Zarpa y emprende una travesía hacia el futuro sostenible de la industria naval

A principios de este año, la Organización Marítima Internacional (OMI) fijó ambiciosos objetivos para lograr una industria naval ecológica y cero emisiones netas para 2050, una drástica aceleración respecto al objetivo anterior de 2100 (obtén más información aquí). Desde entonces, la industria navega en aguas revueltas con amplias implicaciones en la gestión del ciclo de vida de los buques, desde el diseño conceptual hasta la explotación y el desmantelamiento. La mayoría de las partes interesadas ha previsto esta evolución tras observar la promulgación de normativas medioambientales cada vez más estrictas.

Durante elClean Energy Action Forum 2022,Chris Wiernicki, CEO y presidente del American Bureau of Shipping (ABS), expuso las vías creíbles que serán el motor clave en la selección por parte de las navieras de nuevos tipos de combustible para alcanzar la meta de cero emisiones netas. En el centro de la toma de decisiones está el calendario de preparación tecnológica, que puede desglosarse en periodos a corto, medio y largo plazo. Según Wiernicki, esa preparación es factible si se pueden establecer estos cuatro pilares:

• Un caso empresarial sólido
• Escalabilidad
• Suministro y uso de datos certificables
• Mitigación de consecuencias imprevistas

Soluciones a corto plazo para una industria naval ecológica

Las soluciones a corto plazo son el gas natural licuado (GNL), el metanol y los biocombustibles de primera y segunda generación. Según Clarksons, el 4,1 % de la flota comercial mundial puede utilizar GNL como combustible. Esto representa el 91 % del total de la flota que puede emplear combustibles alternativos. Además, el dominio del GNL se refleja en las carteras de pedidos actuales, ya que el 33,3 % opta por el GNL, seguido del gas licuado de petróleo (GLP) con el 2,3 %, el metanol (1,2 %), el etano (0,3 %) y el hidrógeno (<0,3 %). Los pedidos que combinan el GNL con la opción de preparado para amoníaco representan hasta el 10 % de dichos pedidos. El principal incentivo de los biocombustibles es que apenas requieren ajustes en la infraestructura actual de los combustibles. En el caso de embarcaciones más pequeñas, de corta distancia y costeras, ya se dispone de soluciones de baterías adecuadas, y se pueden consultar prototipos de embarcaciones totalmente eléctricas y autónomas que han tenido éxito.

Soluciones a medio plazo

A medio plazo, el metanol continuará avanzando; por su parte, el amoníaco irá en aumento porque en los próximos dos años habrá más motores compatibles.

Proyección a largo plazo

A largo plazo, los combustibles verdes (combustible producido a partir de fuentes de biomasa mediante procesos biológicos, térmicos y químicos) estarán disponibles junto con el hidrógeno azul, es decir, el hidrógeno producido a partir de gas natural y respaldado por la captura y almacenamiento de carbono (CAC). La preparación de la tecnología CAC es crucial para las operaciones a bordo y en tierra. Las sociedades de clasificación están liderando la evaluación de la propulsión nuclear como opción para los grandes buques comerciales que pueden incorporar esta tecnología. Se acaba de publicar un importante estudio piloto.

Cadena de simulación de Simcenter: zarpemos

Cada etapa de la travesía a las cero emisiones conlleva varios retos de ingeniería para el funcionamiento de los buques; por nombrar algunos:

• Dispersión del gas
• Tratamiento posterior
• Chapoteo en los tanques
• Ebullición de los tanques (proceso de aumento indeseado de la temperatura en los tanques que pone en riesgo el estado criogénico del gas).
• Tratamiento posterior para la reducción y eliminación de emisiones (lavadores de gases)
• Fugas de gas criogénico durante el abastecimiento (proceso de reabastecimiento)
• Planificación de la travesía: generación de perfiles de combustible y emisiones

Las funcionalidades multifísicas de Simcenter STAR-CCM+ para el modelado multifásico híbrido se están aprovechando a fin de ofrecer predicciones basadas en la simulación para estos problemas en el diseño conceptual y en el análisis forense.

En lo que respecta a sistemas superiores,Simcenter Amesim permite analizar configuraciones de motor y propulsión con distintos niveles de detalle y fidelidad hasta la planificación de travesías, el consumo de combustible y los perfiles de emisiones.

Los primeros buques de cabotaje ya navegan de manera totalmente eléctrica; por su parte, la industria náutica acaba de embarcarse en su misión de electrificación. Simcenter Amesim, Simcenter Motorsolve y Simcenter STAR-CCM+ ofrecen numerosas soluciones de plantillas para considerar el diseño del grupo motopropulsor del tamaño del pack de baterías o ayudar a evitar el arranque térmico.

Grandes buques, cero emisiones, soluciones navales ecológicas

Retomemos el tema de los grandes buques y los complejos retos del comercio mundial. Queremos centrarnos en cómo la tecnología de simulación de la suite de Simcenter ayuda a los ingenieros a encontrar soluciones a corto y medio plazo para los combustibles alternativos. Entre los cuatro pilares de las vías de combustibles factibles, en el caso del amoníaco, la mitigación de las consecuencias imprevistas debe abordarse en las primeras fases de la implementación.

El GNL y el amoníaco se almacenan en estado criogénico. Por lo tanto, cualquier exposición a condiciones ambientales, como fugas durante el abastecimiento de combustible, provocará una vaporización instantánea (ebullición instantánea). Esta situación pone en peligro a la tripulación y presenta numerosos riesgos medioambientales. La ebullición instantánea del líquido pulverizado procedente de una fuga de la tubería al medioambiente se produce porque la presión ambiental es inferior a la presión de saturación del combustible líquido. Según la dirección de la pulverización y la distancia a las estructuras adyacentes, puede darse condensación (precipitación) de la nube de vapor dispersa. La precipitación es el impacto de las gotitas restantes del chorro vaporizado en su mayor parte, que es altamente inflamable.

Caso de éxito: abastecimiento

El abastecimiento es una operación esencial a bordo de los buques en el mar o en el puerto. El abastecimiento correcto requiere transferir con seguridad el combustible a los tanques del barco sin desbordamientos, derrames ni fugas.

La simulación puede ayudar en los primeros pasos del proceso de abastecimiento

La planificación para determinar la cantidad de combustible que hay que abastecer para realizar la travesía se produce al inicio del proceso de abastecimiento. La biblioteca náutica de Simcenter Amesim permite conectar tu modelo de motor y grupo motopropulsor al entorno de simulación de travesía y maniobra teniendo en cuenta las cargas, el consumo de combustible del motor auxiliar, el viento, las olas y los efectos de la corriente en las características de propulsión.

Una vez que se determina la cantidad de combustible, incluidas las reservas que deben almacenarse, comienza la planificación de los tanques que recibirán el combustible. En este caso, un modelo de los tanques, las tuberías y válvulas, el sistema de lastre y la entrada de combustible a través del propio abastecimiento es fundamental para predecir y controlar el rendimiento, así como para asegurar la hidrostática deseada del buque. Estos temas y los planes de acción en caso de fugas o vertidos suelen debatirse en la conferencia previa al abastecimiento, que puede respaldarse digitalmente en modelos de tiempo rápido para obtener respuestas rápidas a situaciones hipotéticas.

La clave del éxito

El entorno de simulación de Simcenter Flomaster te permite generar envolventes de resultados de distintos escenarios de abastecimiento. También puede servirte upstream en la fase de diseño para determinar el tamaño de las bombas y las líneas, y lograr el tiempo óptimo de llenado, vaciado y sondeo de los tanques. En última instancia, los parámetros críticos de la simulación pueden introducirse automáticamente en el libro de registro de hidrocarburos, de conformidad con el Anexo I de MARPOL.

Evitar posibles fallos y peligros del sistema

Nos interesan sobre todo los posibles fallos del sistema y los peligros para la tripulación y el medio ambiente. Nuestras plantillas pueden configurarse para cumplir las normativas pertinentes; por ejemplo, los códigos IGC e IGF de la OMI para el GNL. El GNL suele almacenarse a unos -162^◦ C y presenta peligros criogénicos, como congelaciones y quemaduras en la piel, o riesgo de incendio y explosión al pasar a estado gaseoso dentro del rango de inflamabilidad. En el caso del amoníaco, pueden producirse quemaduras en la piel, irritación e inflamación del sistema respiratorio y de los ojos de la tripulación. Las altas concentraciones de gas en el aire, sobre todo en espacios confinados, pueden provocar explosiones o la muerte.

Descubre cómo la simulación de CFD puede ayudarte a analizar consecuencias no deseadas

Para comprender mejor los peligros de la ebullición instantánea por pulverización y la dispersión de gases, examinamos el problema del abastecimiento en el mar, en el que simulamos la dispersión de amoníaco criogénico de una tubería debido a una fuga durante el abastecimiento de combustible. Mediante simulaciones con Simcenter STAR-CCM+, se puede estudiar la compleja física de la ebullición instantánea de la dispersión de gases criogénicos. Las métricas buscadas comprenden la extensión de la columna de gas, la concentración de amoníaco en determinados puntos y si se producirá o no precipitación. Aunque es improbable que los trabajadores de cubierta estén expuestos a niveles de concentración mortales superiores a 2000 partes por millón (ppm) durante 30 minutos o más, según el Instituto Nacional de Salud, pueden producirse sensaciones de escozor o quemazón en los ojos y el sistema respiratorio por exposición a tan solo 70 ppm durante el mismo intervalo de tiempo.
Estos niveles no son inalcanzables dentro de recintos cerrados como los compartimentos de los motores, lo que subraya la importancia de emplear tecnología de simulación para evaluar riesgos y diseñar contramedidas.

En este supuesto de abastecimiento de combustible, el amoníaco líquido se descarga desde una fuga horizontalmente sobre la infraestructura de abastecimiento de combustible de la nave receptora a una presión de 8 bares, lo que provoca una rápida dispersión en la atmósfera. En el transcurso de 10 segundos, se pudo medir aproximadamente 1 ppm en ubicaciones puntuales típicas de las operaciones de trabajo. No se detectó precipitación en la cubierta, es decir, toda la masa que se fugó pasó al estado gaseoso.

Mantenerse integrado: todo el mundo a sus puestos para lograr una industria naval sostenible

Hemos estudiado los problemas de ingeniería relacionados con los objetivos ecológicos de la industria naval, desde el diseño conceptual hasta el funcionamiento a bordo, para ayudar a generar la documentación obligatoria. Sin duda, tus estudios sobre componentes o problemas concretos repercutirán en aspectos fundamentales del diseño general de buques. En el caso probable de que te desborden la complejidad y la interconectividad de abarcar el espacio de diseño, Simcenter HEEDS te proporcionará puntos de ruta náutica hacia el puerto de las soluciones.

Descubre la solución definitiva: aprovecha tus conocimientos especializados para obtener resultados óptimos

Simcenter HEEDS tiene un doble rol. Por un lado, su gestor de flujos de trabajo actúa como la araña en la telaraña de la simulación CAE de Simcenter mediante la asignación y administración de E/S. Además, su optimización de diseño multidisciplinar puede aprovecharse en la herramienta secundaria, el proceso integral o una combinación de ambos. Establecer restricciones de optimización realistas y aprovechar la avanzada suite de postprocesamiento de Simcenter HEEDS para obtener conocimientos esenciales será clave para un regreso seguro a puerto.

Echemos el ancla

Hay un océano de problemas de ingeniería en el diseño y el funcionamiento de buques y plataformas flotantes. Simcenter tiene muchas más herramientas que las mencionadas en el blog. ¿Te has preguntado alguna vez por la seguridad y comodidad de los pasajeros de tu lancha rápida? Simcenter Madymo es el faro de referencia.

Avanza a toda máquina hacia el futuro de una industria naval ecológica mediante la ingeniería de rendimiento integrada con Simcenter. Sigue atento porque dentro de poco lanzaremos un nuevo white paper sobre soluciones de simulación de CFD para retos multifásicos. Mientras tanto, descarga este white paper, centrado en impulsar el diseño naval mediante herramientas de simulación, y explora conceptos prácticos para mejorar tu enfoque de los proyectos.