DISEÑO DE EMBARCACIÓN AUTOPROPULSADA A ESCALA
BRIEF DEL PROYECTO
ANTECEDENTES
El departamento de Ingeniería de Diseño de la Universidad EAFIT, a través del Grupo de Investigación de Ingeniería de Diseño (GRID) desde el 2009 ha desarrollado e implementado soluciones de transporte sostenible, desde sillas de ruedas eléctricas, pasando por bicicletas y motos, hasta vehículos 100% eléctricos. Estas experiencias llevaron a que la Universidad EAFIT y EPM desarrollaran el Vehículo Solar, llamado “Primavera”, el cuál compitió en el ‘World Solar Challenge’ 2013 y 2015 y ganó el Premio Nacional de Ingeniería de la SCI (Sociedad Colombiana de Ingenieros) en 2014 y el Premio a la Ingeniería Antioqueña de la SAI (Sociedad Antioqueña de Ingenieros y Arquitectos) en el mismo año. A partir de estas y otras experiencias en temas relacionados con las Energías Renovables y la movilidad sostenible, la Universidad EAFIT, en alianza con otras instituciones y empresas del sector eléctrico, articuló, formuló y presentó un ambicioso programa de investigación, para ser financiado por el Banco Mundial a través de la convocatoria de Colciencias 778-2017, llamada “Ecosistema científico” creado por el Ministerio de Educación y el Ministerio de Comercio Industria y Turismo, a través de Colciencias y el Icetex. La temática de trabajo son las Energías Renovables y la alianza creada fue “ENERGETICA 2030: Estrategia de transformación del sector energético colombiano en el horizonte de 2030”. La alianza comprende un conjunto de 10 proyectos de investigación y uno de Fortalecimiento institucional en el que interactúan los diferentes aliados. El programa ENERGETICA 2030 obtuvo el 1er lugar en la convocatoria y, a mediados del 2018, iniciaron las labores, donde se configuró un equipo de trabajo multidisciplinario con profesores, consultores y estudiantes de pre y posgrado de las diferentes instituciones. Dentro de los 10 proyectos la Universidad EAFIT lidera 4 de ellos en los temas: 1) Movilidad Sostenible, 2) Construcción Sostenible, 3) Generación distribuida y 4) Mercados de energía. La duración del programa es de 4 años y actualmente las labores se concentran en la fase de diseño de detalle de soluciones innovadoras para los temas mencionados.
En particular el proyecto de Movilidad Sostenible busca el desarrollo de una solución de transporte multimodal basada en embarcaciones electro-solares, motocicletas hibridas y estaciones de carga fotovoltaicas. En el desarrollo de la “Embarcación Electro-Solar”, se realizó un análisis del contexto de la movilidad fluvial del país, identificando una posibilidad interesante en el transporte sostenible de pasajeros. Una de las motivaciones del proyecto es desarrollar entonces soluciones al potencial navegable de Colombia, siendo el 6º país en el mundo con mayor cantidad de kms de vías navegables en el mundo [1] , lo que representará oportunidades comerciales futuras. También vale la pena resaltar, que esta alternativa de transporte fluvial hace parte de los intereses nacionales, reflejados en la reciente convocatoria 879 de la UPME (Unidad de Planeación Minero Energética) y Minciencias, que busca estrategias para desarrollar soluciones de Electro movilidad que permitan promover los modos férreo y fluvial para el transporte de carga y pasajeros de modo que se fortalezca el encadenamiento productivo del país [2]. Esto quiere decir, que el potencial de negocio de estas soluciones crecerá considerablemente en el país en el mediano/largo plazo.
El proyecto de diseño de la embarcación actualmente se encuentra en la etapa de diseño de detalle. Esta etapa se caracteriza por la definición en detalle de cada uno de los portadores de función definidos previamente (Diseño conceptual); diseño formal y de geometrías finales y por los procesos iterativos de simulación y verificación de desempeño de cada uno de los subsistemas que la conforman. Los procesos de simulación y de validación experimental planteados a ser llevados a cabo dentro de esta etapa de diseño contemplan el uso métodos CFD (Computational fluid dynamics) y el llevar a cabo pruebas con modelos a escala.
MOTIVACIÓN / JUSTIFICACIÓN
La contaminación del aire tiene dos posibles causas, las naturales y las causas antropogénicas. Las causas naturales son responsables del 5% de los gases emitidos como contaminantes del aire y se centran en las emisiones generadas por los animales y la vegetación, los residuos de las erupciones volcánicas, el polvo y los incendios forestales. Por su parte, las causas antropogénicas generan la mayor contribución a la contaminación atmosférica y del aire. Con un total de 95% de contribución, las causas antropogénicas se pueden agrupar en las generadas por la descomposición de residuos en rellenos sanitarios, la agricultura y ganadería extensiva y la quema de combustibles fósiles, procesos que tienen como principal producto la generación de gas metano y CO2 e hidrocarburos respectivamente[3]. Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC), entre 1750 y 2011 se han emitido a la atmósfera entre 2040 y 310 Gt de CO2 equivalente por causas antropogénicas, de las cuales el 75% se deben a la quema de combustibles fósiles. Considerando lo anterior y teniendo en cuenta la necesidad de movilidad de las personas y de la carga, que representa el 19% del consumo total de energía en el mundo para el año 2013, el estudio muestra que el sector del transporte es responsable del 14% de las emisiones debidas a la quema de combustibles fósiles, y es el que aporta el 10% del total de las causas antropogénicas con un total de 211 GtCO2 equivalentes y el 86% restante se distribuye entre la generación de energía con el 47%, el sector industrial con el 30% y otras fuentes aportan el 9%. Las emisiones de gases que aporta el sector del transporte se deben principalmente a que los equipos utilizados para la carga y el transporte (vehículos, barcos, trenes, aviones, etc.) incorporan la movilidad basada en el uso de motores de combustión interna (MCI). Debido a esto y a otros factores como la fluctuación de los precios y la escasez de petróleo, junto con el desarrollo de nuevas tecnologías, otros tipos de fuentes de energía y de movilidad han adquirido mayor importancia, incluida la movilidad eléctrica. En lugares como América Latina y el Caribe, que tienen la mayor densidad de ríos navegables del mundo, la movilidad eléctrica fluvial ha surgido como una alternativa para el transporte de personas y carga, siendo una solución de transporte sostenible que contribuye a la reducción de las emisiones contaminantes.
Figura 1
Estas cifras evidencian el potencial que tiene la movilidad fluvial en Suramérica y en el país, que combinadas con el uso de la energía eléctrica y su masificación como fuente de energía para el sector transporte, hacen que el desarrollo de embarcaciones eléctricas sea proyectos de gran proyección en el corto y mediano plazo, eso se evidencia en el crecimiento de la flota de embarcaciones eléctricas en el mundo que ha aumentado en un 850% entre 1970 y 2011 con un pico de crecimiento exponencial en el año 1995, ver figura 3. Este crecimiento se debe al desarrollo de la electrónica de potencia tanto DC como AC, el incremento de la autonomía de las baterías (a la fecha una batería de litio-ion ofrece 200 Wh/kg) y la versatilidad y simplicidad de los motores eléctricos[7], [8]. Lograr viabilizar el desarrollo de las embarcaciones eléctricas es el reto de los diseñadores, desde el punto de vista del aprovechamiento energético y uso eficiente de la energia disponible que permita obtener parámetros de rendimiento comparables con los de las embarcaciones que utilizan fuentes de energia tradicionales.
Figura 3. Crecimiento de la floja de embarcaciones eléctricas
Lograr viabilizar el desarrollo de las embarcaciones eléctricas es el reto de los diseñadores, desde el punto de vista del aprovechamiento energético y uso eficiente de la energia disponible que permita obtener parámetros de rendimiento comparables con los de las embarcaciones que utilizan fuentes de energia tradicionales.
Uno de los retos más relevantes en el desarrollo de una embarcación eléctrica es el aprovechamiento y uso eficiente de la energía, el cual se logra optimizando el proceso de transformación que se lleva a cabo en cada uno de los componentes. Integrar estos componentes en un diseño global y lograr modelar y estimar su comportamiento previo a la fabricación, permite a los diseñadores predecir características de desempeño e identificar cuáles son los puntos del diseño a ser mejorados y así alcanzar el performance deseado. Existes tres factores determinantes en el desempeño de una embarcación los cuales se esquematizan de forma gráfica en la Figura 1.
La figura 1, esquematiza de forma gráfica como la movilidad eléctrica fluvial surge como una solución ante la contaminación del aire generada por causas antropogénicas.
Como país, Colombia posee 5 cuencas principales: Atrato, Magdalena, Orinoco, Amazonas y Pacifico, que albergan un total de 24.725 kilómetros de vías fluviales, de estos 18.225 km son aptos para la navegación (Ver figura 2). Ríos principales como el Magdalena albergan un total de 6’381.243 habitantes al borde de sus riveras, lo que equivale al 13% de la población nacional, y en municipalidades como Magangué, ubicada en la depresión Momposina la cual es zona de injerencia del proyecto ENERGETICA 2030, se movilizan un total de 39.172 pasajeros en promedio por mes. Para el año 2035 se proyecta que un total de 4.5 Millones de pasajeros serán movilizados por vías fluviales y la mayor parte lo hará por el rio Magdalena. En cuanto a transporte fluvial de carga, Colombia posee un potencial de 19.5 millones de toneladas por año [4]–[6].
Figura 2. Mapa fluvial Colombiano
IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA
Figura 4. Composición general de una embarcación eléctrica
EL primer factor es la Fuente de Energía, la cual, para el caso particular, será un conjunto de baterías que proveerán la potencia necesaria para poner en operación la unidad de propulsión. Para este componente se debe trabajar en optimizar la densidad energética del Pack de baterías (Energía / Unidad de masa) con el fin de lograr el menor peso de este y así menor cantidad de masa a ser desplazada, este componente tiene una fuerte influencia en el peso final de la embarcación. El segundo factor es la geometría del bote, esta geometría deber cumplir entre muchos otros factores, que sea estática y dinámicamente estable, debe poderse comportar de forma segura para los ocupantes en las diferentes situaciones de movimiento del barco, debe poder albergar todos los componentes que irán dentro del mismo y además su diseño hidrodinámico debe permitir que el barco ejerza la menor resistencia al desplazamiento. Es en este punto donde el diseño de esta geometría es determinante para el consumo energético y donde el diseñador realiza una mayor intervención. Finalmente, el tercer factor es la unidad de propulsión, encargada de convertir la energía eléctrica suministrada por las baterías en empuje efectivo. El proceso de conversión eléctrica a trabajo de eje llevado a cabo por este componente es determinante para estimar la cantidad de energía requerida y la potencia a ser instalada para lograr la velocidad deseada de la embarcación
Para un diseño previo de una embarcación eléctrica, el lograr predecir el comportamiento de las variables de ingeniería implícitas en cada uno de los componentes anteriormente mencionados, permite validar en una etapa temprana (antes de la fabricación del prototipo final) , que el comportamiento es el esperado por el equipo de diseño, identificar puntos críticos , propiedades físicas a ser variadas o atributos que no están llegado a su valor deseado y así poder intervenirlos para satisfacer las necesidades y los requerimientos que fueron establecidos en las etapas del diseño conceptual .
Existen tres métodos que permiten realizar estimaciones previas de comportamiento y evaluación de variables del diseño; Numéricos-Estadísticos-Experimentales, estos se listan en la Figura 5.
Figura 5. Métodos de estimación previas y evaluación de variables del diseño
Cada uno de los métodos posee sus ventajas y desventajas las cuales se centran en el tiempo requerido para su desarrollo, costos y nivel de confiabilidad por lo que usualmente se hace uso de una comparación entre los tres para converger a un resultado (ver Figura 2). Los tres métodos buscan estimar la resistencia o arrastre generado por la geometría del bote y así la fuerza necesaria para lograr su desplazamiento. Esta fuerza puede ser traducida en empuje efectivo, potencia requerida y finalmente en potencia instalada. En particular los métodos experimentales brindan la posibilidad de contar con un prototipo a escala de la embarcación real fabricado a través del uso de factores de escala “λ”, este prototipo permitirá determinar cuál será el comportamiento del bote real. La Tabla 1 [9] resume los principales parámetros de escala para cada una de las medidas importantes de la embarcación.
Tabla 1. Proporción de escala de Froude
Allí, "λ" es el cociente entre el valor de la variable en la embarcación real y el valor de dicha variable en el modelo a escala.
Los métodos experimentales sirven como un método de validación y aunque de los tres métodos identificados para estudiar el comportamiento de una embarcación son los más costosos en términos de tiempo y dinero, son los que arrojan resultados más acercados a la realidad. Los procedimientos estándar de fabricación, elaboración de pruebas y uso de prototipos a escala de embarcaciones son determinados por la Normativa ITTC (International Towing Tank Conference) en [10], quienes especifican entre otros, los procedimientos de elaboración de pruebas de autopropulsión para botes. Las pruebas de autopropulsión cobran relevancia ya que el probar una geometría de bote sin incorporar el propulsor (Hélice) puede llevar a un error en la estimación del comportamiento de la resistencia de la embarcación. Lo anterior se debe a que el tener un apéndice sumergido como lo es la hélice adherido al casco trae consigo un aumento en la resistencia, esto se ilustra de forma gráfica en la figura 6, donde el punto de autopropulsión del modelo se da en el momento en el que el empuje de la hélice iguala la resistencia del modelo con hélices instaladas.
Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente se puede concluir que llevar a cabo pruebas de autopropulsión de embarcaciones a escala, bajo los estándares que rigen este tipo de experimentos, permite al equipo de ingenieros contar con una herramienta para la toma de decisiones que permitan lograr un diseño de detalle que satisfaga los requerimientos y necesidades, además de estimar de forma correcta el arrastre del bote, lograr un mejor diseño de la unidad de propulsión, las baterías y la mejora de los procesos de transformación energética llevado cada uno de estos componentes, esto de forma asertiva y con resultados confiables de desempeño para la embarcación a escala real.
Figura 6. Punto de Autopropulsión