Diseño básico de un motor fuera borda híbrido eléctrico

Abstract

La sostenibilidad es un tema de gran interés para la población. ¿Seremos capaces de seguir manteniéndonos con los recursos que tenemos? Algunos opinan que al ritmo al que va avanzando la tecnología cada vez se necesitan menos recursos. Otros opinan que si seguimos a este ritmo se agotarán los recursos. El transporte acuático hoy en día tiene una dependencia casi exclusiva del petróleo. Este recurso al no ser renovable llegará un momento antes o después en el que se agote, ¿y entonces qué? Hoy por hoy es indispensable en el sector, sin embargo, esto no quiere decir que no lo podamos sustituir. Contamos con nuevas tecnologías y recursos que reúnen las características necesarias para sustituir al petróleo el día de mañana. Este proyecto intenta comprender la situación actual y el problema que estamos generando con la alta dependencia del petróleo e intentar colaborar proponiendo una solución híbrida eléctrica para los fuera bordas que sea económicamente y medioambientalmente viable. Se tienen dos maneras de clasificar los vehículos híbridos eléctricos. En primer lugar según su configuración dividiéndose en hibridación en serie e hibridación en paralelo. En segundo lugar se podrían clasificar según el grado de electrificación. dicho vehículo y el diseño óptimo para ese uso. Si lo que se busca es un vehículo eléctrico con asistencia de un motor de combustión que trabaje en unos límites aceptables y que mantenga las baterías en carga constantemente entonces se necesitaría una configuración en serie. En cambio si lo que se busca es un vehículo con todas las características que puede aportar un vehículo de combustión interna pero con menos emisiones y consumo reducido entonces de lo que se trata es de una configuración en paralelo. Atendiendo a este criterio, la configuración del motor híbrido de este proyecto es en paralelo Actualmente existen fuera bordas eléctricos y todo tipo de barcos híbridos y eléctricos pero todavía el mercado no dispone de ningún tipo de fuera borda híbrido. Es por ello que en este proyecto intentaremos configurar uno y ver si realmente es rentable. En este proyecto se ha empezado por exigirle al fuera borda una serie de requisitos entre los que destaca la capacidad para recorrer cualquier puerto de España en modo totalmente eléctrico, es decir, con una velocidad máxima de 3 nudos. Además se le ha exigido al motor eléctrico la capacidad de colaborar en trayectos largos (a velocidad de crucero de 22 nudos) aportando energía a la par que aporta el motor térmico. Primero se ha empezado por el diseño del casco de la embarcación. Puede parecer extraño pero dependiendo del tipo de casco de la embarcación, el fuera borda necesita una potencia u otra para vencer las fuerzas resistentes provocadas por el mar. Es por ello que esta parte es fundamental como base para analizar la efectividad del motor híbrido. Una vez escogido el casco se han analizado las distintas fuerzas que pueden afectar para así escoger el motor eléctrico y el motor térmico que resulten más interesantes para cumplir con los requerimientos solicitados. Estas fuerzas se pueden clasificar en tres, la resistencia aerodinámica, la resistencia hidrodinámica y la resistencia de las olas. Sin embargo todas estas resistencias tendrán mayor o menor influencia dependiendo del número de Froude en el que nos encontremos. Un número de Froude bajo nos permite dimensionar hasta velocidades de 8 nudos y nos indica que la resistencia de las olas se puede despreciar por completo. Por lo tanto, para el análisis del motor eléctrico se ha tenido en cuenta esto además de la potencia requerida para acelerar la embarcación de 0 a 3 nudos que es lo que realmente ha determinado la potencia eléctrica solicitada (6,4 kW). realizar la estimación de potencia de una embarcación. El método de Savitsky es un método usado para estimar la potencia necesaria para embarcaciones planeadoras. Este es el caso de nuestra embarcación por lo tanto se ha utilizado para dimensionar la potencia necesaria (184 kW). Posteriormente se ha hecho un análisis de los distintos tipos de baterías que se encuentran hoy por hoy en el mercado. Se ha decidido usar las baterías de ion-litio ya que son las baterías que menos pesan, presentan un tamaño más reducido, sus ciclos de vida son bastante aceptables, tienen gran densidad de potencia y son las que más tardan en descargarse. La energía total necesaria para cumplir con los requisitos solicitados es 2694Wh. Finalmente se ha dimensionado el tanque de combustible usando las gráficas de potencia y consumo de combustible obtenidas a partir del fabricante de nuestro motor térmico. Esto nos ha llevado a un tanque de 300 litros para recorrer una distancia de 350 km a 17 nudos. Una vez que el fuera borda está completamente diseñado se ha procedido a analizar los resultados y ver si es rentable o no. Para ello se ha analizado dos modos de funcionamiento. Primero el totalmente eléctrico para entrar y salir de un puerto de 7 km. En este caso, se ha podido observar cómo se ahorran 24 litros de combustible, 63,58 kg de ��������������� y 25 euros. En el segundo modo de funcionamiento que implica el uso del motor eléctrico y térmico en paralelo para recorrer una distancia de trayecto habitual como puede ser la distancia entre Ibiza y Formentera, se ha podido observar cómo se ahorran 7 litros de combustible, 18 kg de ��������������� y 7 euros. Además, se ha hecho una crítica de la reglamentación náutica actual con respecto a las emisiones, en particular de los grandes buques que hoy en día son imprescindibles para el transporte de mercancías. Es necesaria una nueva regulación que proponga una nueva hoja de ruta pues de seguir por este camino se pone en peligro el bienestar de los seres humanos y del planeta. Como conclusión final y en vista de los resultados obtenidos, se puede observar como el proyecto es favorable desde las tres perspectivas. Es decir, es favorable desde el punto de vista medio ambiental ya que se reduce considerablemente la emisión de realmente importante ya que como comentamos al principio, el petróleo es una energía no renovable y llegará un momento en el que se agote. Finalmente, hay que destacar que en favorable en el aspecto económico a largo plazo que es lo que realmente le importa a la gente. Por todos estos motivos, y como ya se ha señalado anteriormente, la ley debería ser más estricta en el tema de la contaminación aportando incluso subvenciones para ayudar a que las grandes empresas introduzcan este tipo de motores que presentan aspectos positivos para la humanidad y el planeta tierra.

Sustainability is a topic of great interest to the population. Will we be able to continue keeping with the resources we have? Some argue that at the pace at which technology is advancing fewer resources are needed. Others believe that if we continue at this rate resources will run out. Nautical transport has an almost exclusive dependence on oil. This non-renewable resource will extinguish, and then what? Today oil is indispensable in the sector, however, this does not mean that we cannot replace it. We have new technologies and resources that meet the characteristics needed to replace it tomorrow. This project seeks to understand the current situation and the problem based on generating high dependence on oil and try to collaborate by proposing an electric hybrid solution for outboards that is economically and environmentally feasible. There are two ways of classifying hybrid electric vehicles. First among the configuration, it exists serial hybridization and hybridization in parallel. Second they could be classified according to the degree of electrification. The choice between a system in series or parallel is the use that will have such vehicle and the optimal design for that use. If what is sought is an electric vehicle with assistance of a combustion engine working within acceptable limits in order to keep the batteries constantly charged what we need is a serial configuration. However, if what is sought is a vehicle with all the features that can provide an internal combustion vehicle but with lower emissions and reduced consumption then what comes is a parallel configuration. In response to this criterion, the configuration of the hybrid engine of this project is in parallel. Currently there exists electrical outboards and all kinds of hybrid and electric boats but the market does not offer any hybrid outboard. That is why in this project we will try to set up one and see if it is profitable. This project has begun by demanding a series of requirements for the outboard. Among this we have underlined the ability to traverse any port of Spain in all-electric mode, with a maximum speed of 3 knots. It has also been demanded the ability of becoming influent on long journeys (a cruising speed of 22 knots) providing energy to the torque provided by the engine. First should be designed the hull. It may seem strange but depending on the type of hull, the outboard needs a power or another to overcome the resistance forces caused by the sea. That is why this part is essential as a basis for analysing the effectiveness of the hybrid engine. Once chosen the hull, have analysed the various forces that can affect order to choose the electric motor and the internal combustion engine that are most interesting to meet the requirements requested. These forces can be classified in three: drag, hydrodynamic resistance and the resistance of the waves. However all these resistors will have more or less influence depending on the Froude number. A low Froude number allows us to measure up to speeds of 8 knots and indicates that the strength of the waves can be neglected altogether. Therefore, for analysis of the electric motor has taken this into account in addition to the power required to accelerate the boat from 0 to 3 knots which is what actually determined the requested electric power (6.4 kW). Below it dimensioned the engine. There are several methods for estimating boat’s power. Savitsky method is a method used to estimate the power required for planing boats. This is the case of our vessel therefore has been used for dimensioning the required power (184 kW). Subsequently made an analysis of the different types of batteries that are today in the market. It was decided to use lithium-ion batteries as the batteries that weigh less, have a smaller size, their life cycles are quite acceptable, have high power density and take more to download. The total energy needed to meet the requirements requested is 2694Wh. Finally it dimensioned fuel tank using the graphs of power and fuel consumption obtained from the manufacturer of our engine. This has led us to a tank of 300 litres for a distance of 350 km to 17 knots. Once the outboard is completely designed it has proceeded to analyse the results and see if it is profitable or not. For this we have analysed two operating modes. First allelectric to enter and exit a port 7 km. In this case, it has been observed how 24 litres of fuel, 63.58 kg of ��������������� and 25 euros are saved. In the second mode of operation involves the use of electric and combustion engine in parallel for a distance of usual route such as the distance between Ibiza and Formentera, has been observed how 7 litres of fuel are saved, 18 kg of ��������������� and 7 euros. Moreover, it has done a review of the current nautical regulations regarding emissions, particularly of large ships which nowadays are essential for the transport of goods. A new regulation proposing a new road map is needed as to continue on this path it puts the welfare of human beings and the planet in danger. As a final conclusion and in view of the results, you can see how the project is favourable from the three perspectives. That is, it is favourable from the environmental point of view since the emission of hydrocarbons is greatly reduced. It is favourable from the viewpoint of fuel which is really important because as discussed earlier, the oil is a non-renewable energy and there will come a time when it is depleted. Finally, it is favourable in the long-term economic aspect which is what really matters to people. For all these reasons, and as noted above, the law should be stricter on the issue of pollution contributing even grants to help large companies introduce such engines with positive aspects for humanity and the planet Earth.