La superficie de la Tierra está mayormente cubierta de agua salada, y el ser humano ha tenido que adaptarse a este medio para poder moverse por el mundo, conocer, comerciar, intercambiar y desarrollarse hasta crear la sociedad que somos a día de hoy. El transporte marítimo de personas y bienes ha evolucionado con los siglos, siendo clave la transformación hacia barcos de mayor capacidad, más duraderos y que puedan viajar de forma rápida y eficiente en términos energéticos. La construcción y reparación de barcos ha sido y sigue siendo un sector clave en la economía, siendo actualmente el siguiente paso en su evolución la implementación de tecnología que logre su digitalización, optimización y descarbonización.

Actualmente los astilleros son grandes consumidores energéticos, siendo prácticamente la totalidad de su demanda en forma de electricidad, y usando combustibles fósiles para el movimiento de materiales y personas, o para generar agua caliente en los edificios. Este consumo eléctrico en la actualidad lleva asociadas varias problemáticas:

• Los astilleros tienen una actividad discontinua y que varía en función de la fase de construcción del buque en la que se encuentren, siendo muy difícil caracterizar su curva de consumo diaria o mensual.
• El tipo de consumo varía en función de la tipología de astillero, existiendo principalmente astilleros constructores y reparadores.
• La mayoría de astilleros no tienen monitorizados sus consumos energéticos y sus principales actores, siendo inviable la implementación validada de estrategias de ahorro energético y descarbonización.
• El proceso de construcción de un barco involucra a múltiples empresas subcontratadas que realizan sus operaciones en las instalaciones del astillero. Sin embargo, se suele desconocer el consumo eléctrico, de aire comprimido y de gases de soldadura que realizan. De igual forma no se considera este consumo dentro de su contrato con el astillero.
• Los astilleros cuentan con un enorme listado de maquinaria y consumidores energéticos, cuyo uso varía en gran manera en función del tipo de barco que estén construyendo, o la reparación que estén realizando, quedando muchos de ellos sin operación durante meses, pero pudiendo emplearse de forma intensiva ocasionalmente. Un claro ejemplo son las grúas, las cuales representan la mayor potencia instalada pero su uso es esporádico.

El proyecto TECNAVAL25, englobado dentro del programa PERTE NAVAL y liderado por SOERMAR, ha permitido a AIGUASOL aplicar su experiencia en 5 astilleros ubicados en Vigo, Huelva, Ceuta y Gran Canaria, impulsando su la transformación hacia un modelo más competitivo desde una perspectiva energética y medioambiental. Los principales objetivos y tareas de este proyecto han sido:

• Analizar la viabilidad de implementar un sistema avanzado de gestión y optimización energética con apoyo de inteligencia artificial.
• Realizar auditorías energéticas para definir el potencial de reducción de energía y emisiones.
• Diseñar un plan de monitorización con contadores y actuadores en la microrred del astillero identificando los consumidores estratégicos.
• Viabilidad de la implantación de un módulo de facturación energética dirigido a controlar el consumo energético de las empresas subcontratadas por los astilleros. 
• Realización de simulaciones energéticas analizar la viabilidad de inversiones en eficiencia energética y en tecnologías de generación renovable.

La metodología implementada para llevar a cabo a cabo el proyecto se basó en la obtención de información a través de comunicación directa con los 5 astilleros, validación de los avances mediante entrevistas, empleo de herramientas de simulación energética como Design Builder y SAM, y aplicación de herramientas propias de análisis de consumos horarios desarrolladas en Python. Los resultados obtenidos tras el estudio realizado por Aiguasol durante un año se agrupa en tres bloques:

Inventario energético y auditorías

Tras los consumos horarios y la maquinaria de cada astillero, se identificó el sistema de aire presurizado alimentado por compresores y los trabajos de soldadura como los dos principales consumidores de energía, pudiendo suponer entre el 30 y el 55% del consumo eléctrico anual del astillero. La construcción de un barco se desarrolla por etapas, comenzando por dar forma a planchas de acero mediante procesos de curvatura, doblado, aplicación localizada de calor y cortes, y a partir de su unión van conformando piezas del casco y del interior, que a su vez se van uniendo en bloques de mayor tamaño hasta componer el barco completo. Toda la construcción del interior se puede realizar en tierra o a flote, siendo críticos los trabajos de chorreado y pintura de todas las superficies para protegerlas de las extremas condiciones a las que las somete el mar. Durante todo el proceso se requieren trabajos de calderería y soldadura, y tanto para aplicar pintura como para quitarla para su renovación periódica, se emplean grandes cantidades de aire comprimido. Otros consumos secundarios vienen del uso de ACS, climatización, iluminación, grúas y maquinaria de los diferentes talleres.

Para reducir el gasto energético y avanzar hacia la descarbonización de los astilleros se definieron soluciones para electrificar aquellas demandas cubiertas hoy día principalmente con gasóleo, seguidamente reducir los consumos mediante medidas de eficiencia, y finalmente aprovechar los recursos renovables locales para cubrir estos consumos. Entre las medidas más destacadas son:

• Electrificación de la flota de transporte, carretillas y elevadoras: se minimizan las emisiones locales y se reduce la energía consumida en un 70%.
• Electrificación y centralización de la climatización y ACS mediante bombas de calor de alta eficiencia: reducción de la electricidad anual consumida entre 4 y 15% en función de la climatología y consumo típico de ACS que realice el astillero.
• Optimización del uso de transformadores: supone hasta un 18% de reducción del consumo eléctrico.
• Sectorización y automatización de interruptores: se logran ahorros entre el 4 y el 17% de la electricidad consumida.
• Instalación de variadores de frecuencia y reducción de fugas de aire comprimido: se logran ahorros entre el 6 y el 14% de la electricidad consumida.
• Instalación de fotovoltaica y aerogeneradores: cubre la electricidad consumida por el astillero entre un 20 y un 60% en función del espacio disponible.
• Optimización de potencia y compensación de reactiva: ahorros económicos de hasta el 13%.

Sistema de monitorización

Se ha diseñado un sistema de contadores y actuadores a consumidores energéticos en base a tres criterios. El primero es el de conocer la operación de los principales consumidores, el segundo es el de monitorizar aquellos procesos donde existan medidas de ahorro claves y se necesitó conocer su consumo para analizar la viabilidad de las mismas, y por último el criterio de monitorizar los equipos relacionados con el aprovechamiento del recurso renovable. Los astilleros son amplias instalaciones junto al mar y su mayor superficie se encuentra a la intemperie, por lo que se ha propuesto el uso del sistema de comunicación LoRaWAN, por la cual se pueden enviar pequeños paquetes de información, pero a través de ondas de radio de baja frecuencia. Gracias a ello los sensores y contadores pueden enviar sus datos de forma remota, recorriendo la señal grandes distancias, pudiendo atravesar paredes y otros obstáculos del astillero y con un consumo mínimo de energía.

Participación en mercados de flexibilidad

Red Eléctrica ofrece beneficios a las entidades capaces de flexibilizar su consumo eléctrico bajo petición, ayudando a descongestionar nodos. Estos mecanismos se han ido incorporando en los últimos años ante la creciente electrificación de demandas y la integración de fuentes renovables en la red. Se ha estudiado la oportunidad que supone para los astilleros, analizando su capacidad de desplazar picos de demanda horarios, la acumulación térmica y eléctrica disponible y el gran potencial que poseen para incorporar sistemas renovables. La generación eléctrica con tecnología fotovoltaica y baterías han demostrado ser una estrategia de gran impacto en la reducción de emisiones, la mejora de la soberanía de los astilleros y además un ahorro en costes al poder participar en mercados de compraventa de electricidad. El estudio ha evaluado el potencial de participación de los astilleros en los mercados de flexibilidad a partir de simulaciones con perfiles reales de consumo, generación fotovoltaica y precios horarios de mercado. Se han analizado 100 combinaciones distintas de potencia FV, capacidad de batería y estrategias de respuesta a la demanda, incorporando escenarios con diferentes niveles de inflación energética y diferencia relativa (spread) de precios entre horas punta y valle.

Los resultados muestran mayor beneficio en los astilleros a mayor escala permitiendo mejor relación entre inversión y retorno, lo que permite alcanzar mayores grados de soberanía energética y reducir significativamente el coste nivelado de la energía (LCOE). Las baterías permiten realizar arbitraje energético, aprovechando los momentos de precio alto para la descarga y maximizando los ingresos cuando se da prioridad a la venta de excedentes. Mientras que estrategias de almacenamiento con baterías son favorables con niveles de inflación altos y spreads horarios moderados, las estrategias basadas en respuesta a la demanda flexible obtienen mejores resultados en entornos con alta inflación y spreads elevados, donde el valor de desplazar consumo es más significativo.

La participación en el Servicio de Respuesta Activa de la Demanda (SRAD) permitiría ingresos adicionales, aunque más limitados, debido tanto a la menor capacidad real de modulación horaria de las cargas, como a las restricciones actuales del marco regulatorio, que dificultan la participación efectiva de consumidores industriales en este tipo de servicios. Para que estas estrategias se consoliden y se desplieguen a mayor escala, resulta clave una evolución del marco regulatorio, que ya en los últimos años ha avanzado con la creación de nuevas figuras como el agregador independiente y servicios como el SRAD.

Este estudio cimienta las bases para el desarrollo de un futuro proyecto de I+D en el que, con la integración del sistema de monitorización propuesto, sea posible llevar a cabo un análisis en detalle del potencial de las medidas de descarbonización y de la participación en mercado de flexibilidad de la demanda empleando herramientas de análisis con inteligencia artificial, acompañando así a grandes y pequeños constructores de barcos en la continua evolución  de uno de los oficios más antiguos y esenciales para nuestra sociedad.

Además, el estudio también abre las puertas a investigar sobre la aplicación de nuevas soluciones que lleven a la completa descarbonización de los astilleros. Es posible aumentar el potencial de generación renovable a través de la creación de comunidades energéticas entre las empresas portuarias, que puedan aprovechar todo el potencial de sus amplias cubiertas para consumir de forma conjunta energía solar y aprovechar las sinergias entre las diferentes curvas de consumo. Ante la creciente necesidad de estrategias de almacenamiento más allá de las baterías convencionales, las grandes grúas de muy elevada potencia que poseen los astilleros y que sólo usan de forma esporádica suponen una oportunidad para almacenar electricidad en forma de energía potencia, para ser liberadas cuando se demanden picos de electricidad o haya que descongestionar nodos de red. De igual forma, el uso de combustibles alternativos para barcos empleando metanol o hidrógeno da la oportunidad a los astilleros de convertirse en productores de dichos combustibles o aprovechando la reversibilidad de las pilas de combustible de hidrógeno para almacenar sus excedentes fotovoltaicos y vender parte del hidrógeno generado. Por último, las crecientes sequías en el sur de Europa, muy críticas en islas y zonas costeras, se convierten en un problema para proveer de agua dulce a astilleros y zonas portuarias. Con ello aparece la oportunidad de integrar sistemas de desalinización, los cuales pueden flexibilizar su consumo eléctrico para adaptarse a la curva de generación solar o eólica y aportar el agua dulce requerida en la zona portuaria a la vez que almacenando los excedentes renovables.