Seis preguntas sobre la descarbonización del Sector Marítimo
Trabajo de Rafael Gutiérrez Fraile y Rubén López Pulido, ingenieros navales y miembros del Comité de Asuntos Marítimos y Marinos del Instituto de la Ingeniería de España.
¿EVOLUCIÓN O REVOLUCIÓN?
El sector marítimo supone aproximadamente un 3% de las emisiones mundiales de CO2. No siendo una proporción alta, es lo suficientemente grande para que exista una demanda social y una presión política para reducir estas emisiones en línea con los objetivos mundiales de descarbonización de las actividades humanas.
Los objetivos de emisiones de CO2 desde buques establecidos por la Organización Marítima Internacional (OMI) aspiran a que en 2050 se emita sólo el 50% de lo que se emitía en 2008, al tiempo que se contempla un crecimiento de la flota mundial del orden del 100% hasta esa fecha. Una sencilla regla de tres indica que, para llegar a eso, el buque medio deberá emitir solamente el 25% de lo que hacía su equivalente en 2008.
Hay que señalar que otras partes interesadas aspiran a que la reducción sea total, que en 2050 el mundo marítimo, en toda su variedad, sea neutro en emisiones de CO2; emisiones cero. Por tanto, el objetivo señalado por la OMI es probablemente el mínimo cambio al que las industrias marítimas deberán adaptarse en los próximos 30 años.
Las mejoras evolutivas previsibles tanto en el campo de la hidrodinámica como de las tecnologías de propulsión y de ahorro energético a bordo, indican claramente que, por esa vía evolutiva, sin cambios revolucionarios, no será posible llegar a la reducción del 75% de consumo necesaria para reducir las emisiones de CO2 como es el objetivo.
Ni siquiera con reducciones significativas de las velocidades operativas de los buques, sumadas a las citadas mejoras evolutivas, sumadas además al uso de velas, aerogeneradores, paneles FV en los buques, se podrán alcanzar esos objetivos. Por tanto, va a ser necesaria una revolución tecnológica para que los nuevos buques con los que se va renovando la flota existente y aumentando la flota de aquí a 2050 tengan emisiones netas de CO2 cada vez menores, o a ser posible nulas.
La naturaleza de esa revolución dependerá de la respuesta que se vaya dando a una serie de preguntas.
¿HIDRÓGENO U OTROS COMBUSTIBLES?
A día de hoy, la inmensa mayoría de los buques del mundo están propulsados por motores diésel alimentados con combustible líquido, que en términos generales llamaremos gasoil marino.
Un camino hacia la descarbonización es utilizar en estos motores combustibles no fósiles, con propiedades físicas o químicas similares al gasoil marino, pero fabricados artificialmente, con CO2 extraído de la atmósfera por dos caminos. El primero es utilizar la fotosíntesis o la descomposición de productos orgánicos, dando lugar a los llamados biocombustibles; biogás, biometanol, bioetanol y biodiésel.
El segundo grupo de combustibles alternativos sería el fabricado artificialmente en procesos alimentados por energías renovables dando lugar a los llamados electrocombustibles; hidrógeno, amoniaco, e-metano, e-metanol y otros.
Varios de los biocombustibles y e-combustibles distintos del hidrógeno, pueden a su vez usarse como vectores de hidrógeno para facilitar el transporte y luego extraer de ellos el hidrógeno que contienen mediante procesos llamados de reformado.
Todas estas alternativas se dividen, desde el punto de vista de la tecnología propulsiva de buques, en solamente dos: hidrógeno u otros combustibles. El motivo es que sólo con hidrógeno puro se pueden alimentar las celdas de combustible que generan electricidad sin emisiones de CO2 y alimentan motores eléctricos para propulsión y otros servicios del buque.
Todos los demás combustibles, o bien se reforman para extraer el hidrógeno y usarlo como tal, o deben usarse en combinación con motores diésel derivados de los actuales.
La apuesta de la UE y de España es por una sociedad basada en la electricidad de fuentes renovables para la mayoría de las aplicaciones, y por el hidrógeno como vector energético para aplicaciones móviles no electrificables, entre ellas y principalmente, el transporte marítimo, aéreo y una parte del terrestre. Sectores éstos a los que las baterías eléctricas no es probable que puedan dar soluciones, por no tener la densidad de almacenamiento de energía que se necesita en la mayoría de los casos.
La solución para el transporte marítimo no tiene por qué ser única, pero la o las que se impongan a largo plazo lo serán principalmente por motivos económicos y de seguridad operativa.
¿MOTORES O CELDAS DE COMBUSTIBLE?
Los motores diésel son capaces de adaptarse a quemar muchos tipos de combustible. Ante la previsible prohibición o limitaciones a uso del gasoil marino en el futuro, los diseñadores y fabricantes ya están haciendo pruebas para homologarlos con los que podrían ser los combustibles del futuro; hidrógeno, gas natural o metano, LPG, metanol, etanol, biodiésel y amoniaco.
Para el motor, lo importante son las propiedades físicas y químicas del combustible, no su origen. Da casi lo mismo usar metanol de origen fósil, bio-metanol o e-metanol, por poner un ejemplo. Los motores actuales ya pueden quemar, y queman gas natural, LPG o metanol. Los retos actuales van en la dirección de adaptarlos para usar hidrógeno o amoniaco, por ejemplo.
Por tanto, los motores adaptados a los nuevos combustibles con emisiones netas cero de CO2, serán, o mejor serían, una alternativa viable y que, hasta cierto punto, significarían una revolución menor intensa en el desarrollo de los buques futuros. Revolución menor pero no pequeña, porque no es lo mismo transportar a bordo u usar gasoil marino, sobre lo que hay una experiencia de más de 100 años, que usar metanol, que es tóxico y mucho más inflamable que el gasoil, o amoniaco, aún más tóxico aunque menos inflamable.
La alternativa a los motores son -hoy por hoy- las celdas de combustible. Sus ventajas son el mayor rendimiento o menor consumo, así como la sencillez mecánica, con menos partes móviles y menos mantenimiento. Las potencias disponibles van en aumento y ya se acercan a las necesarias para aplicaciones navales. Su principal desventaja hoy es el coste, la inversión necesaria.
Menos partes móviles no significa que los buques con celdas de combustible y motores eléctricos vayan a ser más sencillos, porque o transportan el H2 en forma líquida a -253 ºC, o lo llevan comprimido a muy altas presiones, o lo llevan líquido en forma de metanol, amoniaco, etc. y llevan a bordo un equipo de reformado para separar el H2 cuando se vaya a consumir. Todo ello impacta fuertemente en el diseño y equipado del buque, así como en su coste y operación.
Por tanto, los buques del futuro podrían decantarse por los motores o por las celdas de combustible, dependiendo de la evolución tecnológicas, los costes, la logística de combustibles y las consideraciones operativas. También es probable que la solución óptima dependa del uso del buque y de la zona geográfica de operación. Por tanto, aún es pronto para vaticinar el futuro.
¿COMBUSTIBLE LÍQUIDO O GASEOSO?
Entre los combustibles gaseosos encontramos el hidrógeno, el bio-metano, el e-metano, los LPG y el amoniaco. Todos los demás son líquidos a temperatura ambiente.
La ventaja de transportar los combustibles en forma líquida es muy importante. Salvo casos excepcionales, tanto el gas natural, como los LPG, como el amoniaco, se transportan por mar en forma de líquidos refrigerados. Esto es así porque permite una mayor densidad energética, es decir, ocupa un volumen menor y por tanto resta menos espacio a la carga o el pasaje. A pesar de la dificultad que presentan los -253ºC, lo más probable es que con el hidrógeno también sea así, aunque no es descartable el transporte a altas presiones, o quizás una combinación de baja temperatura y altas presiones.
En cualquiera de los casos, todos los nuevos combustibles, exceptuando en metanol y los e-diésel, requieren para su almacenamiento a bordo mucho más espacio que el gasoil marino. También presentan en general mayores riesgos de incendio y explosión, así como mayor toxicidad y corrosividad. Por tanto, el diseño de buques y los sistemas asociados con el combustible se verá afectado en gran medida. Esto incrementará sin duda el coste de los nuevos buques, y por tanto será un importante factor a la hora de decidir entre unos combustibles y otros.
Es poco probable que los nuevos combustibles sean menos costosos que los actuales, por lo que el impacto económico en la operación se sumará al arriba indicado sobre los costes de capital. Y no es descartable que haya un impacto adicional sobre otros costes operativos, como las tripulaciones.
La combinación de costes de capital y operativos (capex y opex) será la que incline la balanza a favor de unas soluciones técnicas u otras, pero puede que no sea el factor definitivo, al menos durante un largo período de transición hasta que los mercados marítimos se estabilicen y haya una solución, o unas pocas, que se vayan imponiendo de forma generalizada.
¿Y LA LOGÍSTICA?
La decisión entre usar unos combustibles u otros dependerá además de la logística, de su disponibilidad a lo largo de las rutas marítimas. La de los combustibles líquidos a temperatura ambiente se puede basar en bastante medida en la existente actualmente para las diferentes variedades de gasoil marino. La de los productos gaseosos está en fase incipiente de desarrollo, para disponer de LNG en los diferentes puertos principales, pero le queda mucho para llegar a cubrir el mundo y abastecer a un número elevado de buques. La infraestructura para LNG podría incluso extenderse para abastecer LPG o amoniaco, pero para suministrar hidrógeno líquido o comprimido será necesario dar un paso más cuyo inicio está aún en el futuro.
La infraestructura mundial para suministrar carbón a los barcos tardó 100 años en crearse, la del gasoil marino, unos 50. El desafío es ahora hacerlo en bastante menos de 30 años, cuando aún no sabemos cuáles serán el o los combustibles a distribuir.
¿PERO HABRÁ HIDRÓGENO PARA TODOS?
El hidrógeno tiene muchas probabilidades de ser el combustible del futuro, siempre que se genere con electricidad de fuentes renovables (H2 verde) o por procedimientos que no impliquen emisiones netas de CO2 a la atmósfera (H2 azul).
Incluso si no se adoptase el H2 como futuro combustible para buques, la fabricación de e-combustibles requiere usar H2 (verde o azul), lo mismo que la de amoniaco. Por tanto, a no ser que haya una enorme disponibilidad de bio-combustibles, obtenidos además de forma ecológica libre de emisiones contaminantes, en especial de CO2, todas las futuras soluciones para descarbonizar el sector marino pasan por el hidrógeno, por disponer de enormes cantidades de H2 generadas sin emisiones netas de CO2 a la atmósfera.
¿Enormes? ¿De cuanto hablamos?
Actualmente, el consumo mundial de hidrógeno es de unos 80 millones de toneladas. Los principales consumidores son las refinerías, la petroquímica y la siderúrgica.
El poder calorífico del H2 es unas 3 veces superior al del gasoil marino. Como los buques consumen más de 300 millones de toneladas de gasoil marino al año, y como se supone que la flota mundial duplicará de tamaño hasta 2050, harían falta unos 200 millones de toneladas de H2 para abastecerla.
Pero eso no es más que una gota en el océano, porque también hace falta sustituir los usos actuales del carbón, los hidrocarburos, etc. que pueden suponer 30-40 veces más que el sector marino[1]. Una parte se sustituirá por la electrificación de origen renovable, calefacciones, automóviles, ferrocarriles, usos industriales del calor, etc. pero no todo. Supondremos que 1/3 dependerá del hidrógeno por no ser económicamente electrificables los sectores correspondientes.
Por tanto, se trataría de multiplicar la producción actual de H2 por 25 o más, cambiando además los procesos actuales, que son muy contaminantes, por otros limpios. Un reto de magnitud épica.
Mientras no haya H2 de sobra y disponible para todos, habrá competencia por el H2 disponible, lo cual elevará necesariamente los precios. El sector aéreo, por ejemplo, no tiene otras alternativas, por lo que se verá obligado a pagar más por el H2, dejando menos disponible para otros como el transporte por carretera a larga distancia o el sector marino, y a mayor precio.
RESUMIENDO
Son muchos los aspectos aún en el aire y es poco el tiempo que queda para irlos aclarando de ahora a 2050. Las preguntas arriba indican lo complejo que será tomar decisiones que implican inversiones enormes, impactos en los costes operativos también enormes, la incertidumbre tecnológica es por ahora muy grande. Estamos ante una revolución en el diseño y construcción de buques, una de las 6 o 7 que ha habido en la larga historia del sector marino[2]. En materia de propulsión ésta es la cuarta: de remo a vela; de ahí al vapor, del vapor al diésel y de ahí al hidrógeno azul o verde.
