Marpower avanza en el desarrollo de tecnologías para descarbonizar el transporte marítimo
El proyecto europeo Marpower avanza en el desarrollo de un sistema de conversión de energía basado en turbinas de gas para la generación de electricidad y la cogeneración a bordo de buques. La iniciativa, que ha completado sus dos primeros años de trabajo, busca mejorar la eficiencia energética del transporte marítimo y desarrollar una solución capaz de funcionar con diferentes combustibles sostenibles, como hidrógeno, amoniaco, metanol y metano renovables.
La descarbonización del transporte marítimo plantea importantes desafíos debido a sus elevadas necesidades energéticas, la dependencia de los combustibles fósiles y la larga vida útil de los buques. En este contexto, Marpower trabaja en una arquitectura energética que combina distintas tecnologías para mejorar el aprovechamiento de la energía y reducir el consumo de combustible.
Durante la primera mitad del proyecto se ha completado el diseño general del sistema y de su ciclo energético, y se han desarrollado los diseños detallados de los principales componentes. Además, varias tecnologías han alcanzado las fases de fabricación y ensayo experimental, mientras que el gemelo digital del sistema incorpora progresivamente modelos más detallados.
Avances en turbinas y compresores
Una de las líneas de trabajo se centra en optimizar la turbomaquinaria para adaptarla a las características específicas del sistema Marpower. Ya se han completado los diseños de los compresores de baja y alta presión, así como el diseño aerodinámico y de refrigeración de la turbina de alta presión y la optimización de la turbina de baja presión.
El sistema presenta particularidades que condicionan el diseño, como una configuración de dos ejes cuyos conjuntos rotativos funcionan a la misma velocidad angular y la integración de rodamientos magnéticos activos, que requiere mayores holguras en el diseño aerodinámico. También se ha tenido en cuenta la flexibilidad de combustible, ya que el uso de distintas alternativas puede modificar la temperatura de entrada a la turbina.
Entre los avances destaca el desarrollo de un procedimiento para optimizar los canales internos de refrigeración de la turbina de alta presión. Las simulaciones de transferencia de calor conjugada realizadas sobre el diseño resultante indican que este requiere un caudal de refrigerante aproximadamente un 15 % inferior al estimado mediante correlaciones convencionales de la literatura técnica.
Por su parte, la turbina de baja presión se ha optimizado mediante álabes con geometrías tridimensionales adaptadas a las características del sistema. La siguiente fase permitirá estudiar el comportamiento de los componentes en condiciones distintas de las nominales, durante regímenes transitorios y con diferentes combustibles.
Una cámara de combustión probada con hidrógeno
La flexibilidad de combustible constituye uno de los elementos centrales de Marpower. El sistema está diseñado para admitir distintas alternativas sostenibles y de emisiones netas cero sin necesidad de introducir grandes modificaciones en la cámara de combustión.
El primer prototipo de esta cámara ya se ha fabricado, instrumentado y probado satisfactoriamente con hidrógeno al 100% en un banco de ensayos a presión atmosférica. Las pruebas se han llevado a cabo tras realizar simulaciones de dinámica de fluidos computacional y desarrollar la infraestructura necesaria para suministrar y distribuir el hidrógeno.
Los resultados experimentales, junto con nuevas simulaciones, servirán de base para el diseño de un segundo prototipo. Este incorporará un sistema flexible de distribución de aire y nuevas optimizaciones geométricas para ampliar la capacidad de funcionamiento con diferentes combustibles.
Recuperación de calor para mejorar la eficiencia
El proyecto también trabaja en el aprovechamiento de la energía térmica disponible dentro del ciclo de la turbina de gas y en los gases de escape. Para ello, combina un sistema de recuperación de calor interno con otro destinado a aprovechar el calor residual.
En el primer ámbito, ya se ha fabricado y ensamblado un prototipo de recuperador a escala, con una capacidad equivalente a una centésima parte de la prevista para el sistema completo. El componente incorpora una nueva geometría de superficie de transferencia térmica y se ha fabricado mediante un proceso automatizado de soldadura láser robotizada.
El prototipo ha superado los ensayos no destructivos y las pruebas de presión a 22,3 bares. Tras realizar las pruebas preparatorias, el equipo está ultimando las modificaciones de las instalaciones antes de continuar con su validación experimental.
En paralelo, se ha completado el diseño del sistema de recuperación de calor residual, que incluye una caldera de recuperación y un ciclo asociado con turbina de vapor, bomba, generador, rodamientos magnéticos activos y dinámica del rotor. La combinación de ambas soluciones pretende aumentar la eficiencia global del sistema y reducir el consumo de combustible.
Rodamientos magnéticos activos y control del rotor
Otra de las líneas de desarrollo aborda los rodamientos magnéticos activos, una tecnología que permite sostener el rotor sin contacto mecánico convencional y controlar activamente su posición. Su utilización resulta relevante para la maquinaria rotativa de alta velocidad prevista en Marpower, al limitar el desgaste mecánico.
El proyecto ya ha diseñado, fabricado e integrado un rodamiento magnético activo axial en un banco de ensayos de volante de inercia existente. Las primeras pruebas de impacto y recuperación del rotor se han completado satisfactoriamente.
Asimismo, se ha desarrollado un modelo matemático multifísico que combina la dinámica del rotor, el electromagnetismo y el comportamiento térmico de los rodamientos. Este modelo servirá de base para desarrollar estrategias de control que tengan en cuenta los efectos de la temperatura.
El equipo también trabaja en la evaluación de un sistema rotativo de 2,7 MW sometido a los movimientos propios de un buque. Para ello, está desarrollando un rotor de menor tamaño que reproduzca las características dinámicas relevantes del sistema a escala real, junto con una plataforma hidráulica móvil capaz de simular movimientos longitudinales, de cabeceo y de balanceo.
Estas pruebas permitirán estudiar la dinámica del rotor y el control de los rodamientos magnéticos en condiciones representativas del movimiento de un buque. Paralelamente, continúa el desarrollo del eje de alta presión, con trabajos de diseño mecánico, análisis de elementos finitos y modelización de los rodamientos, antes de su futura fabricación y validación experimental.
Un gemelo digital para integrar las tecnologías
La integración de los diferentes componentes constituye otro de los pilares del proyecto. Para analizar cómo interactúan las tecnologías a escala de sistema, Marpower cuenta ya con una primera versión calibrada de su gemelo digital, basada en el punto de diseño del conjunto.
El proceso de simulación se ha automatizado para facilitar el estudio de distintas condiciones de funcionamiento, incluidas las operaciones a carga parcial, las situaciones alejadas de las condiciones nominales y los cambios de combustible.
Un primer análisis de sensibilidad ha identificado variables con una influencia significativa en la potencia generada y la eficiencia térmica, entre ellas la temperatura de entrada a la turbina, la temperatura ambiente y la eficiencia del compresor de baja presión.
También se ha preparado un submodelo específico de los rodamientos magnéticos activos que permite intercambiar información entre los modelos de dinámica del rotor y los modelos termodinámicos mediante técnicas de cosimulación. A medida que se obtengan nuevos datos experimentales, estos se incorporarán para perfeccionar y validar de forma cruzada el gemelo digital.
Integración a bordo y evaluación de la viabilidad
Durante la segunda mitad del proyecto, los trabajos se orientarán hacia una mayor integración de las tecnologías, con nuevos ensayos experimentales y validaciones en condiciones más representativas de la operación marítima.
Entre las próximas actividades figuran la continuación de los ensayos de la cámara de combustión y del recuperador, la fabricación y el ensamblaje del segundo prototipo de combustión, el desarrollo de las configuraciones de ejes y rodamientos magnéticos activos y la mejora del gemelo digital mediante modelos más detallados y datos experimentales.
Además, se estudiará la posible integración del sistema completo en dos tipos de buques de referencia: portacontenedores y cruceros. Los análisis contemplarán las configuraciones básicas de las salas de máquinas y utilizarán simulaciones digitales para evaluar el comportamiento energético y las emisiones en diferentes escenarios operativos.
Estos estudios también permitirán examinar las posibilidades de incorporar las tecnologías Marpower a buques existentes, teniendo en cuenta su larga vida útil y los desafíos técnicos y económicos que implica adaptar la flota actual.
La evaluación incluirá, además, el cumplimiento de los reglamentos de seguridad, las normas y las prácticas de ingeniería aplicables, así como la posible obtención de una aprobación de principio y el desarrollo de un proceso de cualificación tecnológica con vistas a una futura certificación. También se analizarán la seguridad, los riesgos, el mantenimiento, el ciclo de vida y los costes asociados al sistema.
Un consorcio europeo hasta 2028
Los avances de Marpower ya se han presentado en encuentros científicos y técnicos internacionales, como ASME Turbo Expo e IFToMM Rotordynamics 2026. El proyecto prevé continuar difundiendo sus resultados a medida que progresen los ensayos, la modelización y la validación de las tecnologías.
Para Jussi Sopanen, profesor y coordinador del proyecto en la Universidad Tecnológica de Lappeenranta-Lahti (LUT University), alcanzar el ecuador marca el paso hacia una fase de mayor integración. “Durante la primera mitad de Marpower hemos avanzado en el diseño del sistema, desarrollado tecnologías clave y comenzado a obtener resultados experimentales. El reto ahora es integrar progresivamente estos desarrollos, ampliar los ensayos en condiciones más representativas y reunir las evidencias necesarias para evaluar el sistema completo y su integración a bordo de buques”, ha señalado.
Coordinado por LUT University, Marpower reúne a once socios de seis países europeos: Aurelia Technologies, Alfa Laval, Politecnico di Milano, RINA Consulting, RINA Services, Universidad de Vigo, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), Chantiers de l’Atlantique y Zabala Innovation.
