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Propulsión asistida por el viento con velas rígidas

Autor: Raúl Villa Caro, Doctor ingeniero naval, secretario de EXPONAV, oficial de la Armada y capitán de marina mercante.

En los tiempos de la colonización los buques dependían del viento para poder navegar, pero descubrimientos posteriores, unidos a la evolución del sector marítimo, suprimieron esa necesidad. Y ahora, de nuevo, en un negocio naval siempre cíclico a lo largo de la historia, han vuelto una serie de técnicas que permiten la implantación de sistemas para la navegación auxiliados parcialmente por el viento. Ya existen nuevos sistemas de propulsión con una parte eólica con los que se obtienen ahorros de combustible interesantes, a los que se suman una serie de mejoras medioambientales. Si en los mares del mundo hay unos 90.000 barcos mercantes de gran porte, solamente entre 20 y 30 buques llevan montada una tecnología de este tipo. Los sistemas de propulsión asistida por el viento (WAPS, por las siglas en inglés de “Wind-Assisted Propulsion Systems”) aprovechan el viento disponible para generar un empuje de propulsión limpio, reduciendo la potencia necesaria del motor, y las emisiones contaminantes. En algunas velas, para obtener ese empuje se efectúa un control activo de la capa límite mediante succión, aspirando una pequeña cantidad de aire que se adhiere al flujo de aire de la vela, generando enormes cantidades de sustentación. Dicho empuje puede llegar a generar una potencia hasta seis veces superior al de una vela convencional.

Introducción

Hace más de una década un grupo de estudiantes españoles de Ingeniería Aeronáutica tuvieron la idea descabellada de pretender instalar alas de aviones en los barcos, a modo de velas. Aunque en principio la ocurrencia no pareciera muy viable, cambiaron de opinión cuando en el año 2010 vieron por televisión la Copa América de Vela, y observaron cómo una de las embarcaciones que disputaba la prueba poseía una vela rígida de sesenta metros de altura. Acto seguido para poder materializar su sueño buscaron dos socios: un astillero que fabricara la vela, Astander, y un buque donde instalarla, el barco teatro “La Naumon”. Así nacía la empresa “Bound4blue”, con sede en Cantabria.

Hay que destacar que los orígenes de la idea de este tipo de vela se remontan más de cien años, aunque eso sí, el proyecto actual español posee ciertas mejoras, como por ejemplo la de la existencia de un sistema de vela orientable ovoidal, fabricado con materiales ultraligeros de aviación.

La vela rígida es un tipo de sistema de propulsión asistida por el viento que se basa en los mismos principios aerodinámicos que un ala de avión. Al exponerse al viento a un ángulo de ataque determinado, produce sustentación y reduce la resistencia, y ajustando este ángulo, pueden controlarse la sustentación y la resistencia. Aunque depende de los modelos, las principales ventajas de la vela rígida radican en: su capacidad para poder ser plegada (o abatida sobre cubierta), por lo que el calado aéreo de la embarcación no se ve afectado; ser totalmente pasiva (no se requiere energía para producir sustentación); y poseer una resistencia mínima.

Obviamente, el tipo de buque en el que se vaya a instalar el sistema, su número de velas, y sobre todo la ruta concreta que realice, van a ser claves para el éxito del sistema. Todo es cuestión de poder aprovechar más o menos el viento, así que las velas ofrecen menos ventajas en el Mediterráneo, por ejemplo, que en el Atlántico Norte o el Pacífico. Y, por supuesto, si el buque es de línea regular, y pose una ruta fija, será más fácil predecir el ahorro que se pueda obtener.

Tipos de sistemas existentes para propulsión asistida por el viento

Las soluciones más conocidas emplean generalmente elementos de vela rígidos, dispuestos verticalmente sobre cubierta. Estos sistemas poseen automatismos para orientarse hacia el viento, en la dirección más efectiva, de manera que puedan obtener el máximo rendimiento de forma autónoma, sean cuales sean las condiciones del viento existentes en cada instante. Entre los nuevos modelos de aprovechamiento de viento existentes, destacan los tipos de vela “Wingsail” y “eSAIL”.

Se debe destacar que, en este tipo de velas, el empuje obtenido es de tipo “convencional”, es decir, no existe ningún tipo de conexión de la máquina propulsora del buque con el mecanismo de las velas. El funcionamiento es muy simple: cuando el viento sopla, la vela provoca “empuje”. Tanto el mástil como la vela tienen gran parecido con las alas de los aviones (de ahí su nombre, “vela de ala”, en inglés). La gran diferencia que existe con los aviones radica en que en las aeronaves la posición horizontal del ala proporciona una propulsión hacia arriba y en los barcos, al estar el ala en vertical, el impulso es avante. Un sistema informático y un conjunto de sensores controlan y manejan la vela para obtener la máxima propulsión.

El primer modelo, “Wingsail (o “fSAIL”), está formado por un mástil vertical telescópico y retráctil, alrededor de cuya estructura se montan unas “costillas” en horizontal. Entre cada una de ellas hay un panel plegable, y la vela se va estirando a medida que las costillas se separan. El mecanismo de la vela despliega su estructura en dos minutos, y la pliega aún más rápido, treinta segundos antes. Este intervalo de tiempo es suficiente para poder sortear obstáculos que puedan aparecer cuando se llega a puerto, y además la vela en ningún momento reduce la visibilidad en la navegación desde el puente, y apenas afecta al espacio disponible en el buque. Una de las características más importantes de la vela es que puede girar 360 grados para poder orientarse según las necesidades del viento.

El segundo modelo, la “eSAIL (el que porta la Naumon)”, es un tipo de sistema de propulsión asistida por el viento que se basa en el control activo de la capa límite mediante succión. Cuando el buque está influenciado por el viento, con la succión desactivada, solo produce resistencia, al igual que cualquier otra estructura que no genera sustentación. Sin embargo, cuando la succión está activa, aspira una pequeña cantidad de aire que se adhiere al flujo de aire de la vela, generando enormes cantidades de sustentación con baja resistencia. La “eSAIL” produce entre seis y siete veces más sustentación que una vela convencional, con un consumo de potencia mínimo y sin ninguna complejidad mecánica (sin cargas inerciales, vibraciones, movimiento constante, etc.), lo que garantiza un funcionamiento bastante sencillo y fiable.

La “eSAIL”, que debe su nombre a las siglas en inglés (electric Sail with Aspirated Inner Layer), es una vela rígida, de aluminio y fibra de vidrio, equipada con un mecanismo de abatimiento y un sistema de control autónomo. Representa una tecnología rentable y validada en el sector para cumplir con las regulaciones de reducción de emisiones de la OMI. Su instalación es rápida y sencilla, pero previamente se debe realizar un proyecto detallado de transformación del buque que debe ser aprobado tanto por una SC (Sociedad de Clasificación), como por el Estado de abanderamiento. Posteriormente, se lleva a cabo el refuerzo y los trabajos eléctricos, como paso previo a la instalación del sistema. Dicha instalación puede realizarse a flote, tal como se realizó en el caso de “La Naumon”, durante una varada en dique, o en cualquier otra escala de puerto ordinaria, pues la operación dura menos de un día. En el caso de La Naumon, la instalación fue aprobada por la SC DNV, y se realizó en el marco del proyecto Greening the Blue, en el que varias empresas, junto al astillero Astander llevaron a cabo las actividades de la instalación de la vela “eSAIL”.

Entre las ventajas existentes en la vela “eSAIL”, modelo por el que se está apostando más en la actualidad, destaca su gran coeficiente de sustentación (de entre seis y siete), comparado con el de un perfil simétrico estándar (de poco más de 1,2). De esta manera, de la instalación de una turbovela de 22 metros de altura se podría obtener una reducción del consumo de combustible de hasta un 30%.

El misterio de la vela rígida “eSAIL” radica en que en su interior alberga motores eléctricos que, cuando se encienden, succionan aire exterior. Este encendido provoca un efecto de sustentación, por diferencia de presiones, mediante un flujo de aire que rodea al buque y que sobrepasa su propia resistencia aerodinámica. La vela al exponerse al viento a un ángulo de ataque determinado produce sustentación y reduce la resistencia. Ajustando este ángulo, pueden controlarse la sustentación y la resistencia.

No obstante, y dejando de lado estos dos modelos de vela rígida, también existen otras alternativas como son por ejemplo el sistema de rotores verticales tipo “Flettner”, compuesto por grandes cilindros verticales que producen un empuje avante, a la vez que la propia presión del aire hace girar los cilindros. La superficie de un metro cuadrado de este rotor equivale aproximadamente a diez metros cuadrados de vela. Este tipo de auxilio a la propulsión ya ha sido instalado en algún mercante, con ahorros certificados de combustible de cerca del ocho por ciento en un año, siendo también combinado con el uso de la propulsión eléctrica, y el gas natural.

En cualquier caso, la efectividad de la propulsión asistida por el viento mediante velas rígidas es dependiente de la capacidad para poder aprovechar la máxima energía eólica posible, y en este punto un factor importante radica en el gradiente vertical del viento. La velocidad del viento atmosférico disminuye al acercarse a la superficie, tanto del mar como de tierra. Por ello, el poder disponer de una superficie velica mayor en la parte superior de las velas, donde la velocidad del viento es más alta, podría suponer un mayor aprovechamiento de la energía.

Además, el beneficio que se pueda obtener de la velocidad del viento atmosférico reinante dependerá de la posibilidad de poder ofrecer toda la superficie velica al flujo de viento de manera óptima, condición que sólo se produce cuando un barco navega adrizado. De hecho, cuanto más se escora el buque, más se reduce la superficie útil, y menos viento pueden aprovechar las velas, con lo que se reduce la fuerza velica y, en consecuencia, el empuje.

Pero además del auxilio de las velas, los barcos también podrían beneficiarse de la energía solar. La cubierta de un buque siempre está orientada al Sol, por lo que recibe gran cantidad de este tipo de energía, y además de manera “gratuita”. En cualquier caso, debe indicarse que, en buques de gran porte, el ahorro energético obtenido sólo por energía solar nunca será de gran impacto, aunque sí debe tenerse en cuenta. Por ello ya algunas empresas han desarrollado diseños de velas que, además de aprovechar la fuerza del viento, son capaces también de utilizar la energía solar a través de paneles solares en su superficie. El concepto de “vela energética” hace referencia a una vela rígida dispuesta en el buque, capaz de rotar automáticamente para sacar el máximo partido del viento y ayudar a propulsar el buque; y que al mismo tiempo posee paneles solares incorporados en la vela que pueden aprovechar la energía solar para proporcionar energía eléctrica y reducir así el consumo de los generadores y sistemas auxiliares.

Otros sistemas marinos innovadores de eficiencia energética asistida por el viento: las cometas

La utilización de cometas para arrastrar algún tipo de artefacto se remonta a épocas muy remotas. Los nativos de las Islas Samoa ya remolcaban sus canoas con ayuda de cometas. Incluso Benjamin Franklin, gran aficionado a las cometas y famoso por el experimento que le llevó a inventar el pararrayos, cita su empleo. También se han usado, y no hace tantos años, como sistemas de salvamento marítimo, o hasta en algunos desarrollos de la NASA. Aunque hoy en día, el auge de las actividades deportivas que emplean este tipo de dispositivos ha relanzado el uso de las cometas de tracción. En la actualidad el método de propulsión por cometas de tracción está desarrollado por pocas empresas, entre las que destaca “SkySails”, por lo que este apartado del artículo se centra en dicho sistema.

Se trata de un sistema de propulsión a viento completamente automático, basado en una cometa de tracción capaz de propulsar buques de carga, grandes yates y pesqueros. El sistema es fabricado por la empresa alemana SkySails con sede principal en Hamburgo. Este sistema de propulsión está formado por tres componentes principales: una cometa de tracción con una amarra para el lanzamiento, un sistema de recuperación, y un sistema de control de funcionamiento automático. La cometa surge de un mástil especial situado en la proa del buque.

Este sistema se puede instalar de manera sencilla, y además es un sistema eficiente, seguro y fácil de usar. La cometa se eleva hasta los 300 metros, aprovechando así las fuertes corrientes de viento existentes a esa altitud (del orden de un 45% superiores a las de superficie), generando de esta manera cinco veces más de potencia propulsora por metro cuadrado de superficie que las velas convencionales. En función de las condiciones de viento existentes, un buque podría navegar con sus motores principales, y auxiliado por la energía procedente de las cometas. Los logros conseguidos hasta ahora nos muestran como un barco mercante de 140 metros de eslora, consumiría hasta un 30 % menos de combustible, y reduciría en un 20 % las emisiones de CO₂.

La Naumon, el buque teatro

La Naumon es un barco teatro itinerante, capitaneado por La Fura dels Baus, que viaja por el mundo llevando arte, innovación y sostenibilidad a cada puerto, y que se convierte en foro de divulgación y debate cada vez que atraca en un puerto. La cubierta de La Naumon es un gran escenario flotante, idóneo para representar los macro espectáculos de La Fura dels Baus, que pueden llegar a ser vistos por miles de personas desde el muelle o la playa. El espectáculo sigue dentro del barco, donde la bodega está equipada para acoger exposiciones y actuaciones más íntimas, con un aforo para 600 personas. Además, intervienen en edificios icónicos de los lugares que visitan, tomando las calles con figuras gigantes que recorren la ciudad y que guían a todos hacia el puerto.

En referencia a este artículo, La Naumon cuenta con una seña de identidad que la hace reconocible sobre el horizonte. Posee una gran vela abatible de acero capaz de aprovechar la fuerza del viento para ahorrar hasta un 30% de combustible. También cuenta con su propio laboratorio de a bordo en el que hacer pruebas reales de innovación, buscando soluciones a los retos del mañana mediante el desarrollo de energías limpias.

Situación en Galicia

El mes pasado nos visitó, en Marín y Coruña, el buque granelero Pyxis Ocean, procedente de Paraná (Brasil), y propulsado parcialmente por energía eólica. Este barco, construido en Japón, y con unas dimensiones de 229 metros de eslora, 32 metros de manga y un calado de 8,6 metros, posee tres velas rígidas que le permiten aprovechar la fuerza del viento para ahorrar aproximadamente un 30 % de gasoil marino. Sus velas de succión miden 37,5 metros de alto, lo que obliga al buque a plegarlas al entrar en puerto, por razones de seguridad en un entorno angosto.

Por su parte, recientemente la empresa BAR Technologies, consultora de ingeniería marina basada en la simulación, ha firmado un acuerdo de colaboración con Nervión Naval Offshore (filial del Grupo Amper), empresa pionera en plataformas eólicas marinas flotantes, para gestionar y supervisar la producción de las velas rígidas para buques de BAR en Europa. De esta manera, Nervión Naval Offshore, con sede en Narón, fabricará en su recién estrenada planta de piezas eólicas de As Somozas velas metálicas para propulsar buques.

Finalmente, y en el marco de su plan de diversificación de actividad, el astillero vigués de San Enrique llevó a cabo la instalación de velas eSAIL en el buque ro-ro Ville de Bordeaux de 150 metros de eslora, y que cubre la ruta entre Europa y América del Norte. Concretamente se trata de tres velas de 22 metros de altura que cubrirán una parte significativa del consumo energético del buque, como complemento a su propulsión, contribuyendo a reducir el consumo de combustibles fósiles. Se estima que la instalación de las velas supondrá un ahorro de combustible de hasta 560 toneladas anuales.