta complejidad subraya la magnitud de la transformación necesaria para dirigir la industria marítima hacia un futuro sostenible y responsable con el medio ambiente.
Por tanto, la transición hacia un transporte marítimo sin combustibles fósiles (descarbonizado) se enfrenta a importantes obstáculos, debido a que, una pequeña fracción de la flota mundial -menos del 1 %- utiliza actualmente combustibles no fósiles el 93,5 % de los buques activos aún dependen de combustibles fósiles convencionales (petróleo, gas carbón), y sólo el 5,92 % utiliza Gas Natural Licuado (GNL). La mayor parte del transporte mundial depende de los combustibles fósiles para obtener la energía necesaria; los motores de los buques queman combustibles fósiles para generar energía, lo que da lugar a la liberación de gases de escape a la atmósfera (GEI). En efecto, hoy en día, la mayoría de los buques que se botan (entregan) carecen de los avances tecnológicos disruptivos de la Industria 4.0 (I4.0). Esto se debe, por lo general, a que los armadores no están dispuestos a invertir en tecnología. Prefieren cumplir con las normas mínimas, que les garantizarán no entrar en conflicto con los organismos encargados de hacer cumplir la normativa, como los controles del Estado rector del puerto y del Estado de abanderamiento, y podrán seguir comerciando como de costumbre.
La energía, en sus diversas formas, ha sido el elemento vital del transporte marítimo durante siglos y ha determinado la evolución de la industria. Los buques tienen una conexión íntima con el medio ambiente y es necesario un esfuerzo constante para garantizar que no lo contaminen. Los buques utilizan combustibles fósiles como fuente de energía y las emisiones de los tubos de escape de los buques contienen ingentes cantidades de GEI que provocan el CCG. Sin embargo, el problema surge cuando el efecto invernadero se potencia debido a la presencia de GEI, principalmente dióxido de carbono (CO2). La presencia de CO2 potencia el efecto invernadero y eleva la temperatura de la Tierra; teniendo efectos desastrosos en el planeta, como el deshielo de los glaciares, el CCG, riesgos potenciales para la salud, invasión de especies, pérdida de la seguridad alimentaria.
Mejorar la eficiencia energética de los buques es esencial para reducir el consumo de combustible, disminuir las emisiones de GEI y minimizar los costos operativos. La eficiencia energética en los buques no sólo ayuda a reducir los costos operativos, también se alinea con los esfuerzos globales para combatir el CCG al disminuir la huella de carbono de la industria marítima. A medida que las regulaciones ambientales se vuelven más estrictas y los costos del combustible continúan aumentando, la adopción de tecnologías y prácticas energéticamente eficientes en el sector naviero se vuelve cada vez más importante. Esto, significa la utilización responsable y eficiente de los recursos energéticos de manera que se satisfagan las necesidades actuales sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades energéticas, tomando medidas preventivas, a saber: reduciendo las emisiones de GEI (descarbonizando la economía global), reduciendo la dependencia de los combustibles fósiles aumentando la eficiencia energética y, pasando a fuentes de energía alternativas, ya que la dependencia excesiva de estos recursos no renovables en el sector marítimo generará problemas de suministro y volatilidad de precios (la industria marítima es muy vulnerable a estas fluctuaciones). De hecho, la dependencia de la industria marítima de los combustibles fósiles conducirá a la obsolescencia tecnológica y a una menor competitividad en el mercado mundial. En respuesta a ello, existe un creciente impulso global para la transición a fuentes de energía más limpias y sostenibles como el Hidrógeno Verde (H2).
Hidrogeno Verde
Aunque el hidrógeno (H) es el elemento más abundante del universo, no está disponible en una forma que permita su uso directo. Para obtener hidrógeno puro, es necesario producirlo artificialmente a partir de combustibles fósiles o energías renovables mediante procesos, algunos de los cuales generan grandes cantidades de carbono.
Cuando la fuente de energía utilizada es renovable (solar, eólica), el hidrógeno se produce mediante electrólisis (descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno mediante electricidad) y se denomina Hidrógeno Verde (H2); la electricidad utilizada debe provenir de fuentes renovables para garantizar un proceso libre de carbono. El proceso de producción de H2 se considera libre de emisiones de GEI, con sólo 13 g de CO2 emitidos por MJ de H2 producido. La combustión de hidrógeno no produce CO2 (u otros GEI), CO, HC, SOx, humo, plomo (u otros metales tóxicos), ácido sulfúrico, ozono (u otros oxidantes), benceno (u otros compuestos cancerígenos) o formaldehído. En cambio, su principal producto de combustión es el agua.
El H2 tiene el potencial de convertirse en la solución para los diversos segmentos y la logística del transporte marítimo global; se puede utilizar pilas de combustible o un motor de combustión interna de cuatro tiempos que funcione con H2. La atención a las tecnologías del hidrógeno está creciendo, y las industrias están incrementando la inversión en soluciones de hidrógeno en todas las cadenas de valor previstas y relacionadas con este. Estas incluyen aplicaciones del hidrógeno en el transporte, como camiones pesados, ferrocarril y transporte marítimo. El interés en el uso del hidrógeno como combustible marino radica en que no produce CO2 como subproducto. Al utilizarse en pilas de combustible, experimenta una reacción química y, al emplearse en MCI, se quema; sin embargo, en ambos casos, sólo produce agua y calor como subproductos.
Al comparar las pilas de combustible de hidrógeno con los MCI de 4 tiempos, alimentados por hidrógeno los MCI de hidrógeno tienen ventajas en cuanto al costo inicial, la densidad de potencia y la pureza del hidrógeno que se suministrará al motor. En ambos procesos, las pilas de combustible de hidrógeno se consideran más eficientes, ya que no producen emisiones de GEI de escape; el único subproducto es agua. Las propiedades de combustión del H2 lo convierten en un combustible adecuado para los MCI de 4 tiempos. La velocidad de la llama es de 5 a 6 veces mayor que la del diésel y es combustible con una amplia gama de concentraciones, que oscila entre el 4 % y el 75 % de concentración por volumen. La proporción volumétrica combustible del H2 corresponde de 0,1 a 7,1 en términos de relación de equivalencia, lo que permite la combustión en relaciones de equivalencia más bajas y sin emisiones de carbono (CO, CO2).
Los límites de inflamabilidad del H2 tienen una capacidad de funcionamiento de amplio rango, en particular en comparación con el combustible diésel. El poder calorífico del hidrógeno es máximo y, tanto, la cantidad de energía generada por el hidrógeno será máxima en comparación con los motores diésel. Esto se debe a que el hidrógeno presenta una mayor eficiencia energética general durante la conversión de combustible y se proporciona con frenado regenerativo en sistemas de propulsión para mejorar la eficiencia. Dado que los límites operativos de la relación combustibleaire de los motores diésel están significativamente restringidos por una combustión inadecuada, humo y emisiones de hidrocarburos no quemados en relaciones de equivalencia más altas, entre 0,7 y 0,9, la capacidad del H2 para mantener la combustión en condiciones muy pobres y los resultados. En efecto, los sistemas de combustión con emisiones contaminantes reducidas que se ofrecen en tales condiciones se consideran ventajosos.
Al ser un combustible sin emisiones de carbono, el H2 puede considerarse el combustible del futuro. Se produce mediante la electrólisis del agua para obtener hidrógeno y oxígeno. La electrólisis se alimenta con energías renovables, como la eólica, la solar, la geotérmica, etc. Se están desarrollando tecnologías para que este proceso sea más eficiente y rentable. Dado que el hidrógeno es un combustible libre de carbono, no se producen emisiones de CO2 durante su combustión. Al igual que el amoníaco, la combustión del hidrógeno no produce emisiones de metano, pero sí de óxido nitroso (N2O), que contribuyen al CCG. Al utilizar una pila de combustible de H2 en lugar de un MCI, se evitan las emisiones de N2O y óxidos de nitrógeno (NOx), y sólo se produce agua.
Dada su incipiente adopción en el sector marítimo, la infraestructura para el hidrógeno se encuentra actualmente en una fase inicial y disponible sólo de forma limitada y a pequeña escala. No obstante, desde 2023, cinco buques internacionales operaban con H2 como combustible. Se han encargado otros cinco buques. De hecho, la principal desventaja del H2 como combustible para buques es la preocupación por su inflamabilidad y su alta reactividad. El H2 tiene un amplio rango de inflamabilidad y puede encenderse en concentraciones tan bajas como el 4 % en el aire, lo que lo hace más propenso a fugas accidentales o explosiones si no se maneja adecuadamente. Por tanto, para que el H2 sea ampliamente aceptado como combustible para buques, es necesario contar con procedimientos seguros de almacenamiento, abastecimiento (bunkering) y manipulación. Sin embargo, la industria está trabajando para solucionar este problema.
El H2 puede almacenarse en un buque como gas licuado a –253 °C y con una ligera sobrepresión; como gas comprimido a alta presión (normalmente de 250 a 500 bares) en forma licuada a temperaturas criogénicas; o ligado a portadores líquidos o sólidos. El tipo de almacenamiento suele depender del uso final. Cuando se requiere baja potencia y un tiempo de funcionamiento relativamente corto, el almacenamiento a presión es la mejor solución. Cuando se requiere un tiempo de funcionamiento más prolongado y mayor potencia, el hidrógeno debe almacenarse a alta presión a temperaturas criogénicas. Dado que el H2 es la molécula más pequeña, es más difícil de contener que otros gases; tiene un amplio rango de inflamabilidad, se inflama fácilmente y puede autoinflamarse. Dado que el mercado aún está en desarrollo, los esfuerzos se concentran en abordar la producción y distribución de hidrógeno de manera limpia, económica y segura. De hecho, algunos tipos de pilas de combustible de H2 suelen ser reversibles, lo que permite la electrólisis. Por tanto, un buque propulsado por hidrógeno con una pila de combustible reversible podría producir su propio H2 con acceso a electricidad y agua. Esto podría aliviar las preocupaciones sobre la seguridad del suministro, ya que se requeriría menos infraestructura para que un puerto proporcione suministro eléctrico, en lugar de almacenar grandes volúmenes de H2. Además, si el buque contara con un método de producción de energía renovable a bordo (solar o eólica), esto contribuirá a satisfacer la demanda.
Conclusiones
El hidrógeno es el combustible universal que no contiene carbono, es renovable y tiene propiedades de combustión únicas como combustible prometedor para el futuro. Como fuente de energía para fines de transporte no se utiliza demasiado en la actualidad. Sin embargo, tiene un gran potencial como fuente de energía, para ser almacenada, transportada y distribuida. Por tanto, se espera que el H2 como combustible pueda marcar el futuro de los MCI y en efecto, del transporte marítimo, debido a su contenido libre de carbono, al no emitir dióxido de carbono (CO2), hidrocarburos no quemados ni emisiones de monóxido de carbono (CO).
El H2, utilizado como combustible marino, ofrece numerosos beneficios a los operadores y armadores de buques, al medio ambiente y a la sociedad, al ayudar a la industria marítima a cumplir con las normas de GEI a las que se comprometió la OMI. Además, el H2 puede ofrecer menores costos de combustible y una mayor autonomía en comparación con los combustibles convencionales, a la vez que estimula el desarrollo de nuevas tecnologías y soluciones para el diseño, la propulsión, el almacenamiento y la seguridad de los buques.
Si bien el H2 produce emisiones insignificantes de escape y puede considerarse un combustible adecuado para la descarbonización del transporte marítimo global, su uso en un buque presenta sus propios desafíos. Con 300 kg de H2 que proporcionan la misma energía que una tonelada de diésel, el espacio necesario a bordo para almacenar hidrógeno líquido es casi ocho veces mayor que el gasóleo marino «Marine Gas Oil», (MGO). Si bien las instalaciones de almacenamiento terrestres pueden adaptarse para aplicaciones marinas, el espacio disponible a bordo para el almacenamiento de combustible es limitado y puede representar un gran desafío.
El H2 tiene un potencial significativo para su utilización directa en Motores de Combustión Interna (MCI), donde transforma la energía química del hidrógeno en energía térmica, que posteriormente se convierte en energía mecánica o eléctrica. Las pilas de combustible convierten la energía química del H2 o de combustibles ricos en hidrógeno en electricidad, calor y agua como bioproducto, ofreciendo ventajas sobre los motores diésel como mayor eficiencia, emisiones cercanas a cero, menor ruido y menores costos de mantenimiento. Sin embargo, los principales desafíos para el uso de pilas de combustible en el sector marítimo incluyen el costo total, la pureza del H2, el almacenamiento a bordo, la legislación en materia de seguridad y la infraestructura.
Los buques pueden producir H2 a bordo mediante electrólisis de agua de mar, como lo demuestra el «Energy Observer», equipado con paneles solares y turbinas eólicas para la producción de hidrógeno verde. Este hidrógeno puede utilizarse en pilas de combustible para sistemas de propulsión y auxiliares
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