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5 de julio de 2024

El cambio climático causado por las actividades humanas es un hecho bien establecido. Según el Cuarto Estudio de la OMI sobre las Emisiones de Gases de Efecto Invernadero de la Organización Marítima Internacional (OMI), las emisiones de CO2 derivadas del transporte marítimo representan solo el 2,89% del total mundial.

A pesar de este porcentaje relativamente bajo, la OMI está comprometida a reducir su impacto ambiental y ha incorporado este objetivo en sus Direcciones Estratégicas. En cuanto a las emisiones de gases de efecto invernadero, la OMI tiene como objetivo reducir las emisiones del transporte marítimo en un 40% para 2030, en comparación con los niveles de 2008. Para alcanzar este objetivo, se han implementado medidas como el Índice de Eficiencia Energética para Buques Existentes (EEXI) y el Indicador Anual de Intensidad de Carbono (CII).

Las actividades a bordo, incluida la propulsión, el aire acondicionado y los servicios de hospitalidad, contribuyen significativamente al consumo energético en los cruceros. Con un enfoque creciente en la sostenibilidad y la responsabilidad ambiental, la industria de los cruceros está explorando tecnologías innovadoras para mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Una de estas tecnologías es la recuperación de calor residual (WHR, por sus siglas en inglés), un proceso que captura y reutiliza el calor excedente generado por los motores y otros sistemas del barco. Este ensayo profundiza en los principios de la WHR, su implementación en los cruceros y las significativas mejoras en términos de eficiencia y sostenibilidad que ofrece.

Principios de la Recuperación de Calor Residual: 

La recuperación de calor residual en los cruceros es fundamental para aprovechar el calor que de otro modo se disiparía en el ambiente y convertirlo en energía útil. Las principales fuentes de calor residual a bordo son principalmente los generadores diésel. Los sistemas WHR utilizan tecnologías como intercambiadores de calor, calderas de gases de escape y sistemas para utilizar el vapor residual para capturar y convertir este calor en electricidad o energía térmica para diversas aplicaciones a bordo. Además de estos componentes, los enfriadores por absorción juegan un papel significativo en los sistemas WHR utilizando el calor residual para propósitos de enfriamiento. Los enfriadores por absorción absorben el vapor del refrigerante en una solución absorbente, accionada por el calor residual de los motores u otras fuentes. Este proceso genera agua refrigerada que puede ser distribuida a través del sistema HVAC del barco, mejorando la eficiencia del enfriamiento y reduciendo la carga sobre los sistemas de enfriamiento convencionales. Además, los circuitos de alta y baja temperatura son esenciales para una gestión energética eficiente a bordo. Los circuitos de alta temperatura gestionan el calor de fuentes como los escapes del motor y los sistemas de enfriamiento, que pueden ser utilizados para producir vapor o agua caliente para varios propósitos. Los circuitos de baja temperatura gestionan calor menos intenso, típicamente empleado en procesos como la refrigeración. Integrar eficazmente estos circuitos asegura que el calor residual sea maximizado para mejorar la eficiencia energética global y las prácticas de sostenibilidad a bordo de los cruceros.

Intercambiadores de Calor:

Los intercambiadores de calor son componentes vitales a bordo de los cruceros, desempeñando un papel crucial en la gestión de la energía y la eficiencia. Estos dispositivos transfieren calor entre dos o más fluidos sin mezclarlos, permitiendo el uso efectivo de la energía térmica generada por varios sistemas a bordo del barco. En los cruceros, los intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en múltiples aplicaciones para mejorar la eficiencia operativa y la sostenibilidad.

Uno de los usos principales de los intercambiadores de calor es en el sistema de enfriamiento del motor del barco. Aquí, transfieren calor del líquido de enfriamiento del motor al agua de mar, evitando el sobrecalentamiento del motor y manteniendo las prestaciones óptimas. Además, los intercambiadores de calor son fundamentales en los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado), donde gestionan el clima del barco transfiriendo calor del sistema de aire acondicionado al ambiente exterior o viceversa. Otra aplicación crítica es en los sistemas de recuperación de calor residual. Los intercambiadores de calor capturan el calor excedente de los gases de escape del barco y de otros procesos de alta temperatura, que luego se utiliza para generar vapor para la producción de electricidad o para calentar el agua para uso a bordo. Este proceso reduce significativamente el consumo de combustible y disminuye las emisiones de gases de efecto invernadero.

Además, los intercambiadores de calor se utilizan en las plantas de desalinización de los cruceros, donde ayudan a convertir el agua de mar en agua dulce recuperando y reutilizando el calor del proceso de desalinización.

En conjunto, el amplio uso de los intercambiadores de calor en los cruceros subraya su importancia en mejorar la eficiencia energética, reducir los costos operativos y minimizar el impacto ambiental de las operaciones marítimas.

Gases de Escape:

Los cruceros emplean calderas de gases de escape (EGB, por sus siglas en inglés) para aprovechar el calor residual de los gases de escape del motor. Posicionadas estratégicamente en el sistema de escape del barco, las EGB transfieren la energía térmica de los gases de escape a alta temperatura al agua que circula a través de tubos o conductos. Las EGB están ubicadas en la chimenea o en el sistema de escape del barco, donde capturan el calor de los gases de escape calientes producidos por los motores principales y auxiliares del barco. Estos gases pueden alcanzar temperaturas superiores a 500°C. Este proceso genera vapor, que se utiliza para varios propósitos a bordo, en particular para proporcionar agua calentada para diversos servicios y procesos a bordo. Utilizando eficazmente el calor residual, las calderas de gases de escape mejoran la eficiencia energética, reducen los costos operativos y contribuyen a las prácticas marítimas sostenibles al reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Vapor Residual:

El vapor residual a bordo de los cruceros, generado por los gases de escape de los motores y los sistemas de calefacción, puede ser aprovechado para mejorar la eficiencia energética. El principio es utilizar el vapor residual, a menudo un subproducto de las calderas de gases de escape de los motores, que contiene típicamente una significativa energía térmica que de otro modo sería dispersada. Implementando sistemas de recuperación de calor residual como el Ciclo Rankine Orgánico y las turbinas de vapor, este vapor puede ser convertido en electricidad o utilizado para calefacción, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones, contribuyendo así a la sostenibilidad.

El Ciclo Rankine Orgánico (ORC):

El sistema ORC es un proceso termodinámico utilizado para convertir fuentes de calor a baja temperatura en electricidad. Llamado así en homenaje al ciclo Rankine convencional, el sistema ORC emplea fluidos orgánicos con bajos puntos de ebullición, como refrigerantes o hidrocarburos, en lugar de agua. Esta adaptación permite al ORC aprovechar eficientemente el calor de fuentes a baja temperatura como el calor residual industrial, la energía geotérmica, la combustión de biomasa y la energía térmica solar. El proceso ORC comprende cuatro fases principales: evaporación, expansión, condensación y bombeo. El fluido de trabajo se calienta primero por la fuente de calor a baja temperatura en el evaporador, causando su vaporización. Este vapor a alta presión se utiliza entonces para accionar una turbina o un expansor, generando electricidad. Después de pasar a través de la turbina, el vapor se condensa nuevamente en líquido en el condensador y se bombea de nuevo al evaporador, completando el ciclo. Los sistemas ORC son particularmente ventajosos gracias a su capacidad de utilizar calor de baja calidad que de otro modo sería dispersado. Ofrecen alta eficiencia y fiabilidad, bajos requisitos de mantenimiento y pueden ser dimensionados en función del tamaño de la fuente de calor. Su aplicación se extiende a través de diversas industrias, convirtiéndolos en una solución versátil y sostenible para mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

Le turbinas de vapor:

Le turbinas de vapor, che utilizan el vapor residual, son tecnología crucial para mejorar la eficiencia energética y la sostenibilidad de los cruceros. Capturan el vapor residual y convierten su energía térmica en trabajo mecánico, que luego se usa para generar electricidad. El proceso comienza dirigiendo el vapor residual hacia la turbina. A medida que el vapor pasa por las palas de la turbina, las hace girar. Este movimiento rotacional acciona un generador, produciendo electricidad. Al utilizar el vapor residual, estas turbinas recuperan eficazmente energía que de otro modo se desperdiciaría, mejorando la eficiencia energética global.

Además, el uso de las turbinas a vapor para el aprovechamiento del vapor residual está alineado con las regulaciones ambientales y los objetivos de sostenibilidad. Ayuda a la industria marítima a reducir su huella de carbono, contribuyendo a operaciones más limpias y sostenibles. En resumen, las turbinas a vapor que emplean vapor residual representan un paso fundamental hacia un uso más eficiente y ecológico de la energía en el sector marítimo. En el contexto de los cruceros, la integración de turbinas a vapor con sistemas de recuperación de calor residual puede reducir significativamente el consumo de combustible y las emisiones de gases de efecto invernadero, aunque el espacio limitado en los cruceros existentes presenta un desafío considerable, ya que el peso adicional de un sistema de turbina a vapor puede afectar donde no se puede instalar.

Absorbedores de frío:

Los absorbedores de frío se integran sin interrupciones en los cruceros como refuerzos para el agua de enfriamiento, aumentando la capacidad de enfriamiento del sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado). Utilizan el calor residual de los gases de escape del motor u otros procesos de generación de calor a bordo. Este calor residual es esencial para impulsar el ciclo de absorción del absorbedor. Durante su funcionamiento, los absorbedores facilitan la absorción del vapor del refrigerante en una solución absorbente, típicamente bromuro de litio. Mientras el refrigerante se vaporiza y condensa nuevamente en líquido, genera agua enfriada. Esta agua enfriada se alimenta entonces en la red de distribución de agua enfriada del barco, integrando la carga de enfriamiento del sistema HVAC.

Generalmente, se integran como refuerzos del agua de enfriamiento ofreciendo varios beneficios, ya que aumentan la capacidad total de enfriamiento del buque, asegurando que las demandas pico de enfriamiento puedan satisfacerse eficientemente. Al utilizar el calor residual para el enfriamiento, los absorbedores de frío contribuyen a mejorar la eficiencia energética y a reducir el consumo de combustible en comparación con los chillers de compresión convencionales que dependen exclusivamente de la energía eléctrica. Esta integración mejora la flexibilidad operativa, permitiendo a los cruceros optimizar las operaciones de enfriamiento reduciendo el impacto ambiental y los costos operativos. En última instancia, los absorbedores de frío desempeñan un papel crucial en apoyar prácticas sostenibles a bordo de los cruceros, proporcionando ambientes cómodos tanto para los pasajeros como para la tripulación.

Circuitos de alta y baja temperatura:

Los cruceros dependen tanto de circuitos de alta como de baja temperatura para manejar eficazmente la energía térmica para diversas necesidades operativas. Los circuitos de alta temperatura principalmente involucran generadores diésel para proporcionar, capturar y transferir el calor excedente desde los sistemas de enfriamiento del motor al agua caliente para varias aplicaciones a bordo. Por otro lado, los circuitos de baja temperatura desempeñan un papel crítico en mantener el enfriamiento y el acondicionamiento óptimos en todo el barco. Manejan sistemas de refrigeración esenciales para conservar productos perecederos y suministros a bajas temperaturas. Además, estos circuitos son parte integral de la infraestructura HVAC del barco, asegurando ambientes interiores cómodos tanto para los pasajeros como para la tripulación.

Estos sistemas se utilizan, por ejemplo, para precalentar el agua potable fresca y calentar el agua de las piscinas a bordo. Los circuitos de alta temperatura aprovechan el calor residual de los motores para calentar el agua potable, mientras que los circuitos de baja temperatura manejan (a menudo) el calentamiento del agua de las piscinas utilizando sistemas dedicados conectados a la infraestructura HVAC del barco. Este enfoque dual asegura que los pasajeros puedan disfrutar de agua caliente y piscinas cómodamente calentadas, optimizando al mismo tiempo el uso de energía y reduciendo el impacto ambiental. La integración de circuitos de alta y baja temperatura se facilita a través de sofisticados procesos de intercambio de calor y sistemas de control. Esta integración optimiza la eficiencia energética total reciclando el calor residual y reduciendo el consumo energético a través de diferentes sistemas operativos. Al utilizar eficazmente ambos tipos de circuitos, los cruceros mejoran sus esfuerzos de sostenibilidad, reducen la dependencia de combustibles, disminuyen las emisiones de gases de efecto invernadero y logran ahorros significativos en costos operativos a lo largo del tiempo. Este enfoque integral subraya el compromiso de la industria marítima con la responsabilidad ambiental, ofreciendo al mismo tiempo una experiencia de crucero confortable y eficiente.

Implementación a bordo:

La implementación de sistemas de recuperación de calor residual (WHR) en cruceros requiere una planificación meticulosa y una integración perfecta con la infraestructura existente. Este proceso comienza con la identificación y cuantificación de las fuentes de calor residual a bordo, como los gases de escape del motor y los sistemas de enfriamiento. El siguiente paso crucial consiste en diseñar un sistema WHR que se alinee con las necesidades operativas únicas del barco, seleccionando componentes apropiados como intercambiadores de calor, calderas y turbinas. La integración con los sistemas existentes de generación y distribución de energía es crucial para garantizar un funcionamiento sin problemas. Además, se implementan sistemas de monitoreo continuo para rastrear el rendimiento del sistema WHR y optimizar la eficiencia con el tiempo. Este enfoque completo no solo maximiza la recuperación de energía, sino que también mejora la sostenibilidad operativa general, reduciendo el consumo de combustible y las emisiones, mientras mantiene servicios confiables a bordo para los pasajeros.

Varias compañías de cruceros ya han comenzado a implementar sistemas WHR en sus barcos. Por ejemplo, empresas como Royal Caribbean y Carnival Corporation han equipado algunos de sus barcos más nuevos con sistemas WHR avanzados, logrando reducciones significativas en el consumo de combustible y las emisiones.

Mejoras en la eficiencia:

Los sistemas de recuperación de calor residual (WHR) representan un avance tecnológico significativo en la mejora de la eficiencia energética a bordo de los cruceros. Estos sistemas están diseñados para capturar y utilizar el calor residual procedente de diversas fuentes a bordo, como los gases de escape de los motores y los sistemas auxiliares. Aprovechando eficazmente esta energía térmica que de otro modo se desperdiciaría, los sistemas WHR pueden lograr ahorros significativos de combustible, típicamente entre el 10% y el 15% del consumo total de combustible. Estos ahorros dependen de las condiciones operativas y de la eficiencia de la tecnología WHR utilizada, que incluye componentes como intercambiadores de calor, calderas de gases de escape y sistemas para el uso del vapor residual.

Desde el punto de vista ingenieril, los sistemas WHR contribuyen a la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero como CO2, NOx y SOx. Esta reducción es crucial para cumplir con las estrictas normativas ambientales internacionales establecidas por las organizaciones. La electricidad generada a partir del calor residual recuperado no solo satisface las necesidades energéticas del buque, sino que también aumenta la capacidad total de energía a bordo. Esta potencia eléctrica adicional reduce la carga sobre los generadores principales, optimizando su eficiencia y prolongando su vida útil operativa. Además, los sistemas WHR desempeñan un papel crucial en mejorar la gestión térmica a bordo de los cruceros. Proporcionan soluciones eficientes de calefacción para los sistemas de climatización y contribuyen al suministro de agua caliente en todo el barco. Esta doble funcionalidad no solo garantiza la comodidad de los pasajeros, sino que también maximiza la eficiencia en el uso de la energía.

En conclusión, la integración de los sistemas WHR en los cruceros no solo mejora la eficiencia operativa y los ahorros financieros, sino que también reduce significativamente el impacto ambiental. Al reducir el consumo de combustible y las emisiones mientras se optimiza el uso de la energía, los sistemas WHR subrayan el compromiso de la industria de cruceros hacia la sostenibilidad y la adopción de tecnologías respetuosas con el medio ambiente. Este enfoque no solo beneficia a los operadores de cruceros reduciendo los costos operativos, sino que también promueve prácticas marítimas sostenibles, en línea con los esfuerzos globales para la protección ambiental en la industria naval.

Además de mejorar la eficiencia, los sistemas WHR mejoran significativamente el perfil de sostenibilidad de los cruceros. La industria de los cruceros está cada vez más bajo escrutinio por su impacto ambiental, y la adopción de la tecnología WHR representa un paso proactivo hacia operaciones más ecológicas. Al reducir el consumo de combustible y las emisiones, los sistemas WHR ayudan a mitigar la huella ambiental de los cruceros, en línea con los esfuerzos globales para combatir el cambio climático.

Además, la adopción de la tecnología WHR establece un precedente positivo para la industria marítima en general. A medida que las compañías de cruceros demuestran la validez y los beneficios de los sistemas WHR, otros sectores como el transporte de carga y las operaciones marítimas podrían verse alentados a adoptar tecnologías similares, amplificando los beneficios ambientales en todo el sector marítimo.

Conclusión:

Las tecnologías de recuperación de calor residual (WHR) son fundamentales para mejorar la sostenibilidad y la eficiencia operativa a bordo de los cruceros, incluyendo sistemas avanzados como los sistemas de ciclo Rankine orgánico (ORC), intercambiadores de calor, turbinas de vapor y absorbentes de ciclo de absorción. Estos sistemas contribuyen colectivamente a reducir el consumo de combustible, cortar las emisiones y mantener el confort de los pasajeros.

Los sistemas ORC representan un ejemplo vanguardista en la recuperación de calor residual, convirtiendo el calor de baja calidad, como el proveniente de los gases de escape de los motores o de los sistemas auxiliares, en electricidad a través de un ciclo cerrado que utiliza fluidos orgánicos. Esto no solo genera energía adicional a bordo, sino que también reduce la dependencia de los generadores convencionales, optimizando el uso de combustible y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero. Los intercambiadores de calor desempeñan un papel crucial en transferir eficazmente el calor entre fluidos sin mezclarlos. A bordo de los cruceros, capturan el calor residual de fuentes como los sistemas de refrigeración de los motores y los gases de escape. Este calor recuperado se puede utilizar para precalentar agua para uso doméstico, apoyar los sistemas HVAC o alimentar los sistemas ORC para la generación de electricidad, mejorando así la eficiencia energética total del barco.

Complementando estos esfuerzos, las turbinas de vapor aprovechan el vapor a alta presión generado por fuentes de calor residual para alimentar generadores a bordo o sistemas de propulsión. Al convertir la energía térmica en potencia mecánica, las turbinas de vapor maximizan el uso del calor que de otro modo se desperdiciaría, reduciendo significativamente el consumo de combustible y los costos operativos. Mientras tanto, los absorbentes de ciclo de absorción utilizan el calor residual para facilitar los procesos de enfriamiento a bordo. Producen eficientemente agua refrigerada utilizando el calor de los gases de escape u otras fuentes, esencial para mantener temperaturas internas cómodas para pasajeros y tripulación.

En conclusión, la integración de estos sistemas en las estrategias de recuperación de calor residual en los cruceros representa un enfoque completo hacia la sostenibilidad y la eficiencia. Estas tecnologías no solo mitigan el impacto ambiental, sino que también mejoran la resiliencia operativa y la rentabilidad, asegurando que los cruceros avancen hacia un futuro más verde y ofrezcan experiencias excepcionales a bordo.

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Luca Paglia

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