Uso de velas rígidas y cometas como complemento en la propulsión de buques

En los tiempos de la colonización los buques dependían del viento para poder navegar, pero con los descubrimientos posteriores se eliminó esa necesidad. Ahora de nuevo, en un negocio naval siempre cíclico a lo largo de la historia, han regresado una serie de técnicas que permiten la implantación de sistemas para la navegación auxiliados parcialmente por el viento, mediante el uso de velas rígidas y cometas. Existen nuevos sistemas de propulsión dotados de una parte eólica que proporciona ahorros de combustible interesantes, a los que se suman una serie de mejoras medioambientales.

Allende los mares en la actualidad navegan unos 90.000 barcos mercantes de gran porte, pero solamente entre 20 y 30 buques llevan montada una tecnología de este tipo. Los sistemas de propulsión asistida por el viento (WAPS, por las siglas en inglés de ‘Wind-Assisted Propulsion Systems’) aprovechan el viento disponible para generar un empuje de propulsión limpio, reduciendo la potencia necesaria del motor, y las emisiones contaminantes. En algunas velas, para obtener ese empuje se efectúa un control activo de la capa límite mediante succión, aspirando una pequeña cantidad de aire que se adhiere al flujo de aire de la vela, generando enormes cantidades de sustentación. Dicho empuje puede llegar a generar una potencia hasta seis veces superior al de una vela convencional.

Por su parte, los sistemas de Energía Eólica Aerotransportada (EEA, o AWE según las siglas en inglés) son dispositivos que utilizan cometas para generar energía eólica. El funcionamiento del sistema es sencillo, y se basa en lo siguiente: la cometa arrastra un cable conectado a un dispositivo, que genera electricidad en ciclos de ascenso y descenso. La EEA por lo tanto permite aprovechar recursos eólicos que generalmente no se suelen explotar por encontrarse a grandes altitudes (que pueden llegar hasta los 800 metros), en lugares en los que otras alternativas no son viables o rentables. Y, por cierto, existe un caso insólito en las islas Feroe, una cometa submarina capaz de captar la energía del mar, el ‘Dragon 12’.

Hace más de una década un grupo de estudiantes españoles de Ingeniería Aeronáutica tuvieron la idea descabellada de pretender instalar alas de aviones en los barcos, a modo de velas. Acto seguido para poder materializar su sueño buscaron dos socios: un astillero que fabricara la vela, Astander (en Santander), y un buque donde instalarla, el barco teatro ‘La Naumon’. Así nacía la empresa ‘Bound4blue’, con sede en Cantabria.

Hay que destacar que los orígenes de la idea de este tipo de vela se remontan más de cien años, aunque eso sí, el proyecto actual español posee ciertas mejoras, como por ejemplo la de la existencia de un sistema de vela orientable ovoidal, y fabricado con materiales ultraligeros de aviación. La vela rígida es un tipo de sistema de propulsión asistida por el viento que se basa en los mismos principios aerodinámicos que un ala de avión. Al exponerse al viento a un ángulo de ataque determinado, produce sustentación y reduce la resistencia, y ajustando este ángulo, pueden controlarse la sustentación y la resistencia.

Aunque depende de los modelos, las principales ventajas de la vela rígida radican en: su capacidad para poder ser plegada (o abatida sobre cubierta), por lo que el calado aéreo de la embarcación no se ve afectado; ser totalmente pasiva (no se requiere energía para producir sustentación); y poseer una resistencia mínima.

Obviamente, el tipo de buque en el que se vaya a instalar el sistema, su número de velas, y sobre todo la ruta concreta que realice, van a ser claves para el éxito del sistema. Todo es cuestión de poder aprovechar más o menos el viento, así que las velas ofrecen menos ventajas en el Mediterráneo, por ejemplo, que en el Atlántico Norte o el Pacífico. Y por supuesto, si el buque es de línea regular, y pose una ruta fija, será más fácil predecir el ahorro que se pueda obtener.

En referencia a los dispositivos con cometas, y en comparación con los de la energía eólica convencional utilizados, pueden llegar a reducir la cantidad de material necesario para su diseño hasta en un 90%. Esto se debe a que las cometas, en contraposición con los aerogeneradores, generan la energía sin necesidad de cimentaciones, torres, palas, rotores, etcétera. La principal ventaja que presentan estos sistemas radica en que, al tener que elevarse para buscar el viento, a partir de los 300 metros de altura se reducen las turbulencias producidas por la orografía terrestre y, debido a lo que se conoce la ‘ley de la velocidad al cubo’, la potencia que se puede obtener de las corrientes de viento existentes a esas alturas aumenta de forma exponencial.

Las soluciones más conocidas emplean generalmente elementos de vela rígidos, dispuestos verticalmente sobre cubierta. Estos sistemas poseen automatismos para orientarse hacia el viento, en la dirección más efectiva, de manera que puedan obtener el máximo rendimiento de forma autónoma, sean cuales sean las condiciones del viento existentes en cada instante. Entre los nuevos modelos de aprovechamiento de viento existentes, destacan los tipos de vela ‘Wingsail’ y ‘eSAIL’.

Se debe destacar que, en este tipo de velas, el empuje obtenido es de tipo ‘convencional’, es decir, no existe ningún tipo de conexión de la máquina propulsora del buque con el mecanismo de las velas. El funcionamiento es muy simple: cuando el viento sopla, la vela provoca ‘empuje’. Tanto el mástil como la vela tienen gran parecido con las alas de los aviones (de ahí su nombre, ‘vela de ala’, en inglés). La gran diferencia que existe con los aviones radica en que en las aeronaves la posición horizontal del ala proporciona una propulsión hacia arriba y en los barcos, al estar el ala en vertical, el impulso es avante.

El primer modelo, ‘Wingsail’ (o ‘fSAIL’), está formado por un mástil vertical telescópico y retráctil, alrededor de cuya estructura se montan unas ‘costillas’ en horizontal. Entre cada una de ellas hay un panel plegable, y la vela se va estirando a medida que las costillas se separan. El mecanismo de la vela despliega su estructura en dos minutos, y la pliega aún más rápido, treinta segundos antes.

El segundo modelo, la ‘eSAIL (el que porta la Naumon)’, es un tipo de sistema de propulsión asistida por el viento que se basa en el control activo de la capa límite mediante succión. Cuando el buque está influenciado por el viento, con la succión desactivada, solo produce resistencia, al igual que cualquier otra estructura que no genera sustentación. Sin embargo, cuando la succión está activa, aspira una pequeña cantidad de aire que se adhiere al flujo de aire de la vela, generando enormes cantidades de sustentación con baja resistencia. La ‘eSAIL’ produce entre seis y siete veces más sustentación que una vela convencional, con un consumo de potencia mínimo y sin ninguna complejidad mecánica (sin cargas inerciales, vibraciones, movimiento constante, etc.), lo que garantiza un funcionamiento bastante sencillo y fiable.

La ‘eSAIL’, que debe su nombre a las siglas en inglés (electric Sail with Aspirated Inner Layer), es una vela rígida, de aluminio y fibra de vidrio, equipada con un mecanismo de abatimiento y un sistema de control autónomo. Su instalación es rápida y sencilla, pero previamente se debe realizar un proyecto detallado de transformación del buque que debe ser aprobado tanto por una SC (Sociedad de Clasificación), como por el Estado de abanderamiento. Posteriormente, se lleva a cabo el refuerzo y los trabajos eléctricos, como paso previo a la instalación del sistema. Dicha instalación puede realizarse a flote, tal como se realizó en el caso de ‘La Naumon’, durante una varada en dique, o en cualquier otra escala de puerto ordinaria, pues la operación dura menos de un día. En el caso de ‘La Naumon’, la instalación fue aprobada por la SC DNV, y se realizó en el marco del proyecto ‘Greening the Blue’, en el que varias empresas, junto al astillero Astander llevaron a cabo las actividades de la instalación de la vela ‘eSAIL’.

El misterio de la vela rígida ‘eSAIL’ radica en que en su interior alberga motores eléctricos que, cuando se encienden, succionan aire exterior. Este encendido provoca un efecto de sustentación, por diferencia de presiones, mediante un flujo de aire que rodea al buque y que sobrepasa su propia resistencia aerodinámica. La vela al exponerse al viento a un ángulo de ataque determinado produce sustentación y reduce la resistencia. Ajustando este ángulo, pueden controlarse la sustentación y la resistencia.

En cualquier caso, la efectividad de la propulsión asistida por el viento mediante velas rígidas es dependiente de la capacidad para poder aprovechar la máxima energía eólica posible, y en este punto un factor importante radica en el gradiente vertical del viento. La velocidad del viento atmosférico disminuye al acercarse a la superficie, tanto del mar como de tierra. Por ello, el poder disponer de una superficie vélica mayor en la parte superior de las velas, donde la velocidad del viento es más alta, podría suponer un mayor aprovechamiento de la energía.

Como ya se ha indicado, el primer caso de éxito en este sector lo consiguió la empresa Skysails, mediante un ingenio formado por tres componentes principales: una cometa de tracción con una amarra para el lanzamiento, un sistema de recuperación, y un sistema de control de funcionamiento automático. La cometa surgía del mástil especial controlado y construido en la proa del barco.

Se trataba de un dispositivo sencillo y seguro que se podía instalar a bordo como un sistema de propulsión auxiliar tanto en buques de nueva construcción como en buques existentes. En este sistema la cometa se elevaba hasta los 300 metros, aprovechando así las fuertes corrientes de viento existentes a esa altitud y generaba cinco veces más potencia propulsora por metro cuadrado de superficie que las velas convencionales. En función de las condiciones de viento existentes, el buque podía navegar en combinación con sus motores principales, y de esta manera aliviaba su uso.

Un equipo de control electrónico regulaba el conjunto tratando de posicionar la cometa en una zona u otra de acuerdo con las necesidades en cada momento: buque parado, barco en navegación, fondeado, etcétera. Dirigida por la consola de control, la cometa de arrastre realizaba maniobras de vuelo dinámicas regulares en el aire, a proa del buque, para generar la propulsión auxiliar. Esta fuerza de tracción se transmitía al buque a través de una amarra de remolque de fibra sintética de alta resistencia. Un cable especial integrado dentro de esta amarra aseguraba el suministro de energía y la comunicación entre la consola de control de la cometa y el sistema de control de la nave.

Respecto a las ventajas de este sistema cabe destacar que las cometas en sí no requieren mástiles sobre cubierta, con lo cual no ocupan apenas espacio, ni entorpecen las operaciones de carga y descarga. Además, con sus sistemas de control de vuelo, estos dispositivos pueden controlar su propia velocidad aumentando de esta manera la fuerza de tracción. Por el contrario, su principal inconveniente radica en la dependencia del viento. La ausencia de este, o su existencia a baja velocidad, obviamente impide la posibilidad de la propulsión mediante la cometa. Adicionalmente este sistema tampoco es posible utilizarlo cuando el rumbo del buque es proa al viento. Además, una vez la cometa está desplegada, el cambio de rumbo del buque es más lento de lo habitual, por lo que no se puede utilizar este sistema en ninguna situación que requiera rapidez de maniobra, como puede ser en navegaciones por zonas con mucho tránsito, o en canales angostos.

Para que todos estos nuevos dispositivos demuestren sus bondades será necesario disponer de prototipos que proporcionen datos reales sobre su funcionamiento y ahorros, tanto en buques como en tierra.

En el caso de las cometas aun es necesario superar algunas barreras, como la de no considerar a estos dispositivos como drones, ya que eso añade la exigencia de la necesidad de un piloto humano, que no automatiza el sistema, y que difícilmente lo convertirá en rentable. Tal vez sería necesario que los AWES fueran clasificados simplemente como unos meros ‘obstáculos’ a la navegación, por estar unidos a tierra (o al buque), por un cable que transporta la energía.

Pero la realidad es que de momento (a pesar del auge de las actividades deportivas que emplean este tipo de dispositivos) los sistemas aerotransportados de energía eólica mediante cometas o drones, que operen a más de 300 metros de altura, y que generen energía en zonas en las que las otras alternativas no son viables o rentables, aun buscan su espacio. Mientras tanto las velas rígidas presentan un futuro más viable.