Fuera diésel, entrada electricidad: los motores están recordando los sistemas de energía de los barcos

​La industria naviera mundial se encuentra en un punto de inflexión histórico. Con la aplicación de regulaciones cada vez más estrictas sobre emisiones de carbono por parte de la Organización Marítima Internacional (OMI) y un imperativo global para el transporte marítimo sostenible, el sistema de energía tradicional de los motores diésel está experimentando una profunda transformación. En el centro de este cambio está el auge de los sistemas de propulsión eléctrica y la tecnología de motores, que están redefiniendo fundamentalmente la arquitectura energética de los buques y dirigiendo la industria hacia un futuro más eficiente y limpio.

​Cambio de paradigma: de la transmisión mecánica a la propulsión eléctrica integrada​

Durante más de un siglo, los motores diésel han dominado como fuente absoluta de energía para los barcos, valorados por su fiabilidad y alta densidad de potencia. Sin embargo, sus desventajas son evidentes: altas emisiones, ruido significativo, potencial limitado para la optimización energética y el diseño inflexible de complejos sistemas de transmisión mecánica.

Los modernos sistemas de propulsión eléctrica han revolucionado este panorama. Su principio fundamental es la separación entre generación de energía y propulsión:

• Los motores primarios (como los motores diésel, las turbinas de gas e incluso las pilas de combustible) se centran en la generación eficiente de electricidad.

• La energía eléctrica se distribuye de forma flexible por todo el barco a través de una red eléctrica.

• Los motores actúan como actuadores finales, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica para impulsar hélices o diversas maquinarias auxiliares.

Este "sistema de energía integrado" ofrece ventajas revolucionarias: diseño extremadamente flexible, eficiencia energética significativamente mejorada, allana el camino para nuevas fuentes de energía como baterías de litio e hidrógeno, y mejora enormemente la maniobrabilidad y el confort del barco.

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Core Power: innovación diversificada en motores marinos​

Los motores ya no son simples dispositivos de potencia, sino componentes centrales altamente especializados adaptados a los distintos requisitos funcionales del barco. El rendimiento superior de los sistemas de propulsión eléctrica se basa en esta tecnología de motor diversificada:

• ​Principales motores de propulsión: el "corazón eléctrico" del barco​

  Como fuente de energía que reemplaza al motor principal para impulsar directamente la hélice, los motores de propulsión modernos pueden alcanzar potencias nominales de decenas de megavatios. Para ofrecer un empuje masivo dentro del espacio limitado de la sala de máquinas, a menudo emplean fuentes de alimentación de voltaje medio (por ejemplo, 3,3 kV, 6,6 kV, 11 kV), diseños multipolares de baja velocidad e integran tecnologías avanzadas de refrigeración por agua o refrigeración híbrida. Por ejemplo, el esquema de enfriamiento compuesto de "circulación interna + circulación externa" adoptado por algunos fabricantes líderes ha abordado con éxito los desafíos de disipación de calor a altas densidades de potencia, reduciendo sustancialmente el volumen y el peso del motor y al mismo tiempo aumentando significativamente la densidad de potencia, satisfaciendo las estrictas demandas de sistemas de propulsión compactos en grandes cruceros y portacontenedores.

• ​Motores de maniobra y posicionamiento: ágiles "timoneles eléctricos"​

  Esto incluye motores para hélices de proa y hélices azimutales (Azipod®). Estos motores enfatizan un alto par, una rápida respuesta dinámica y un control preciso para permitir un manejo ágil del barco y un posicionamiento dinámico (DP). Por lo general, presentan estructuras verticales con una adaptabilidad ambiental excepcional, capaces de funcionar de manera estable en condiciones de alta vibración, humedad e incluso frío extremo.

• ​Motores de equipos auxiliares: las "piedras angulares silenciosas" del sistema para todo el barco​

  Desde bombas y ventiladores hasta compresores y maquinaria de cubierta, los equipos auxiliares de todo el barco están cada vez más impulsados ​​por motores de alta eficiencia. La tendencia es hacia motores de inducción o de imanes permanentes controlados por variadores de frecuencia, que permiten el suministro de energía bajo demanda. Esto elimina el desperdicio de energía que supone "usar un motor grande para una carga pequeña" y es clave para reducir el consumo de energía de la "carga de hotel" del barco.

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Escenarios de aplicación de motores marinos​

Una amplia variedad de motores, que se cuentan por cientos o incluso miles, se instalan en grandes embarcaciones y desempeñan funciones fundamentales en la propulsión, las maniobras y varios sistemas auxiliares. Por ejemplo, el primer gran crucero construido en China está equipado con más de 20.000 juegos de equipos de motor, que cubren 136 subsistemas, desde HVAC hasta bombas contra incendios.

La navegación segura y las operaciones diarias dependen en gran medida del funcionamiento normal de estos motores. Una falla en cualquier motor puede afectar el sistema de propulsión o el equipo crítico, poniendo potencialmente en peligro el viaje. Por lo tanto, generalmente se requiere que los motores marinos posean una alta confiabilidad y la capacidad de soportar ambientes hostiles. Debido a la alta humedad, la corrosión por niebla salina y las intensas vibraciones y golpes en el mar, los motores marinos deben incorporar diseños especiales para impermeabilizarlos, resistir la corrosión y las vibraciones.

Muchos motores marinos funcionan continuamente durante todo el año en ambientes húmedos y vibrantes. Un mantenimiento inadecuado puede provocar fallos como el envejecimiento del aislamiento o el desgaste de los rodamientos. El diseño y el uso deben enfatizar la inspección regular, el mantenimiento, la refrigeración mejorada y el aislamiento de vibraciones para garantizar un funcionamiento estable y confiable del motor. Los motores marinos se utilizan ampliamente en propulsión principal, unidades de propulsión eléctrica, propulsores/propulsores de proa, maquinaria de cubierta, bombas, HVAC y otros escenarios. Su desempeño está directamente relacionado con el desempeño general y la seguridad del buque.

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Frontera tecnológica: impulsando el futuro del transporte marítimo ecológico​

Actualmente, el desarrollo tecnológico en ​motores​ marinos y ​sistemas de propulsión eléctrica​ se centra en tres direcciones principales:

• ​Eficiencia ultraalta y magnetización permanente​

  Mejorar la eficiencia de los motores es un camino directo hacia la reducción de emisiones. Los motores ultraeficientes de clase IE4/IE5 se han convertido en la opción preferida para las nuevas construcciones. Entre ellos, los ​motores síncronos de imanes permanentes (PMSM), con su alta densidad de potencia, alta eficiencia y alto rendimiento de torque, están ganando rápido impulso en la propulsión y generación de energía, convirtiéndose en el núcleo de la nueva generación de "energía verde".

• ​Integración de sistemas e inteligencia​

  Los modernos sistemas de propulsión eléctrica son conjuntos altamente integrados. Los motores están profundamente integrados con convertidores de frecuencia, transformadores y sistemas de gestión de energía (EMS). Los sistemas de monitoreo inteligentes basados ​​en gemelos digitales y el Internet de las cosas (IoT) pueden analizar el estado del motor en tiempo real, permitiendo el mantenimiento predictivo y maximizando la confiabilidad y eficiencia operativa.

• ​Adaptación a diversas fuentes de energía​

  La energía de los barcos del futuro será híbrida. ​Los sistemas de propulsión eléctrica, debido a su compatibilidad inherente, pueden integrar perfectamente generación diésel, baterías de litio, pilas de combustible e incluso energía costera. Los motores, que actúan como puerto de salida de energía unificado, permiten a los barcos lograr un rendimiento de propulsión óptimo independientemente de la fuente de energía primaria utilizada.

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Tipos y Características Técnicas de Motores Marinos:​​

Según las distintas necesidades de los sistemas de los barcos, los motores marinos han evolucionado hasta convertirse en numerosos tipos especializados:

• ​Motores de propulsión principales:​​ Sirviendo como principal fuente de energía de propulsión para los buques, su rango de potencia puede alcanzar varios megavatios. Por lo general, se trata de motores de alto voltaje y alta potencia, con niveles de voltaje estándar que incluyen 690 V, 3 kV, 6 kV, 10 kV y potencias nominales que alcanzan miles o incluso decenas de miles de kilovatios. Para ofrecer una potencia inmensa en un espacio limitado, los motores de propulsión suelen utilizar diseños de polos altos y baja velocidad (750 ~ 1200 rpm) y métodos de refrigeración eficientes. La mayoría de los grandes motores de propulsión convencionales están equipados con sistemas de refrigeración por agua o compuestos para mejorar la eficiencia de disipación de calor. Cierto tipo de motor de propulsión desarrollado por fabricantes nacionales fue pionero en una tecnología de enfriamiento cruzado híbrido de "circulación interna + circulación externa + aire + agua de mar". Esto resolvió con éxito los cuellos de botella en la disipación de calor para motores de alta corriente y alta potencia en condiciones de bajo voltaje, reduciendo el peso y el volumen de los motores de la misma potencia al 60% del original y mejorando la eficiencia general en aproximadamente un 20%. Estos diseños innovadores mejoran eficazmente la densidad de potencia del motor, satisfaciendo las estrictas demandas de los grandes cruceros y otras embarcaciones de motores de propulsión compactos y de alta potencia.

• ​Motores de maniobra y posicionamiento de barcos:​​ Estos incluyen motores para hélices de proa (propulsores laterales) y propulsores azimutales (Azipod). Estos motores suelen presentar instalación vertical y diseños de alto par de salida, enfatizando el rendimiento de regulación de velocidad y arranque rápido para cumplir con los requisitos de maniobrabilidad del barco. Deben poseer una excelente tolerancia a la humedad, a las vibraciones y a las bajas temperaturas para resistir lugares propensos a la humedad y los impactos, como los compartimentos de proa, y seguir siendo fiables incluso en condiciones de hielo durante la navegación polar. Estructuralmente, estos motores suelen ser compactos para una fácil instalación en espacios limitados del casco y un mantenimiento conveniente.

• ​Motores de equipos auxiliares:​​ Una gran cantidad de equipos auxiliares a bordo, incluidas diversas bombas, ventiladores, compresores y grúas de cabrestante, son accionados por motores eléctricos de tamaño pequeño y mediano. Se dividen en categorías de bajo y alto voltaje según los requisitos de carga. Los motores auxiliares de bajo voltaje se encuentran en su mayoría en el rango de voltaje de 380 a 690 V, con potencia desde varios kilovatios hasta varios cientos de kilovatios, y generalmente presentan una construcción totalmente cerrada y refrigerada por ventilador (TEFC), que enfatiza la simplicidad y la confiabilidad. Los motores auxiliares de alto voltaje generalmente funcionan entre 3 y 6 kV, con una potencia de hasta varios miles de kilovatios, y se utilizan para aplicaciones de servicio pesado, como grandes equipos de bombeo y compresión. Por lo general, emplean diseños de refrigeración mejorados, como ventilación por conductos o refrigeración por agua. Ciertos entornos especiales, como áreas de salas de máquinas de alta temperatura o bombas sumergidas, requieren motores especializados con camisas de refrigeración por agua o gabinetes a prueba de explosiones para garantizar un funcionamiento seguro en condiciones de alta temperatura, a prueba de explosiones o bajo el agua. Con los avances tecnológicos, están entrando en uso práctico nuevas formas de motores marinos, incluidos PMSM para propulsión y generación de energía, motores de alta velocidad para auxiliares específicos y motores de CC en embarcaciones para fines especiales. Esta diversa gama de productos permite a una empresa líder cubrir a menudo una línea de productos de más de 30 series y 2000 variedades de motores marinos para satisfacer las necesidades de diversos barcos.

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Tendencias de desarrollo de la tecnología de motores marinos:​

Actualmente, la industria de motores marinos está acelerando la innovación en torno a tres direcciones principales: eficiencia, tecnología verde e inteligencia, con varias nuevas tecnologías y colaboraciones surgiendo:

• ​Motores de clase de alta eficiencia, ahorro de energía y eficiencia ultraalta:​Mejorar la eficiencia del motor para reducir el consumo de energía y las emisiones es una tendencia principal de la industria. A nivel internacional, se han introducido productos de motores ultraeficientes de clase IE5, cuya eficiencia supera con creces a los motores tradicionales, acelerando la transformación de ahorro de energía de la industria de la construcción naval.

• ​Motores síncronos de imanes permanentes y nuevas topologías de motores:​Debido a su alta eficiencia, alta densidad de potencia y buen rendimiento de regulación de velocidad, los motores de imanes permanentes están recibiendo cada vez más atención en la industria marítima. Especialmente en los grandes sistemas de propulsión totalmente eléctricos o híbridos, los PMSM de clase megavatios se están convirtiendo gradualmente en equipos centrales. Las empresas nacionales también han logrado avances importantes y sus productos cumplen plenamente los estrictos requisitos de clasificación. En comparación con los motores tradicionales, estos motores de imanes permanentes de alta potencia ofrecen ventajas sobresalientes, como alta eficiencia, ahorro de energía, alta densidad de potencia y operación estable, lo que reduce efectivamente el consumo general de energía de la embarcación y las emisiones de carbono, alineándose con la demanda de la era de un desarrollo sustentable de la industria portuaria y naviera. En aplicaciones prácticas, el uso de PMSM para escenarios como la generación de ejes puede mejorar significativamente la eficiencia en la utilización de energía. Las pruebas muestran que agregar un generador de eje de imán permanente de clase 3MW puede ahorrar entre un 4% y un 10% del consumo de combustible de todo el barco. En el futuro, con los avances en los materiales magnéticos y la tecnología de control, se espera que los PMSM vean una aplicación más amplia en la propulsión principal, la propulsión eléctrica y la maquinaria auxiliar de gran tamaño, convirtiéndose en un pilar vital del "poder verde" del barco.

• ​Tecnologías especiales de refrigeración y materiales:​​ Para abordar el desafío de aumentar la potencia dentro del espacio limitado de los barcos, la industria está innovando en materiales y refrigeración de motores. El motor de refrigeración híbrido antes mencionado es un ejemplo, donde los diseños inteligentes de combinación de ruta de aire y refrigeración por agua reducen significativamente el volumen de potencia unitaria del motor, satisfaciendo la necesidad de instalar motores de alta potencia en las estrechas salas de máquinas de los grandes cruceros. La alta niebla salina y las variaciones de temperatura del entorno marino también están impulsando mejoras en los materiales de protección de la fabricación de motores. Las empresas están invirtiendo mucho en I+D para resolver problemas relacionados con la adhesión y la vida útil de los recubrimientos anticorrosivos, desarrollando recubrimientos de "armadura anticorrosión" resistentes a la niebla salina, lo que mejora en gran medida la confiabilidad a largo plazo de los motores en ambientes marinos.

• ​Inteligencia y Digitalización:​​ A medida que los barcos modernos persiguen cada vez más operaciones inteligentes, los motores marinos también están evolucionando hacia la monitorización y el control inteligentes. Los principales fabricantes de motores están colaborando con astilleros y empresas eléctricas para desarrollar dispositivos de protección y monitoreo de motores basados ​​en IoT. Estos integran los datos operativos del motor en el sistema de gestión de eficiencia energética del barco, lo que permite el monitoreo en tiempo real y la alerta temprana del estado del motor.

• ​Colaboración industrial y certificación estándar:​​ Las elevadas barreras técnicas y las exigencias de personalización de la industria de motores marinos están haciendo que la colaboración entre empresas y con organismos autorizados sea una tendencia. Los integradores de sistemas completos, proveedores de equipos y fabricantes de motores están fortaleciendo el desarrollo colaborativo.

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Conclusión: la marea irreversible de la propulsión eléctrica​

"Diesel Out, Electric In" no es sólo un eslogan sino una realidad que se extiende en toda la flota mundial. Desde cruceros de lujo y grandes ferries hasta buques de alta mar e incluso cargueros transoceánicos, los sistemas de propulsión eléctrica, con su flexibilidad incomparable, ventajas de eficiencia y potencial ambiental, se están convirtiendo en el estándar en el diseño de barcos modernos.

Los motores, que sirven como "músculos y articulaciones" de este sistema, con cada avance tecnológico (mayor densidad de potencia, mayor adaptabilidad ambiental, control más inteligente) están impulsando esta revolución a dimensiones más profundas y amplias. Para los propietarios de buques, astilleros y diseñadores, comprender y adoptar la tecnología de propulsión eléctrica ya no es sólo una opción para el cumplimiento normativo, sino una necesidad estratégica para ganar en la futura competencia del mercado. El futuro eléctrico del transporte marítimo ya ha hecho sonar la bocina y zarpó.