Resumen

En esta lección analizaremos la eficiencia de los motores y cómo optimizarla. Durante el proceso, aprenderemos a evitar la acumulación de carbonilla, tan frecuente en los motores de velero con inyección convencional, y el fenómeno similar de «wet stacking», habitual en los generadores marinos. Aprenderemos cómo lograr reducciones moderadas en el consumo de combustible y qué tipo de ciclo de funcionamiento del motor minimiza la probabilidad de que surjan problemas y optimiza su vida útil. Descubriremos cómo reducir drásticamente el coste de la generación de energía eléctrica en las embarcaciones.

Consumo específico de combustible

A efectos de este estudio, debemos comprender las tasas de consumo de combustible del motor y un concepto denominado «consumo específico de combustible » (SFC en inglés; también conocido como «consumo de combustible específico al freno» o BSFC en inglés). También abordamos el SFC en nuestro módulo sobre sistemas de gestion energética en nuestro curso de Electricidad marina Avanzada.

Para medir las tasas de consumo de combustible de un motor, este se hace funcionar desde el régimen de ralentí hasta la velocidad máxima y, a cualquier velocidad dada, se le aplica una carga progresiva hasta que empieza a calarse, registrando continuamente la tasa a la que se quema el combustible. Supongamos que el consumo de combustible se mide en litros por hora (l/h) y la carga en kilovatios (kW). La medida en kW corresponde a la potencia instantánea suministrada a la carga. No nos indica cuánta energía absorbe la carga (es decir, entrega el motor). Para pasar de la potencia a la energía, debemos añadir el tiempo a la medida (véase esta lección de nuestro curso de Electricidad Básica); una carga de 1 kW aplicada durante una hora equivale a 1 kilovatio-hora (kWh) de energía suministrada a la carga. 

Si tomamos el consumo de combustible por hora (l/h) a una velocidad y carga determinadas, y lo dividimos por la carga (kW), obtenemos una cifra que nos indica cuánto combustible se consumirá por hora por cada kilovatio-hora (kWh) de energía suministrada a la carga. Esta tasa de consumo de combustible se expresa litros por kilovatio-hora (l/kWh) y es lo que se conoce como consumo específico de combustible (SFC). 

El SFC es análogo a lo que aparece en una factura de electricidad doméstica mensual o trimestral, en la que en algún lugar se indica el coste de cada kWh de electricidad suministrado a su hogar y consumido durante el periodo de facturación (normalmente, entre 10 y 20 céntimos por kWh en EE.UU.). 
En lugar de utilizar dinero para expresar este coste, utilizamos la cantidad de combustible que se ha quemado para producir cada kWh de energía que se ha consumido.

¡Tenemos que complicar un poco las cosas! En los motores diésel, a menudo la cantidad de combustible quemado se expresa en peso de gasóleo en lugar de en volumen. ¡Ya sabemos que esto resulta confuso! El peso estándar del gasóleo es de 840 gramos por litro. Así que, en lugar de expresar la tasa de consumo de combustible por kWh de energía suministrada (el SFC) en litros por kilovatio-hora, se expresa en gramos por kilovatio-hora (g/kWh). Este valor suele ser unas 840 veces mayor que el de litros por kilovatio-hora (dependiendo del peso real de un litro de gasóleo, que varía ligeramente). En EE. UU., se suele utilizar el caballo de fuerza (hp) en lugar de los kilovatios (kW), y las libras (lbs) en lugar de los gramos, por lo que acabamos con libras por caballo-hora (lbs/hp-h).

Mapas de eficiencia del motor

Si volvemos al motor que probamos desde el ralentí hasta la velocidad máxima, y al que fuimos aplicando carga progresivamente a cada velocidad hasta que empezó a calarse, podemos trazar el consumo de combustible que se produciría en una hora por kilovatio de carga aplicada (es decir, el SFC) en cada velocidad y punto de carga. El resultado es lo que se conoce como mapa de consumo específico del motor. 

A continuación se muestra el mapa de consumo específico del motor Volvo-Penta D2-75 del «Nada» de Nigel. Este mapa se creó desmontando el motor de la embarcación y enviándolo a un laboratorio de la fábrica de Steyr Motors en Austria, donde se sometió a pruebas siguiendo los procedimientos estándar de elaboración de mapas de consumo (debemos señalar en este punto que los resultados de laboratorio no siempre se corresponden con exactitud con la realidad; hablaremos de ello más adelante).

Mapa de combustible expresado en gramos por kilovatio-hora (g/kWh) (Cortesía de SteyrMotors)

En cualquier punto de este mapa de consumo, vemos los gramos de combustible que se queman en una hora por cada kW de carga que se aplica al motor a esa velocidad. Cuanto menor sea el valor de SFC, más eficiente es el motor; es decir, menor es el combustible consumido por kWh de energía suministrada a la carga (similar a un menor coste por kWh en la factura de la luz). En el caso del motor de Nigel, los puntos de funcionamiento más eficientes son aquellos delimitados por las curvas de 230 g/kWh.

La línea azul marca la zona aproximada de máxima eficiencia

En general, a cualquier régimen dado, el punto de funcionamiento más eficiente de un motor diésel marino moderno de propulsión se da cuando el motor está sometido a una carga de aproximadamente tres cuartos de la carga máxima que puede soportar a ese régimen (la línea azul). Esto se debe, al menos en parte, a las medidas necesarias para superar las pruebas de emisiones.

También podemos expresar directamente la eficiencia mediante un mapa de eficiencia (figura siguiente). En este caso, cuanto mayor sea la cifra, más eficiente será el motor a la hora de convertir el combustible quemado en potencia en el volante de inercia. Cabe señalar que la eficiencia máxima del motor de Nigel ronda el 38 %, lo cual es habitual en un pequeño motor diésel marino. En otras palabras, incluso en su eficiencia máxima, casi dos tercios de la energía contenida en el combustible que se quema se disipa de una forma u otra en forma de calor, sin realizar ningún trabajo útil.

Mapa de eficiencia (Cortesía de SteyrMotors)

El laboratorio frente al mundo real

¿Recuerda que dijimos que el mapa de combustible desarrollado en el laboratorio no siempre se correspondía con precisión con la realidad? Las principales diferencias se producen con cargas ligeras y a bajas velocidades.

Al probar un motor en un laboratorio, normalmente se retira la bomba de agua de mar y el agua de refrigeración se suministra a través de una manguera. De este modo, se elimina la carga de la bomba de agua. En el laboratorio, el agua de refrigeración se descarga sin pérdidas de energía. En una embarcación, el agua de mar se vierte en el tubo de escape y se expulsa de la embarcación a través de un colector de agua del escape (silenciador), lo que genera cierta contrapresión que absorbe energía.

En conjunto, la bomba de agua de mar y el  colector de agua del escape (silenciador) representan una carga parásita relativamente pequeña, pero a bajas velocidades y cargas del motor esto supone un porcentaje significativo de la carga total. Las cifras de consumo de combustible registradas en el rango de funcionamiento de baja carga y bajas revoluciones, cuando el motor está instalado en una embarcación y funciona en condiciones reales, llegan a duplicar las cifras obtenidas con el mismo motor en el laboratorio. A cargas más elevadas, la carga parásita disminuye rápidamente como porcentaje de la carga total y, como resultado, las cifras de consumo de combustible en el agua se corresponden bien con las cifras de laboratorio.

Cargas de la hélice

Ahora montemos este motor en una embarcación y utilicémoslo para accionar una hélice. Normalmente, las hélices se adaptan a la embarcación de tal forma que la hélice cargue al máximo el motor cuando este se encuentra a plena potencia (WOT). En un casco de desplazamiento, como el de un velero y el de muchas embarcaciones a motor que no planean, la naturaleza de las curvas de resistencia del casco y la forma en que las hélices desarrollan la potencia necesaria para impulsar el casco a través del agua hacen que la hélice cargue el motor prácticamente tal y como se muestra en la curva de la figura siguiente. Lo interesante es que, en ningún punto de la curva, la hélice carga el motor hasta su máxima eficiencia, independientemente de la velocidad a la que esté funcionando el motor. Otro aspecto a destacar es que, hasta cerca del WOT, añadir carga por encima de la curva de la hélice —es decir, desplazar efectivamente la curva hacia arriba en el gráfico— siempre mejora la eficiencia.

Hélice «adaptada» nominalmente en un casco de desplazamiento (Cortesía de SteyrMotors)

Añadiendo la carga del alternador

Además de para propulsar la embarcación, utilizamos nuestros motores de propulsión para generar electricidad a través de uno o varios alternadores. En el caso de las embarcaciones de desplazamiento, siempre que la carga del alternador no acerque demasiado al motor a su curva de potencia máxima, cuanto mayor sea la carga del alternador que se pueda añadir a un motor durante la navegación, más eficiente se vuelve este. Esto aplica hasta las velocidades de crucero habituales, incluidas estas.

Cuanto menor sea el régimen del motor y la carga de la hélice (por ejemplo, al maniobrar en un puerto), y cuanto mayor sea la carga del alternador a estas velocidades, mayores serán las mejoras en eficiencia. Cuando se suma a la carga de la hélice, un alternador de alta potencia que aumenta su rendimiento a bajos regímenes del motor puede duplicar la eficiencia del motor (es decir, reducir a la mitad el consumo de combustible por kWh de energía suministrada a las cargas). 

Esto suena impresionante, pero dado que el consumo de combustible es bajo cuando se navega a velocidades lentas y con cargas ligeras —y supone solo una fracción del consumo a velocidades y cargas de crucero—, aunque hayamos logrado una mejora radical en la eficiencia, lamentablemente esto no suele traducirse en una reducción drástica del consumo total de combustible.

A medida que se eleva el régimen del motor y aumenta la carga de la hélice, el motor se vuelve cada vez más eficiente. La incorporación de la carga del alternador tiene un efecto cada vez menor a la hora de mejorar la eficiencia. Incluso si el alternador genera una carga adicional lo suficientemente elevada como para situar la carga combinada de la hélice y el alternador en la zona de máxima eficiencia del motor, la reducción global del consumo de combustible destinado a la propulsión será modesta.

La principal ventaja de aplicar una carga del alternador elevada radica en la generación de energía eléctrica, ya que, desde un poco por encima del régimen de ralentí hasta las velocidades de crucero habituales, incluida esta, la energía eléctrica de la embarcación se estará generando a un nivel cercano a la eficiencia máxima del motor. Esto, como veremos en un momento, supera con creces la eficiencia de generación típica de un generador independiente.

Añadiendo la carga del alternador a la carga de propulsión

La conclusión es la siguiente: cuanto más podamos aumentar la carga del alternador y cuanto menor sea la velocidad a la que podamos obtener la potencia del alternador, más eficiente será el motor tanto desde el punto de vista de la propulsión como de la generación de energía eléctrica, siempre y cuando la carga combinada de la propulsión y del alternador se mantenga por debajo del límite de plena carga. Analizamos este tema con mucho más detalle en esta lección de nuestro curso de Electricidad Marina Avanzada.

La mejora en la eficiencia se traduce en un mejor ciclo de trabajo del motor. Minimiza la formación de carbonilla en los motores con inyección convencional, reduce el mantenimiento y prolonga la vida útil del motor.

Carga de baterías estando fondeados

Veamos ahora qué ocurre cuando utilizamos un motor de propulsión para cargar las baterías mientras estamos fondeados.

Incluso con un alternador de alta potencia, se produce un enorme desajuste entre la potencia del motor y la capacidad de generación del alternador, especialmente si este debe funcionar a velocidades más altas para alcanzar su potencia nominal.

Si el alternador está cargando baterías de plomo-ácido, a medida que aumenta el estado de carga de la batería, la tasa de aceptación de carga (CAR en inglés) se reduce; el alternador ejerce una carga aún menor sobre el motor. El motor estará funcionando en la zona crónicamente ineficiente de su mapa de combustible. Un motor de inyección convencional puede sufrir daños por acumulación de carbonilla (los motores HPCR tienen un control más preciso del combustible a bajas velocidades y cargas y, por lo tanto, un mejor control de la carbonilla).

La siguiente figura está basada en datos recopilados por Nigel utilizando dos alternadores que, juntos, generaban una carga significativamente mayor de lo que es habitual. Aun así, a medida que la tasa de aceptación de carga de la batería disminuía, el consumo de combustible por kWh de energía generada pasó de más de tres veces la eficiencia máxima de su motor a casi seis veces dicha eficiencia. Parte de esto se debe a ineficiencias en los alternadores, pero en gran medida se debe a que el motor se ve obligado a funcionar en una zona crónicamente ineficiente de su mapa de combustible.

Carga de baterías estando fondeados

Más adelante en el ciclo de carga de Nigel, a medida que las baterías de plomo-ácido se acercaban a un estado de carga completo y el CAR de la batería seguía disminuyendo, la tasa de consumo de combustible se elevó a diecisiete veces la eficiencia máxima del motor. Esto es típico de una situación en la que el propietario de una embarcación intenta recargar al máximo las baterías de plomo-ácido para evitar la sulfatación (véase esta lección en nuestro curso de Electricidad Marina Básica). La siguiente figura ilustra este modo extraordinariamente ineficiente de generación de energía.

Consumo de combustible a medida que la tasa de aceptación de carga de la batería de plomo-ácido disminuye

Coste de la energía

Si calculamos el coste real de generar esta energía para cargar la batería, obtenemos unas cifras realmente impactantes. En primer lugar, debemos partir de algunas hipótesis sobre el coste de instalación de un motor y su vida útil. Dividimos el coste de instalación entre las horas de vida útil para obtener un coste de amortización por hora: lo que nos cuesta mantener el motor en funcionamiento, independientemente de si está realizando algún trabajo útil o no. 

Hemos supuesto un coste de instalación bajo, de 20.000 dólares (desde la pandemia del COVID-19, los costes de instalación han aumentado considerablemente), y hemos asignado al motor una vida útil nominal de 5.000 horas, lo que da como resultado un coste de amortización de 4 dólares por hora. A continuación, sumamos el coste del combustible consumido a cualquier velocidad y carga dadas. Hemos supuesto un coste ligeramente elevado para EE.UU., que, sin embargo, es bajo para Europa. También deberíamos incluir los costes de mantenimiento y otros gastos, pero no lo hemos hecho.

Si cambian las hipótesis, las cifras del coste de la energía variarán, pero, independientemente de cómo se calcule, el coste por kWh de energía producida es asombrosamente alto: en este ejemplo, durante un ciclo típico de carga de una batería de plomo-ácido, pasa de 6 dólares/kWh a casi 20 dólares/kWh (se trata de la misma electricidad que suministra la compañía eléctrica en los hogares por entre 10 y 20 céntimos el kWh).

Coste por kWh de la recarga de baterías de plomo-ácido mientras se está fondeado

El componente más importante de este coste es el de la amortización, no el del combustible. Suponiendo que las baterías puedan aceptar la corriente de carga, cualquier aumento en las tasas medias de carga de las baterías dará lugar a una reducción proporcional del tiempo de funcionamiento del motor, lo que reducirá drásticamente el coste de la energía generada. El aumento de la carga mejorará la eficiencia en el consumo de combustible. Duplicar la potencia media del alternador reduce, más o menos, el coste de la energía a la mitad.

Siempre que las baterías puedan soportar la potencia de salida, un alternador de alta potencia, especialmente uno que aumente su potencia a bajas revoluciones, se amortizará por sí solo gracias a la reducción de los costes de generación de energía. El motor experimentará una mejora en su ciclo de trabajo. Se obtendrán importantes ventajas en calidad de vida, gracias a la reducción de las horas de funcionamiento del motor y del mantenimiento.

Generadores

Veamos ahora la eficiencia de los generadores autónomos en comparación con la eficiencia que se obtiene cuando añadimos la carga de un generador al motor de propulsión. Afortunadamente, disponemos de una cantidad considerable de datos excelentes gracias a las exhaustivas pruebas realizadas por Victron Energy en 2007, en las que participó Nigel (gracias, Victron; consulta el informe de las pruebas aquí). Aunque estos datos son antiguos, desde el punto de vista del consumo de combustible y la eficiencia, la situación no ha cambiado mucho desde 2007. Lo que sí ha cambiado es una reducción sustancial de las emisiones de escape.

Debido a cuestiones de frecuencia en las que no es necesario entrar aquí, la mayoría de los generadores de CA deben funcionar a una velocidad fija: en Europa, a 1.500 o 3.000 rpm; en EE. UU., a 1.800 o 3.600 rpm (véase esta lección en nuestro curso de Electricidad Marina Avanzada). 

Para evitar ahogos y paradas, los generadores de CA deben dimensionarse en función de la carga máxima a la que se verán sometidos. La carga en funcionamiento suele ser una fracción de ésta y, de hecho, si la carga principal es el aire acondicionado —que es la razón principal por la que se instala un generador en una embarcación de recreo—, habrá períodos de tiempo significativos en los que el aire acondicionado se haya apagado y no haya ninguna carga sobre el generador. Como resultado, las cargas del generador suelen oscilar entre el 25 % de la potencia nominal máxima del generador y el 0 % de dicha potencia. Esto supone un consumo de combustible extraordinariamente ineficiente y constituye un ciclo de trabajo nefasto para un motor, lo que eleva los costes de mantenimiento y reduce su vida útil. Una causa habitual de avería en los generadores es la acumulación de carbonilla (wet stacking) derivada de este tipo de funcionamiento prolongado a baja carga.

Eficiencia de los generadores de CA

La siguiente figura muestra el motor de Nigel utilizado como generador de CA. A la izquierda se ve un generador europeo y a la derecha, uno estadounidense. Teniendo en cuenta la potencia máxima nominal de 55 kW/75 hp del motor D2-75 de Nigel, estos generadores tendrían una potencia nominal de unos 22 kW en el caso de la versión europea y de 27 kW en el de la versión estadounidense, por lo que serían mucho más potentes de lo que necesitamos en la mayoría de las embarcaciones; no obstante, supongamos por ahora que tenemos picos de carga tan elevados como estos.

Nuestras cargas en funcionamiento suelen situarse entre el 0 % y el 25 % de la carga, lo que nos sitúa en la parte inferior del mapa de consumo de combustible, por debajo de la línea punteada, en una zona en la que el consumo real de combustible es significativamente superior al consumo de laboratorio; en otras palabras, los generadores son considerablemente más ineficientes de lo que el mapa de consumo de combustible sugiere.

Motor D2-75 utilizado como generador de CA a 50 Hz y a 60 Hz

Podemos comprobar lo ineficiente que resulta este rango de funcionamiento analizando algunos de los datos de Victron.

Consumo específico de combustible (SFC) en función de la potencia (en kW) de 11 generadores de corriente alterna muy comunes

En la figura se muestran los datos recopilados de once generadores populares con potencias nominales comprendidas entre 4 kW y 8 kW. En la parte inferior del gráfico se muestra la carga, de 0 a 8 kW. En el lado vertical del gráfico se muestra el consumo específico de combustible (SFC): la cantidad de combustible quemado por cada kWh de potencia de salida de los generadores (es decir, incluye el combustible desperdiciado debido a las ineficiencias en el sistema eléctrico de los propios generadores). El recuadro indica el rango de funcionamiento típico de un generador de CA a bordo. El SFC aumenta de unos 1.000 g/kWh a más de 1.500 g/kWh y, de hecho, es infinito si un aparato de aire acondicionado se apaga sin que haya otras cargas conectadas al generador.

Recuerde que la eficiencia máxima del motor D2-75 de Nigel es de 230 g/kWh. La mayoría de los motores que impulsan generadores de tamaño pequeño a mediano tienen eficiencias máximas similares. Tenemos cifras de consumo de combustible, expresadas en términos de la energía eléctrica suministrada a la embarcación, que parten de un valor cuatro veces superior al que observaríamos con la eficiencia máxima del motor y llegan a ser seis veces superiores o más —es decir, sorprendentemente ineficientes—.

Estas cifras de consumo de combustible son varias veces superiores a las que se obtendrían si la misma energía se generara mediante un alternador acoplado a un motor de propulsión mientras la embarcación está navegando a motor (o sea, no cargando la batería durante un fondeo).

Coste de la energía

Si realizamos los mismos cálculos del coste de la energía que hicimos para la recarga de la batería fondeados, independientemente de las hipótesis que planteemos sobre el coste de instalación del generador, su vida útil, el coste del combustible y otras variables (como la eficiencia eléctrica del generador), el coste de la energía vuelve a ser extraordinariamente elevado. En la mayoría de las embarcaciones de recreo y los generadores pequeños, es probable que se sitúe a partir de 3 dólares por kWh, y no es raro que alcance los 10 dólares por kWh.

En la siguiente figura, basada en datos anteriores a la pandemia de COVID-19, hemos supuesto un coste de instalación de 10.000 dólares, lo que supone menos de la mitad de lo que suele costar actualmente, con una vida útil del generador de 3.000 horas, cifra que parece baja pero que no es infrecuente en los generadores de embarcaciones debido a su exigente ciclo de trabajo. El coste estimado del combustible es elevado para EE. UU. y bajo para Europa.

Coste de la energía generada por un generador de corriente alterna

La importancia de los ciclos de trabajo

Lo que a estas alturas debería quedar muy claro es que, para garantizar un funcionamiento eficiente, una larga vida útil y un bajo coste de la energía producida por un motor diésel, este debe estar bien cargado cada vez que se pone en marcha y, si no puede estarlo, no debe ponerse en marcha. Lamentablemente, la forma en que utilizamos estos motores en las embarcaciones a menudo no genera las cargas necesarias.

Si el ciclo de trabajo es deficiente, es necesario revisar sus prácticas de funcionamiento. Por ejemplo, evite mantener el motor al ralentí mientras esté amarrado. Busque formas de generar energía eléctrica durante la navegación, en lugar de cargar la batería cuando está fondeado. Si es necesario, aumente la capacidad del banco de baterías e instale un alternador de alta potencia para aumentar la cantidad de energía que se puede generar y almacenar durante la navegación, y minimizar así la cantidad que debe generarse cuando está fondeado. Si es posible, nunca utilice el motor de propulsión para cargar la batería cuando esté fondeado. Incorpore tantos paneles solares como sea posible para reducir la carga cuando esté fondeado.

Un gran banco de baterías con una alta tasa de aceptación de carga, acoplado a un inversor de CC a CA, es la clave para optimizar el uso del generador. En lugar de hacer funcionar el generador con una carga ligera durante largas horas, este se pone en marcha durante períodos mucho más cortos con una carga más elevada. Entre los periodos de funcionamiento del generador, el sistema de CA se alimenta a través del inversor.

La carga ideal para el generador típico que se encuentra en las embarcaciones de recreo se sitúa entre el 50 % y el 70 % de su potencia nominal. Por encima del 50 %, se encontrará en el rango de funcionamiento en el que alcanza, o se acerca a, su máxima eficiencia, mientras que al mantenerlo por debajo del 70 % la mayor parte del tiempo se evitará sobrecargarlo (la mayoría de los generadores de las embarcaciones de recreo están diseñados para un funcionamiento intermitente, no continuo, a su potencia nominal).

Combinar la gestión de la carga con un generador más pequeño de lo habitual (con una potencia nominal inferior) suele mejorar considerablemente el ciclo de trabajo. El uso sincronizado de inversores puede reducir el tamaño necesario de los generadores, aumentar la carga media y, en general, mejorar sustancialmente la eficiencia del funcionamiento del generador. Este no es el lugar adecuado para abordar esta tecnología (lo hacemos en nuestro curso de Electricida marina Avanzada), pero merece la pena explorarla para cualquier embarcación con mayores necesidades de energía eléctrica.

Limpie la hélice y reduzca la velocidad

Durante la navegación, hay dos medidas adicionales sencillas que pueden reducir drásticamente el consumo de combustible: ¡limpie la hélice y reduzca la velocidad!

Hélice con incrustaciones

Nigel llevó a cabo una serie de experimentos en los que recopiló datos sobre el consumo de combustible con una hélice limpia; a continuación, desmontó la hélice y la dejó colgando en el agua hasta que acumuló un puñado de percebes. Volvió a montar la hélice y repitió las pruebas de consumo de combustible. Los resultados se muestran en la figura, que representa gráficamente las tasas de consumo de combustible (en litros por hora) en función de la velocidad de la embarcación. Hay dos pruebas con la hélice limpia, cuyos resultados son muy similares entre sí, y a continuación se representa una única prueba con la hélice sucia.

Índices de consumo de combustible con una hélice limpia frente a una hélice parcialmente incrustada

Para una velocidad determinada de la embarcación, el consumo de combustible aumenta en torno a un 50%, y más, si hay incrustaciones en la hélice. Para un consumo de combustible determinado, la velocidad de la embarcación disminuye en torno a 1 nudo si hay percebes. Estos cambios drásticos se producen porque una pala de hélice funciona de forma muy similar a un ala de avión. Cualquier cosa que interrumpa el flujo uniforme del agua sobre la pala tiene un grave impacto negativo en la eficiencia de la hélice.

¡Reduzca la velocidad!

Los datos de la siguiente figura también los recopiló Nigel, utilizando una hélice limpia instalada en su Nada, navegando a motor en aguas tranquilas y sin viento. Incluyen la velocidad de la embarcación, las tasas de consumo de combustible, el SFC y los litros de combustible consumidos por milla recorrida. El motor del Nada se hace funcionar desde el ralentí hasta la velocidad máxima.

Datos de rendimiento de «Nada», desde el régimen de ralentí hasta la velocidad máxima

Como era de esperar, la eficiencia del motor es menor a régimen de ralentí (675 g/kWh) y alcanza su máximo a regímenes y cargas más elevados (262 g/kWh a 2.570 rpm del motor y 8,01 nudos de velocidad de la embarcación). A plena potencia (WOT), la eficiencia va disminuyendo (300 g/kWh). Cabe señalar que la eficiencia máxima de 262 g/kWh es inferior a la eficiencia máxima de 230 g/kWh medida en el laboratorio. Esto se debe a las pérdidas parásitas del sistema de agua de mar ya mencionadas y a las pérdidas en la transmisión.

Aquí viene lo realmente interesante. A 822 rpm del motor, una velocidad de 2,87 nudos y una eficiencia de 675 g/kWh, el «Nada» consume 0,27 litros de gasóleo por milla. A 2.570 rpm del motor, una velocidad de 8,01 nudos y una eficiencia de 262 g/kWh, el «Nada» consume 1,27 litros de gasóleo por milla. A la velocidad más alta, el motor funciona dos veces y media más eficientemente que a la velocidad más baja, pero consume casi cinco veces más combustible por milla. ¿Cómo es posible ser más eficiente y, sin embargo, consumir más combustible por milla?

La respuesta radica en la naturaleza de las curvas de resistencia del casco en los cascos de desplazamiento (los barcos que planean son un caso aparte). A medida que aumenta la velocidad del barco en el agua, la resistencia por formación de olas se incrementa rápidamente. Esta resistencia aumenta considerablemente más rápido que el ritmo al que se produce la mejora en la eficiencia del combustible. Como resultado, independientemente de la mejora en la eficiencia, el consumo por milla aumenta.

En términos generales, en la mayoría de los cascos de desplazamiento, reducir la velocidad en uno o dos nudos por debajo de la velocidad máxima alcanzada a plena potencia reducirá el consumo de combustible por milla en un cincuenta por ciento. Además, esto dará lugar a una carga casi óptima del motor.

Resumen

A los motores diésel les conviene funcionar a un régimen bastante elevado, tanto desde el punto de vista de la eficiencia como para minimizar el mantenimiento y optimizar su vida útil. El objetivo de carga ideal para un motor con una clasificación de servicio recreativo (o sea intermitente) se sitúa entre el 50 % y el 70 % de la curva de plena carga a cualquier régimen dado. El único momento en que una hélice en un casco de desplazamiento aplica este tipo de carga es cuando el motor se acerca al régimen máximo (WOT). La mayoría de los generadores de las embarcaciones tampoco suelen funcionar de forma constante a estas cargas.

En cambio, son demasiados los motores y generadores de embarcaciones que funcionan a bajas revoluciones y/o con cargas ligeras, y a menudo durante períodos cortos que no permiten que el motor se caliente por completo. Especialmente en el caso de los motores de inyección mecánica, esto es una receta para la acumulación de carbonilla, la formación de depósitos húmedos y una vida que, en palabras de Thomas Hobbes, el filósofo del siglo XVIII, es «desagradable, tosca y corta».

Los peores infractores son los propietarios de veleros que utilizan el motor solo para maniobrar al entrar y salir de los amarres o puertos, para echar y levar el ancla, y para recargar la batería mientras están fondeados, pero poco más. Con un motor de inyección convencional, si este es el modo de funcionamiento predominante, de vez en cuando, mientras se navega, hay que llevar el motor a plena potencia (WOT), o al menos al 80 % de la plena potencia, y mantenerlo así durante media hora. Esto eliminará parte de la carbonilla antes de que se incruste demasiado.

Y luego están todos esos propietarios de generadores que los mantienen en marcha toda la noche para utilizar el aire acondicionado de forma intermitente. Mejorar el ciclo de trabajo requiere replantearse de forma fundamental la generación, el almacenamiento y el uso de la energía en la embarcación. Tratamos este tema en nuestros cursos sobre Electricidad Marina Básica y Electricidad Marina Avanzada.

En general, cualquier medida que aumente las cargas medias y reduzca las horas de funcionamiento del motor reportará importantes beneficios en términos de eficiencia y, sobre todo, de reducción del coste energético. Y si quiere maximizar el ahorro de combustible, ¡limpie la hélice y reduzca la velocidad!

Eficiencia de la hélice

En este curso no abordamos la eficiencia de la hélice. Sin embargo, cabe señalar que, en el caso de los cascos de desplazamiento, cuanto mayor es el diámetro de la hélice y más lentamente gira, más eficiente tiende a ser.

En la foto vemos un motor diésel que tiene casi 100 años, pesa 10 toneladas y suministra tan solo 82 kW/110 hp al barco Elmore en el que está instalado. Es obvio que no va a ser ni de lejos tan eficiente como un motor diésel moderno. No obstante, impulsar el Elmore de 150 toneladas a 8 nudos, consume aproximadamente la misma cantidad de combustible que el Yanmar de 82 kW/110 hp del último barco de Nigel, que pesaba 18 toneladas, cuando el barco también navegaba a 8 nudos.

¿Cómo es posible? Parte de la respuesta radica en dos factores: el diámetro de la hélice y las revoluciones por minuto (rpm). El Elmore cuenta con una hélice de 1,5 m/60” de diámetro y una velocidad máxima del eje de 325 rpm. El barco de Nigel tenía una hélice de 550 mm/22” de diámetro (limitada por la abertura del barco) con una velocidad máxima del eje cercana a las 1.200 rpm. La hélice más grande y de giro más lento es considerablemente más eficiente que la hélice más pequeña y de alta velocidad que se encuentra en la mayoría de los motores diésel modernos y ligeros.

Para ponerlo en perspectiva, los buques portacontenedores tienen hélices de hasta 9 m (30 pies) de diámetro con una velocidad máxima de 60 rpm. Mientras que nuestras hélices pequeñas y de alta velocidad rara vez tienen una eficiencia muy superior al 50% y a menudo están por debajo de este valor, estas hélices grandes y de giro lento alcanzan una eficiencia de hasta el 80%.

{"email":"Email address invalid","url":"Website address invalid","required":"Required field missing"}
>