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2016

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Propulsión: el futuro es eléctrico

 

 

La propulsión eléctrica podría eclosionar en los próximos años y cruzar la frontera de las pequeñas potencias gracias a las mejoras en las tecnologías de baterías.

 

El resto es coser y cantar, pues la propulsión con motor eléctrico está más que inventada y satisfactoriamente desarrollada.

En lo que respecta a motores eléctrico, hablamos de pequeños motores pero solo en volumen, pues a diferencia de los clásicos de combustión, sorprende comprobar la potencia capaz de entregar un motor eléctrico a pesar de su pequeño volumen y poco peso. Estos son con enorme diferencia, los

más seguros y eficientes de todos. A años luz de los motores que solemos llevar en nuestros barcos. Los eléctricos tienen una eficacia cercana al 90% y prácticamente son indestructibles y con mantenimiento casi cero de por vida.

En un motor eléctrico, la capacidad de entregar potencia por kilo es enorme y alcanza cifras mayores a los 5 Kilowatios/kilo. Es decir unos 7 CV por cada kilo de peso del motor. O lo que es lo mismo, un fueraborda de 30 caballos podría llegar a pesar en un futuro no más de 6 kilos de peso, un potente motor de 250 cv podría pesar únicamente 35 Kilos de peso, o un potente motor de 1.000 cv sólo pesar 140 kilos comparados con los 2.500 kilos que pesa un diesel de esta misma potencia.

Si no se utilizan aún en aplicaciones náuticas de recreo es porque no existen parques de baterías que puedan almacenar, ni de lejos, la capacidad energética de un depósito de combustible. En otras palabras, la densidad de energía o energía por unidad de peso del combustible es unas 60 veces mayor al de las mejores baterías de plomo, por muy AGM o de Gel que sean, y además no existen los ciclos de vida útil como con las baterías.

Pero las cosas están cambiando y aún van a cambiar con más rapidez, impulsadas por los avances e investigaciones directamente enfocados a la industria de la automoción, que tira de todo el carro tecnológico e industrial. Con tecnologías de ión-litio y recientemente con polímeros de grafeno ya estamos a punto de conseguir reducir un orden de magnitud entero! Y esto es muchísimo, pues en un barco especialmente en las sentinas no importa meter peso y ocupar volumen.

 

Baterías; las nuevas generaciones

Grafeno y sus increíbles propiedades, nuevas tecnologías de Ión-Litio, recargas solares de mayor eficiencia, capacidades muy mejoradas, densidades energeticas que se multiplican… El futuro está llegando. Y a toda velocidad.

La empresa Graphene 3D Labs lleva 5 años investigando y desarrollando un material que pueda ser ‘pintado’ con una impresora 3D y que actué como una batería. La clave está en el grafeno y sus particulares propiedades. En la universidad de Nanyang un equipo de científicos han desarrollado nuevas baterías de ión-litio que se recargan hasta un 70% de su capacidad en solo los dos primeros minutos y tan duras que pueden perdurar durante 20 años sin perder capacidad de carga. Para ello la tecnología empleada hace uso de nanotubos de dióxido de titanio que catalizan las reacciones químicas en su interior.

Los avances en producción de energía eléctrica solar son prometedores. La universidad de Ohio está trabajando en una batería con paneles solares que produce y almacena amperios sin necesidad de reguladores y simplifica las instalaciones.

Ya hay coches eléctricos aunque caros, que ofrecen autonomía de varios cientos de kilómetros en régimen de desplazamiento económico. Las baterías no cesan de crecer en capacidad y está cerca el momento en que puedan ser utilizadas para navegaciones cortas como de hecho ya ocurre en varios modelos comerciales como por ejemplo las lanchas del fabricante austríaco Frauscher.

 

Es claro que tan pronto como se consiga mejorar solo un poco más la densidad de carga y las baterías se puedan recargar en tiempo cortos, estaremos entrando en una nueva era, también para la náutica, en la que se presentan muchas ventajas frente a la automoción. Si el peso y el volumen en el coche es un problema básico, en lo barcos no ocurre lo mismo pues de todas formas necesitan ser lastrados y por tanto este peso puede estar constituido por el gran parque de baterías. Y tampoco es crítico el volumen pues en los barcos existen muchas formas redondeadas como resultado de la geometría de las carenas y volúmenes que pueden ser utilizados para albergar las baterías.

Descubramos por dónde van "los tiros" respecto a las nuevas tecnologías sobre baterías de alta capacidad en este año 2016.

Ultracondensadores y nanotubos

La capacidad con la que un condensador puede almacenar energía eléctrica es proporcional a la superficie de las placas del condensador. La utilización de nanotubos multiplica esta y promete un significativo aumento en la capacidad de los condensadores que podrían alcanzar densidades de energía mayores a las de otras tecnologías de baterías.

Se recargan en segundos y tienen un numero de ciclos de trabajo prácticamente infinitos sin sufrir efecto memoria o pérdidas de capacidad con su uso. El mayor problema es que no consiguen mantener por largo tiempo la carga almacenada que se va descargando al cabo de unas horas. Por ello los ultracondensadores son un aliado perfecto a las baterías en aplicaciones en donde se puede recuperar energía como son sistemas de frenos con regeneración.

La energía es almacenada en forma de campo eléctrico lo cual las hace más eficientes que las baterías químicas, pues no es necesario una reconversión electroquímica. La energía de un ultracondensador puede ser entregada de forma salvaje en picos de altísima potencia o ser consumida poco a poco. Pero las recientes investigaciones en ultracondensadores han permitido crear una tecnología que podría revolucionar el mundo de las baterías al conseguirse una capacidad enorme gracias a la utilización de nanotubos que almacenan el campo eléctrico a nivel atómico en una superficie muy extendida gracias a la multiplicación de la infinidad de nanotubos que conforman el ultracondensador.

La nueva tecnología permite agrupar millones de tubos de carbono de un diámetro 30 veces menor al de un cabello humano dispuestos en paralelo y 100.000 veces más largos respecto a su diámetro. De esta manera se consigue disparar el área total de los electrodos y por tanto la capacidad hasta varios miles de Faradios. Los tubos alineados verticalmente ofrecen una superficie regular al contrario de lo que ocurría con otras tecnologías anteriores que utilizaban carbón poroso que también ofrecía grandes superficie pero de forma irregular en detrimento del rendimiento.

 

Ion-Aluminio; Baterías flexible y de carga rápida

Investigadores de la Universidad de Stanford han creado un nuevo tipo de baterías capaces de soportar muy bien los ciclos de carga y hacerlos en un tiempo record. Lo mejor es su producción que podría salir bien barata, y la seguridad de manejo al no poder arder como lo han hecho algunas de litio de los ordenadores portátiles causando mucho revuelo mediático.

Su ánodo está formado por una masa de aluminio y con un cátodo de grafito en una solución electrolítica, todo ello amalgamado en un polímero plástico flexible. A diferencia de las baterías de ion-litio que pueden cortocircuitarse internamente y explotar si se perforan en caso de choque o accidente, las de ión-aluminio seguirían trabajando un poco de tiempo y no podrían explotar o inflamarse.

El electrolito utilizado es básicamente una sal líquida a temperatura ambiente por lo cual no requiere un calentamiento previo como actualmente ocurre con otras baterías de sal.

Y aunque la mejora en la seguridad es importante, lo que el consumidor demanda, además de mayor capacidad, es mejorar los tiempos de recarga. Esta nueva tecnología permite tiempo de recarga sorprendentemente cortos que en el prototipo puesto en marcha ronda los 60 segundos.

Mejor aún es la duración y vida útil de este nuevo tipo de baterías. A diferencia de las de ión-litio que mueren poco a poco y al cabo de unos 1.000 ciclos de carga y descarga, estas nuevas de Ión-Aluminio pueden soportar el incansable trabajo de 7.500 ciclos sin perdidas de capacidad, a diferencia de otros modelos de baterías de Ión-Aluminio que se agotan al cabo de solo 100 ciclos de carga y descarga.

La flexibilidad de este nuevo prototipo añade más interés aún a esta nueva tecnología pues podría ser adaptada a huecos inaprovechables en las sentinas, que con otras baterías de formas paralelepípedas costara mucho más adaptar.

El aluminio es un metal de coste reducido y mucho más barato que el lítio y por ello la producción en masa de este tipo de baterías caería de precio rápidamente haciéndolas muy convenientes para grandes montajes en paralelo. 

Y por si fuera poco todo lo descrito hasta el momento, al no contener metales pesados o contaminantes son muy ecológicas y respetuosas al medioambiente. El potencial electrolítico de estas baterías es de 2 voltios lo cual requeriría utilizar series de ellas para alcanzar voltajes útiles para el uso industrial, pero las investigaciones sugieren que si se logra mejorar el tipo de cátodo se podría aumentar el voltaje de la pila.

 

 

 

Nuevas baterías de Ion-Litio de ánodo estable

La mejora en tecnologías como la muy difundida de Ión-Litio triplicará en breve el rendimiento de las baterías que ahora usamos en nuestros iPad, ordenadores portátiles, teléfonos y miles de otros aparatos comúnmente utilizados a diario.

Es también en la Universidad de Stanford donde se ha conseguido montar una batería de litio con un ánodo de litio puro estable, para lo cual se han utilizado nanoesferas de carbón para protegerlo de la degradación. El resultado es una batería que también triplica los ciclos de carga y descarga.

Las pilas y las baterías están formadas básicamente por tres elementos conocidos como el ánodo que actúa como terminal positivo, el cátodo que es el terminal negativo, y el electrolito situado entre el ánodo y cátodo. Este electrolito puede ser líquido o sólido dependiendo del tipo de tecnología utilizada, y es donde realmente se almacena la energía química que se convertirá en corriente eléctrica mediante la reacción electroquímica.

En las baterías que utilizamos a diario de Ión-Litio, se cristaliza el litio del ánodo formando microscópicas fibras que crecen a través del electrolito hasta el cátodo y que pueden llegar a cortocircuitar la batería, o cuando menos, reducir su capacidad y los ciclos de vida útil.

El litio es muy buen conductor de la electricidad y por ello los investigadores han seguido mejorando la tecnología de este tipo de baterías. El nuevo invento consiste en cubrir y proteger el ánodo mediante una capa de nanoesferas conductoras de carbono que proteja el ánodo y evite la formación de esas dendritas cristalizadas tan perniciosas y que en casos extremos puede hacer que la batería se cortocircuite internamente e incluso se inflame. La capa uniforme de 20 nanómetros de espesor de nanoesferas de carbón previene la reactividad del litio con el electrolito y por tanto anula el crecimiento de las indeseables fibras. Para darnos cuenta de tan extremadamente delgado espesor, conviene recordar que 5.000 capas de 20 nanómetros darían el diámetro de un cabello humano.

El litio sigue siendo en cualquier caso el santo grial en la fabricación de baterías pues además de ser muy buen conductor de la electricidad, es ligero y permite una alta densidad de almacenamiento de energía. En el estado actual del desarrollo de esta nueva tecnología se ha conseguido una efectividad en la transferencia de cargas (eficiencia de Coulomb; o eficacia con la que un electrón fluye en la batería a través de la reacción electroquímica) del 99% tras 150 ciclos de trabajo, siendo necesario alcanzar el 99,9% para que la tecnología sea comercialmente viable. Se espera que con nuevos electrolitos se consiga este propósito y la nueva generación de Ión-Litio esté pronto en producción.

 

Baterías de Litio-Aire; O cómo triplicar la densidad de energía

En teoría la capacidad de estas nuevas baterías sería 10 veces más alta respecto a las actuales de Ión-Litio, lo cual sin duda sería decisivo para dar la estocada mortal a los motores de combustión interna. Los investigadores de la universidad de Cambridge saben que aún les quedan varios años de trabajo por delante, pero están convencidos de poder llegar conseguir la producción de este tipo de baterías.

El oxigeno necesitado para estas baterías proviene del aire y por ello en vez de almacenarse un oxido como resultado de la reacción electroquímica que produce la corriente eléctrica, como ocurre en las baterías de Ión-Litio, estas nuevas baterías ‘respirarán’ como lo hacemos los humanos. El resultado es una mejora en la densidad de energía almacenada de un orden de magnitud, lo cual las hace en peso cerca de ser comparables al poder energético de los hidrocarburos…

IBM y el MIT llevan trabajando tiempo en poner en marcha esta nueva tecnología pero con pobres resultados y bajas eficiencias y encontrándose con reacciones químicas no deseadas. Pero los científicos de Cambridge han cambiado la ‘química’  en su nuevo diseño para conseguir solventar estos problemas. Se ha partido de un Cátodo de grafeno poroso empapado en una solución acuosa que actúa como ‘mediadora’. También se ha preparado un nuevo electrolito de tal forma que la reacción forma hidróxido de lítio (LiOH) en el cátodo en vez de fundamentarse en el peróxido de lítio como se hacía en los anteriores intentos (Li2O2). Los productos de la reacción electroquímica se acumulan en el cátodo mientras que se disuelven en el electrolito durante la recarga.

El resultado será una batería más estable, con una eficacia del 93% y por tanto con unas perdidas en calor de sólo un 7%, y que esperan que pueda alcanzar los 2.000 ciclos de trabajo. Aún existen problemas con las reacciones de los otros gases del aire que dificultan la realización práctica de la nueva batería pero los científicos están esperanzados en conseguir resolverlos.

 

 

El nuevo motor de Siemmens

Recientemente la corporación Siemmens ha construido un prototipo de motor eléctrico inicialmente diseñado para la aviación y que podría perfectamente ser adaptado a la náutica de recreo. Su peso es de solo 50 kilos y es capaz de producir 350 cv a solo 2.500 revoluciones. ¡Perfecto para la náutica!

El motor, ya a la venta, incorpora muchas mejoras fruto del estudio y optimización en peso de todos sus elementos. El resultado es una relación de 5 Kw por kilo de peso, muy significativa, pues en otros tipos de motores eléctricos esta es de 1 Kw/kilo.

Se trata de un motor de transmisión directa capaz de girar a 2.500 rpms sin perdidas al que puede acoplarse directamente una reductora si fuera necesario.

 

 

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