Barco eléctrico

En 1839, el inventor alemán Moritz von Jacobi desarrolló en San Petersburgo , Rusia , una de las primeras embarcaciones eléctricas . Se trataba de un barco de 7,3 metros (24 pies) de eslora con capacidad para 14 pasajeros a una velocidad de 4,8 km/h (3 millas por hora) . Fue presentado con éxito al emperador Nicolás I de Rusia en el río Neva .  

Fueron necesarios más de 30 años de desarrollo de baterías y motores para que la embarcación eléctrica se convirtiera en una opción viable. Este método de propulsión vivió una época dorada entre 1880 y 1920, cuando los motores fueraborda de gasolina se convirtieron en el método dominante. Gustave Trouvé , un ingeniero eléctrico francés, patentó un pequeño motor eléctrico en 1880. Inicialmente sugirió que el motor podría accionar un sistema de ruedas de paletas para propulsar embarcaciones, y posteriormente abogó por el uso de una hélice .

Anthony Reckenzaun , un emigrante austriaco a Gran Bretaña , fue fundamental en el desarrollo de los primeros barcos eléctricos prácticos. Mientras trabajaba como ingeniero para la Electrical Power Storage Company, realizó un trabajo original y pionero en diversas formas de tracción eléctrica. En 1882 diseñó la primera lancha eléctrica importante impulsada por baterías de almacenamiento y la bautizó como Electricity . ^{[ 3 ]} El barco tenía un casco de acero. ^{[ 4 ]} Medía aproximadamente 7,9 m (26 pies) de largo, con una manga de aproximadamente 1,5 m (5 pies) y un calado de aproximadamente 610 mm (2 pies) . Estaba equipado con una hélice de 560 mm (22 pulgadas) de diámetro . ^{[ 5 ]} Las baterías y el equipo eléctrico estaban ocultos bajo la zona de asientos, lo que aumentaba el espacio disponible para los pasajeros. Los barcos se utilizaban para excursiones de ocio por el río Támesis y proporcionaban un viaje muy tranquilo, limpio y silencioso. La embarcación podía funcionar durante seis horas y operar a una velocidad media de 13 km/h (8 mph) . ^{[ 4 ]}          

Moritz Immisch fundó su empresa en 1882 en asociación con William Keppel, 7.º conde de Albemarle , especializándose en la aplicación de motores eléctricos al transporte. La empresa contrató a Magnus Volk como gerente en el desarrollo de su departamento de lanchas eléctricas. Después de 12 meses de trabajo experimental que comenzó en 1888 con un esquife randan , la empresa encargó la construcción de cascos que equiparon con aparatos eléctricos. La primera flota mundial de lanchas eléctricas de alquiler, con una cadena de estaciones de carga eléctrica , se estableció a lo largo del río Támesis en la década de 1880. Un mapa de recreo del Támesis de 1893 muestra ocho "estaciones de carga para lanchas eléctricas" entre Kew ( Strand-on-the-Green ) y Reading ( Caversham ). ^{[ 1 ]} La empresa construyó su sede en la isla llamada Platt's Eyot .

Desde 1889 hasta poco antes de la Primera Guerra Mundial, la temporada de navegación y las regatas vieron a los silenciosos barcos eléctricos surcar los ríos de arriba abajo. ^{[ 6 ]}

Las lanchas eléctricas de la compañía eran muy utilizadas por los ricos como medio de transporte a lo largo del río. Los grandes barcos se construían de teca o caoba y se amueblaban lujosamente, con vidrieras, cortinas de seda y cojines de terciopelo. La compañía de Immisch encargó a William Sargeant la construcción del Mary Gordon en 1898 para el Ayuntamiento de Leeds, para su uso en el lago Roundhay Park ; la embarcación aún se conserva y actualmente está siendo restaurada. ^{[ 7 ]} Esta lujosa embarcación de recreo de 21 metros de eslora podía transportar cómodamente hasta 75 pasajeros. Las lanchas se exportaban a otros lugares; se utilizaban en el Distrito de los Lagos y en todo el mundo.

En la Exposición Universal de Chicago de 1893, 55 lanchas desarrolladas a partir del trabajo de Anthony Reckenzaun transportaron a más de un millón de pasajeros. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Los barcos eléctricos tuvieron un período inicial de popularidad entre 1890 y 1920, antes de que la aparición del motor de combustión interna los expulsara de la mayoría de las aplicaciones.

La mayoría de los barcos eléctricos de esta época eran pequeñas embarcaciones de pasajeros que navegaban en aguas sin mareas, en un momento en que la única alternativa energética era el vapor .

Con la llegada del motor fueraborda de gasolina , el uso de la energía eléctrica en las embarcaciones disminuyó a partir de la década de 1920. Sin embargo, en algunos casos, el uso de embarcaciones eléctricas ha persistido desde principios del siglo XX hasta la actualidad. Uno de estos casos se da en el lago Königssee , cerca de Berchtesgaden, en el sureste de Alemania . En este lago, considerado tan sensible desde el punto de vista ambiental, las embarcaciones de vapor y a motor están prohibidas desde 1909. En su lugar, la compañía Bayerische Seenschifffahrt y sus predecesoras han operado una flota de lanchas eléctricas para ofrecer un servicio público de pasajeros en el lago. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Los primeros submarinos de propulsión eléctrica se construyeron en la década de 1890, como el submarino español Peral , botado en 1888. ^{[ 13 ]} Desde entonces, la energía eléctrica se ha utilizado casi exclusivamente para la propulsión de submarinos bajo el agua (tradicionalmente mediante baterías), aunque el diésel se utilizó para impulsar directamente la hélice en la superficie hasta el desarrollo de la transmisión diésel-eléctrica por la Armada de los Estados Unidos en 1928, en la que la hélice siempre fue impulsada por un motor eléctrico, energía proveniente de baterías mientras estaba sumergido o de un generador diésel mientras estaba en la superficie.

El uso de la propulsión combinada de combustible y electricidad ( diésel-eléctrica o de gas combinada , o CODLOG) se ha extendido gradualmente a lo largo de los años, hasta el punto de que algunos transatlánticos modernos, como el Queen Mary 2, utilizan únicamente motores eléctricos para la propulsión, alimentados por turbinas diésel y de gas. Entre las ventajas se incluyen la posibilidad de mantener los motores de combustible a una velocidad óptima en todo momento y la posibilidad de montar el motor eléctrico en una góndola que puede girar 360° para una mayor maniobrabilidad. Cabe señalar que no se trata de un barco eléctrico propiamente dicho , sino de una variante de la propulsión diésel-eléctrica o turbina-eléctrica , similar a la propulsión diésel o eléctrica utilizada en submarinos desde la Primera Guerra Mundial .

El uso exclusivo de electricidad para propulsar embarcaciones se estancó, salvo su uso como motores fueraborda para pesca de arrastre , hasta que la empresa Duffy Electric Boat Company de California comenzó a producir en masa pequeñas embarcaciones eléctricas en 1968. No fue hasta 1982 que se formó la Electric Boat Association y comenzaron a surgir embarcaciones con energía solar. ^{[ 14 ]} Para reducir la fricción y aumentar el alcance, algunas embarcaciones utilizan hidroalas . ^{[ 15 ]} El remolcador eWolf, botado en marzo de 2024, cuenta con una batería de propulsión principal de 6,2 megavatios-hora y dos motores eléctricos, y es más potente que los remolcadores diésel del puerto. ^{[ 16 ]}

Transbordadores

En 2023, los barcos híbridos propulsados ​​eléctricamente comenzaron a adoptarse ampliamente en la India como un modo de transporte urbano , complementando los sistemas de metro mediante el uso de ríos y otras vías fluviales. El Metro Acuático de Kochi fue el primer proyecto en implementarse con transbordadores eléctricos. Su flota consta de 78 barcos eléctricos, todos construidos por Cochin Shipyard . ^{[ 17 ]} Cada embarcación tiene una capacidad de pasajeros de alrededor de 100 y es capaz de navegar a velocidades de hasta 10 nudos. ^{[ 18 ]} Utiliza cargadores de 300 kW que pueden cargar el barco en 15 minutos. ^{[ 19 ]}

Tras el éxito del Metro Acuático de Kochi, el modelo se replicó en otras ciudades indias. En 2025, servicios similares de transbordadores eléctricos estaban operativos en Patna y Ayodhya , y había proyectos en ejecución en un total de 21 ciudades indias. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

El ferry China Zorrilla de Incat Tasmania está diseñado para operar en Sudamérica, con capacidad para 2100 personas y 225 automóviles por viaje. Cuenta con una batería de 40 megavatios-hora, distribuida en 12 conjuntos de baterías con 418 módulos cada uno, con un peso de 250 toneladas. La batería se refrigera por aire mediante ventiladores individuales para cada módulo. Las baterías alimentan ocho propulsores de chorro de agua axiales impulsados ​​por motores eléctricos de imanes permanentes. El barco puede operar durante 90 minutos entre cargas. Se prevé que la carga dure 40 minutos (a 60  MW). ^{[ 22 ]}

La energía eléctrica para el banco de baterías debe obtenerse de alguna fuente, como el sol.

• Un cargador de red permite cargar la embarcación desde tierra cuando esté disponible. Las estaciones de carga terrestres están sujetas a controles ambientales mucho más estrictos que los motores diésel o fueraborda marinos convencionales. Al adquirir electricidad verde , es posible operar embarcaciones eléctricas con energía sostenible o renovable . Para embarcaciones grandes, puede ser necesaria una batería en tierra para proporcionar energía a corto plazo superior a la que puede suministrar la red eléctrica.
• Los paneles solares pueden integrarse en la embarcación en zonas adecuadas de la cubierta, el techo de la cabina o como toldos. Algunos paneles solares, o conjuntos fotovoltaicos, son lo suficientemente flexibles como para adaptarse a superficies ligeramente curvas y pueden fabricarse en formas y tamaños poco comunes. No obstante, los paneles monocristalinos, más pesados ​​y rígidos, son más eficientes en términos de producción de energía por metro cuadrado. La eficiencia de los paneles solares disminuye rápidamente cuando no están orientados directamente hacia el sol, por lo que resulta muy ventajoso poder inclinarlos durante la navegación.
• Los generadores remolcados son comunes en yates de crucero de larga distancia y pueden generar mucha energía al navegar a vela. Si un barco eléctrico también tiene velas y se va a usar en aguas profundas (más de unos 15 m o 50 pies ), un generador remolcado puede ayudar a cargar la batería mientras se navega (no tiene sentido remolcar un generador de este tipo mientras se usa la propulsión eléctrica, ya que la resistencia adicional del generador desperdiciaría más electricidad de la que genera ). Algunos sistemas de energía eléctrica usan la hélice de rueda libre para generar carga a través del motor de propulsión al navegar, pero este sistema, incluyendo el diseño de la hélice y cualquier engranaje, no se puede optimizar para ambas funciones. Puede ser mejor bloquearla o ponerla en bandera mientras la turbina más eficiente del generador remolcado acumula energía.  
• Las turbinas eólicas son comunes en los yates de crucero y pueden ser muy adecuadas para embarcaciones eléctricas. Existen consideraciones de seguridad con respecto a las palas giratorias, especialmente con viento fuerte. Es importante que la embarcación sea lo suficientemente grande como para que la turbina pueda montarse fuera del alcance de todos los pasajeros y la tripulación en cualquier circunstancia, incluso al estar atracada en un muelle, una orilla o un embarcadero. También es importante que la embarcación sea lo suficientemente grande y estable como para que el peso que ejerce la turbina sobre su mástil no comprometa su estabilidad con viento fuerte o temporal. Los generadores eólicos lo suficientemente grandes podrían producir una embarcación eléctrica completamente propulsada por el viento. Aún no se conocen embarcaciones de este tipo, aunque existen algunas propulsadas por turbinas eólicas mecánicas .
• En las embarcaciones híbridas eléctricas, si una embarcación ya cuenta con un motor de combustión interna, su alternador proporcionará una carga significativa mientras esté en funcionamiento. Se utilizan dos configuraciones: el motor de combustión y el motor eléctrico están acoplados al sistema de propulsión ( híbrido paralelo ), o bien el motor de combustión acciona un generador únicamente para cargar las baterías ( híbrido en serie ).

En todos los casos, se necesita un regulador de carga . Esto garantiza que las baterías se carguen a su máxima velocidad segura cuando haya energía disponible, sin sobrecalentamiento ni daños internos, y que no se sobrecarguen cuando estén cerca de la carga completa.

Una alternativa a la carga es el cambio de baterías en puerto. Esto ofrece la ventaja de eliminar la necesidad de esperar a que finalice la recarga antes de zarpar. Este enfoque podría permitir la electrificación de buques y transbordadores con horarios ajustados, ya que la carga se puede realizar en puerto sin limitaciones de tiempo. ^{[ 23 ]}

En los últimos años se han producido importantes avances técnicos en la tecnología de baterías, y cabe esperar que se produzcan aún más en el futuro.

• Las baterías de plomo-ácido seguían siendo la opción más viable hasta la llegada de las baterías de iones de litio, de mayor tamaño y producidas en masa para coches eléctricos a partir de 2012 aproximadamente. Las baterías de ciclo profundo, o de tracción, son la opción obvia. Son pesadas y voluminosas, pero no mucho más que el motor diésel, los depósitos y los accesorios que pueden sustituir. Deben estar montadas de forma segura, en la parte inferior y en el centro de la embarcación. Es fundamental que no puedan moverse bajo ninguna circunstancia. Hay que tener cuidado de que no haya riesgo de derrame del ácido fuerte en caso de vuelco, ya que esto podría ser muy peligroso. También es necesario ventilar los gases explosivos de hidrógeno y oxígeno. Las baterías de plomo-ácido típicas deben mantenerse rellenas con agua destilada.
• Las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula (VRLA), conocidas comúnmente como baterías selladas de plomo-ácido, de gel o AGM , minimizan el riesgo de derrames, y los gases solo se liberan cuando las baterías se sobrecargan. Estas baterías requieren un mantenimiento mínimo, ya que no necesitan, y generalmente no requieren, rellenarse con agua.
• Las baterías de níquel-metal hidruro , de iones de litio y de otros tipos están cada vez más disponibles, pero aún son caras. Este tipo de baterías son comunes en herramientas manuales recargables como taladros y destornilladores, pero son relativamente nuevas en este ámbito. Requieren controladores de carga diferentes a los que se usan con las baterías de plomo-ácido.
• En este caso, las baterías de iones de litio suelen referirse a las de fosfato de hierro y litio , que, si bien son más pesadas que otras baterías de iones de litio, son más seguras para aplicaciones marinas. Son caras, pero en aplicaciones que requieren fiabilidad y robustez, como los transbordadores que operan la mayor parte del día (de 10 a 12 horas diarias), son la mejor opción. Su vida útil es mucho mayor: de 5 a 7 años.
• Las pilas de combustible o baterías de flujo podrían ofrecer ventajas significativas en los próximos años. Sin embargo, en la actualidad (2017) siguen siendo costosas y requieren equipos y conocimientos especializados.

Entre las distintas químicas de baterías, la elección entre carga rápida (LTO, NMC, etc.) y carga lenta (LFP) se basa en un análisis económico que considera la inversión de capital (CAPEX), los gastos operativos (OPEX) y el costo total de propiedad (TCO). Se observa que, para necesidades energéticas elevadas debido a la alta velocidad o al gran peso, con carga intermitente, las baterías de carga rápida resultan más económicas.

El tamaño del banco de baterías determina la autonomía de la embarcación con propulsión eléctrica. La velocidad de navegación también influye en la autonomía: una velocidad menor puede suponer una gran diferencia en la energía necesaria para mover el casco. Otros factores que afectan a la autonomía son el estado del mar, las corrientes, la resistencia del viento y la energía que se puede recuperar durante la navegación, por ejemplo, mediante paneles solares a pleno sol. Un aerogenerador con buen viento contribuirá a ello, y la navegación a motor con cualquier tipo de viento podría ser aún más beneficiosa.

Para que la embarcación sea utilizable y maniobrable, se necesita un controlador de velocidad de avance/parada/retroceso de fácil manejo. Este debe ser eficiente, es decir, no debe sobrecalentarse ni desperdiciar energía a ninguna velocidad, y debe soportar la corriente máxima que podría circular en cualquier condición de carga máxima. Uno de los tipos más comunes de controladores de velocidad utiliza modulación por ancho de pulso (PWM). Los controladores PWM envían pulsos de potencia de alta frecuencia al motor o motores. A medida que se requiere más potencia, la duración de los pulsos aumenta.

Existe una amplia variedad de tecnologías de motores eléctricos . Los motores de CC tradicionales con bobinado de campo se usaban y aún se usan. Hoy en día, muchas embarcaciones utilizan motores de CC de imán permanente ligeros. La ventaja de ambos tipos es que, si bien la velocidad se puede controlar electrónicamente, esto no es un requisito. Algunas embarcaciones usan motores de CA o motores sin escobillas de imán permanente. Las ventajas de estos son la ausencia de conmutadores, que pueden desgastarse o fallar, y las corrientes generalmente más bajas que permiten cables más delgados; las desventajas son la dependencia total de los controladores electrónicos necesarios y los voltajes generalmente altos que requieren un alto nivel de aislamiento.

Las embarcaciones tradicionales utilizan un motor intraborda que acciona una hélice mediante un eje con cojinetes y sellos. A menudo se incorpora una reducción de engranajes para poder usar una hélice más grande y eficiente. Esta puede ser una caja de engranajes tradicional, engranajes planetarios coaxiales o una transmisión con correas o cadenas. Debido a las pérdidas inevitables asociadas a la transmisión por engranajes, muchos sistemas de propulsión las eliminan mediante el uso de motores de baja velocidad y alto par. El motor eléctrico puede estar integrado en una carcasa junto con la hélice y fijado fuera del casco (sistema de propulsión tipo saildrive) o montado en un soporte externo (motor fueraborda).

Las embarcaciones con sistema de alimentación eléctrica por cable constituyen una categoría especial de embarcaciones eléctricas. Esto puede implicar el uso de cables aéreos, donde uno o dos cables se fijan sobre el agua y la embarcación puede hacer contacto con ellos para obtener corriente eléctrica, o bien, se puede utilizar un cable de amarre impermeable para conectar la embarcación a tierra. En el caso de un solo cable aéreo, el circuito eléctrico debe cerrarse por la propia acción del agua, lo que genera una mayor resistencia y corrosión de los electrodos. En el caso de dos cables, no es necesario enviar corriente eléctrica a través del agua, pero los cables gemelos, que provocan un cortocircuito al entrar en contacto entre sí, complican la construcción.

Naturalmente, la embarcación debe mantenerse cerca del cable, o de su punto de amarre, lo que limita su maniobrabilidad. Para los transbordadores y en canales estrechos, esto no supone ningún problema. El transbordador Straussee en Strausberg, Alemania, es un ejemplo. Cruza un lago a lo largo de una  trayectoria de 370 m y se alimenta con 170  V de un único cable aéreo. El transbordador Kastellet cruza un canal de navegación de 200 metros (660 pies) de ancho en Suecia, utilizando un cable de alimentación sumergible que se baja al fondo marino cuando el transbordador atraca en la terminal opuesta a su punto de amarre. 

En el túnel de Mauvages, en el canal Marne-Rin, una línea aérea bipolar suministra 600  V CC a un remolcador eléctrico, que se desplaza junto con varios barcos a través del  túnel de 4877 m mediante una cadena sumergida. Esto evita la acumulación de gases de escape diésel en el túnel. Otro ejemplo fue el remolcador eléctrico experimental Teltow en el lago Kleinmachnower See, a 17  km al suroeste de Berlín. Estuvo en funcionamiento desde 1903 hasta 1910 y contaba con postes de captación de corriente similares a los utilizados en los trolebuses .