Noticias

Sep 22, 2023

La rápida disminución del costo de la batería acelera las perspectivas de todos

Nature Energy volumen 7, páginas

Nature Energy volumen 7, páginas 664–674 (2022)Citar este artículo

28k Accesos

10 citas

461 Altmetric

Detalles de métricas

El transporte marítimo internacional, impulsado por fueloil pesado, es uno de los principales contribuyentes a las emisiones globales de CO2, SO2 y NOx. La electrificación directa de embarcaciones marítimas ha sido poco explorada como una opción de bajas emisiones a pesar de su considerable ventaja de eficiencia sobre los electrocombustibles. Los estudios anteriores sobre la electrificación de barcos se han basado en suposiciones obsoletas sobre el costo de la batería, los valores de densidad de energía y el espacio disponible a bordo. Mostramos que a precios de batería de US$100 kWh−1, la electrificación de rutas comerciales intrarregionales de menos de 1500 km es económica, con un impacto mínimo en la capacidad de carga de los barcos. Incluyendo los costes medioambientales aumenta la autonomía económica a 5.000 km. Si las baterías alcanzan un precio de US$50 kWh−1, el rango económico casi se duplica. Describimos un camino para la electrificación de la batería de los portacontenedores dentro de esta década que electrifica más del 40% del tráfico mundial de portacontenedores, reduce las emisiones de CO2 en un 14% para los buques con base en los EE. UU. y mitiga los impactos en la salud de la contaminación del aire en las comunidades costeras.

La industria del transporte marítimo, que transporta 11 000 millones de toneladas al año, maneja casi el 90 % del comercio mundial en masa1,2. El crecimiento meteórico de la industria se ha visto respaldado por el acceso a fuelóleo pesado (HFO) barato y de gran densidad energética. La industria del transporte marítimo consume 3,5 millones de barriles de HFO de bajo grado al año, produce el 2,5 % de las emisiones antropógenas totales de dióxido de carbono equivalente (CO2e) en 20182,3 y genera enormes daños por la eutrofización marina y la ecotoxicidad, la contaminación del aire y los impactos del cambio climático4. Para 2050, se prevé que las emisiones del transporte marítimo contribuyan hasta con el 17 % de las emisiones globales de CO2e5,6. La enorme contribución de la industria a los contaminantes atmosféricos de criterio (12 % y 13 % de las emisiones antropógenas mundiales anuales de SO2 y NOx, respectivamente) causó unas 403 300 muertes prematuras por cáncer de pulmón y enfermedades cardiovasculares en 20203,7.

La creciente presión política ha llevado a la Organización Marítima Internacional (OMI) a tomar medidas reglamentarias para reducir las emisiones de GEI de conformidad con el Acuerdo de París. Las acciones incluyen la resolución MEPC.302(72), cuyo objetivo es reducir las emisiones anuales de CO2e en un 50 % para 2050 desde los niveles de 20088, y enmiendas recomendadas al Convenio internacional para prevenir la contaminación por los buques (MARPOL), cuyos miembros cubren el 99,4 % de tonelaje marítimo mundial—para prohibir el uso o el transporte de HFO en aguas del Ártico después de 20249,10. En conjunto, los estándares de emisiones de 2020 de la OMI redujeron el contenido permitido de azufre en combustibles marinos del 3,5 % al 0,5 % en masa11.

Frente a este panorama regulatorio cada vez más estricto, la industria del transporte marítimo está compitiendo para identificar alternativas comercialmente implementables de cero emisiones al HFO a un ritmo suficiente para frenar sustancialmente las emisiones del sector y evitar un cambio climático catastrófico. Las perspectivas optimistas para las alternativas de cero emisiones para aplicaciones marinas sugieren que los electrocombustibles (combustibles electrónicos) aumentarían el costo total de propiedad para los graneleros en un 200-600 % en relación con el HFO12. Dicho análisis impulsa una investigación adicional sobre qué tecnologías de propulsión existentes podrían alcanzar la paridad con HFO en un futuro cercano, particularmente la propulsión eléctrica por batería. Maersk, la compañía naviera más grande por volumen, ya está probando la hibridación de baterías en un portacontenedores que opera entre Asia oriental y África occidental13. Se espera que un portacontenedores de 80 m totalmente eléctrico, el Yara Birkeland, comience a operar de forma autónoma en Noruega a principios de la década de 2020. Proyectos similares de embarcaciones eléctricas a batería están en marcha en Japón, Suecia y Dinamarca14,15. Sin embargo, aún no se ha realizado un análisis sistemático del potencial de adopción de portacontenedores eléctricos a batería. Con la excepción de estos proyectos piloto iniciales, la propulsión eléctrica a batería ha sido poco explorada como una alternativa potencial de bajas emisiones en el sector del transporte marítimo a pesar de: su considerable potencial de reducción de emisiones; disminución reciente en los costos de la batería; mejoras en las densidades de energía de las baterías; aumentar la disponibilidad de electricidad de bajo costo generada de forma renovable; y su ventaja sustancial de eficiencia sobre los combustibles electrónicos como el hidrógeno verde y el amoníaco.

Utilizando los mejores costos de batería y densidades de energía disponibles, examinamos la perspectiva técnica, la viabilidad económica y el impacto ambiental de los portacontenedores eléctricos a batería. Definimos dos escenarios: primero, un escenario de referencia que utiliza los mejores costos de batería disponibles en la actualidad, costos de HFO, densidades de energía de batería y precios de energía renovable; y, segundo, un escenario de futuro cercano que prueba los impactos de las mejoras proyectadas para 2030 en estas variables. A diferencia de la mayoría de los estudios anteriores, tratamos el volumen reutilizado para albergar el sistema de almacenamiento de energía de la batería (BES) como un costo de oportunidad en lugar de una restricción técnica fija. Especificamos ocho clases de tamaño de portacontenedores y modelamos sus necesidades energéticas, sus emisiones de CO2, NOx y SO2, y el costo total de propulsión (TCP) en 13 rutas comerciales importantes del mundo, creando 104 escenarios únicos de tamaño de barco y longitud de ruta que se pueden comparar con casi cualquier portacontenedores que opere hoy en día. Nos centramos en los portacontenedores eléctricos a batería y exploramos brevemente las implicaciones de nuestros resultados para electrificar otros tipos de barcos. Nuestros resultados sugieren que más del 40% del tráfico mundial de portacontenedores podría electrificarse de manera rentable con la tecnología actual, reduciendo las emisiones de CO2 en un 14% para los buques con base en los EE. UU. y mitigando los impactos en la salud de la contaminación del aire en las comunidades costeras.

A corto plazo, la mayoría de los operadores de barcos han recurrido a medidas de eficiencia energética como la navegación lenta (reducir deliberadamente la velocidad de crucero de un barco para reducir el consumo de combustible), la optimización de rutas y la gestión de incrustaciones en el casco para cumplir con los mandatos de la OMI16. Sin embargo, las reducciones de emisiones del 10% al 15% que se pueden lograr a través de estas medidas no son suficientes para cumplir con las próximas regulaciones de eficiencia de la OMI17,18. La tecnología de baterías híbridas se ha explorado como una solución viable a corto plazo para reducir, pero no eliminar, las emisiones de las fuentes de energía de combustibles fósiles. Un estudio sugiere que el mejor de los casos para los sistemas híbridos es solo una reducción del 14 % en las emisiones de los graneleros (que comprenden el 2 % de las emisiones de la flota global)19, no sustancialmente mejor que las medidas de eficiencia energética existentes. Los reactores nucleares modulares pequeños, que se han utilizado en aplicaciones militares y submarinas durante décadas20, son una alternativa viable, pero es poco probable que logren un despliegue generalizado en buques comerciales dados los desafíos regulatorios que rodean la proliferación nuclear, la seguridad y la eliminación de desechos. El gasóleo marino, el gas licuado de petróleo, el gas natural licuado, el metanol y sus derivados biológicos han recibido una atención considerable como opciones a mediano y largo plazo, pero investigaciones recientes han cuestionado el potencial de estos combustibles para alcanzar la paridad de costos y reducir considerablemente los GEI del ciclo de vida. emisiones21,22,23. No todos los modos de transporte son candidatos viables para la electrificación inmediata y directa; los aviones a reacción comerciales no pueden electrificarse razonablemente hasta que la energía específica del paquete de baterías aumente de tres a diez veces sus valores actuales24. Es en este contexto que las tecnologías de propulsión generadas con energía renovable han recibido la mayor atención. Por ejemplo, se espera que el hidrógeno azul (hidrógeno producido a partir de gas natural con captura y almacenamiento de carbono) reduzca las emisiones de GEI en solo un 20 % en comparación con la quema de gas natural25. Si bien el amoníaco y el hidrógeno producidos de forma renovable brindan reducciones de emisiones operativas, la ineficiencia del proceso de producción en relación con el HFO hace que sea poco probable que se vuelvan lo suficientemente competitivos en costos como para desplazar a los combustibles fósiles26,27. Por el contrario, la electrificación directa suele ser cinco veces más eficiente que los combustibles electrónicos en el sector del transporte, sin contar las pérdidas por transporte y almacenamiento de combustible electrónico27.

A diferencia de otros modos en los que el peso de la batería reduce drásticamente la capacidad o el alcance de la carga útil, como los vehículos ligeros y los aviones, el gran tamaño de los portacontenedores significa que el peso adicional de la batería puede compensarse potencialmente con un menor porcentaje de pérdida de carga. Trabajos anteriores han sugerido que la electrificación de baterías de embarcaciones marinas es desfavorable dada la baja densidad de energía de las baterías en relación con los combustibles de hidrocarburos28,29,30,31. Sin embargo, sus suposiciones sobre la densidad y el costo de la energía de la batería están desactualizadas y, en algunos casos, difieren en uno o dos órdenes de magnitud de las mejores cifras disponibles en la actualidad de 210 Wh kg−1 de energía específica32 y US$100–134 kWh−1 (ref. 33 ). Además, estos estudios asumieron que la capacidad máxima de la batería está limitada por el espacio a bordo existente dedicado a los sistemas de propulsión mecánica y al almacenamiento de combustible, por lo que sus hallazgos sugieren que los barcos con batería eléctrica requerirían varias recargas para atravesar incluso rutas cortas.

La restricción técnica clave para el envío de contenedores con batería eléctrica es el volumen del sistema de batería y el motor eléctrico en relación con el volumen ocupado por los motores, el almacenamiento de combustible y el espacio mecánico existentes de una embarcación. Sin embargo, el peso adicional del sistema BES no es trivial para determinar los requisitos de potencia de una embarcación. Desde el punto de vista operativo, los portacontenedores pueden aumentar su capacidad de carga aumentando el calado (es decir, la distancia vertical entre la línea de flotación y la quilla) sobre la base del principio de Arquímedes. Un calado mayor aumenta la resistencia del casco y, por lo tanto, se requiere más potencia para lograr la misma velocidad. En viajes de menos de 5.000 km, encontramos que el aumento necesario de potencia es inferior al 10% de los requisitos de potencia originales. Por ejemplo, para un pequeño buque neopanamax de 5.000 km de alcance, estimamos que una batería de 5 GWh con química de fosfato de hierro y litio (LFP), con una energía específica de 260 Wh kg−1 (ref. 34), pesará 20.000 t y aumentar el calado en 1 m, una pequeña fracción de la altura total del barco y dentro de los límites del calado Scantling (máximo) del barco. Para viajes de más de 5.000 km, el aumento del calado supera el calado Scantling del buque.

La distribución del peso adicional también afecta la hidrodinámica, la aerodinámica, la estabilidad y el consumo de energía de una embarcación35. Los buques con motor de combustión interna (ICE) utilizan un sistema de lastre mediante el cual los tanques de agua se cargan y descargan según la carga para distribuir el peso y contrarrestar la flotabilidad. Los estudios de casos de sistemas de propulsión totalmente eléctricos o híbridos sugieren que los sistemas de lastre pueden reemplazarse parcial o totalmente por sistemas BES sin impactos sustanciales en la simetría (recorte) y el equilibrio mediante la distribución de los componentes de la batería en los espacios vacíos, mecánicos y de lastre existentes35. Además, los sistemas BES no necesitan estar dispuestos alrededor de un eje de transmisión central y pueden configurarse de manera más flexible dentro del interior de la embarcación12,36. El volumen de un sistema BES a bordo depende de los requisitos de energía del barco, la velocidad de crucero, la duración del viaje, la eficiencia eléctrica y la densidad de energía de la batería. El consumo de energía de los portacontenedores se puede aproximar con la Ley del Almirantazgo, una versión de la ley de la hélice que se usa ampliamente en estimaciones de primer orden de los requisitos de energía y el consumo de combustible de los barcos37,38. Aunque un enfoque de abajo hacia arriba para estimar los requisitos de energía incorporaría términos adicionales, nuestro objetivo es capturar los cambios relativos en los requisitos de energía entre los dos métodos de propulsión. Suponiendo una embarcación y un perfil operativo idénticos, las necesidades energéticas de los barcos ICE y de baterías eléctricas difieren solo por la eficiencia del motor y la masa, lo que cambia directamente el calado de la embarcación.

La ecuación (1) describe las necesidades de energía de un barco con un ICE marino de dos tiempos de baja velocidad alimentado por HFO con bajo contenido de azufre que cumple con la OMI, donde PSMCR es la clasificación de potencia continua máxima (donde SCMR es la clasificación continua máxima especificada) , Vaverage es la velocidad de crucero promedio, Vmax es la velocidad máxima de diseño, tvoyage es el tiempo para atravesar la ruta y ηICE es la eficiencia de tanque a estela de ICE.

La ecuación (2) describe las necesidades de energía de un barco eléctrico de batería equivalente, que incluye una corrección por el aumento del calado debido al peso del sistema de batería, donde Tloaded es el calado cuando se carga con el sistema de energía de la batería, Treference es el calado de funcionamiento típico y ηmotor y ηinversor son las eficiencias del motor y del inversor, respectivamente.

El óxido de cobalto de manganeso de níquel, LFP, el aluminio de cobalto de níquel y el óxido de titanato de litio son compuestos químicos de iones de litio disponibles comercialmente con el ciclo de vida, la potencia específica, las tasas de carga y las temperaturas de funcionamiento necesarios para respaldar las aplicaciones de envío de contenedores39,40. La elección de la química de la batería depende de las características operativas específicas. Los barcos con viajes más cortos y frecuentes, requisitos de energía más bajos y limitaciones de tiempo de carga favorecerían las altas tasas de carga y los ciclos de vida prolongados de las baterías LFP41,42. Para barcos con rangos más largos y ciclos de batería menos frecuentes, el ciclo de vida relativamente bajo y la alta densidad de energía de las baterías de óxido de cobalto de níquel manganeso pueden ser más adecuados. Dado que la electrificación probablemente se limitará a embarcaciones pequeñas y de corto alcance hasta que los costos de las baterías se reduzcan aún más, modelamos el uso de baterías LFP.

Encontramos que la capacidad de carga mínima debe reutilizarse para albergar el sistema de batería para la mayoría de las clases de tamaño de barco y a lo largo de rutas cortas y medianas. Para un portacontenedores neo-Panamax pequeño, que representa un portacontenedores promedio en la flota mundial, el volumen requerido por el sistema de baterías es menor que el volumen actualmente dedicado al ICE y los tanques de combustible para rutas de menos de 3.000 km. Para la ruta modelada más larga de 20.000 km para esta clase de barco, la batería ocuparía 2.500 ranuras de unidades equivalentes a veinte pies (TEU) o el 32% de la capacidad de carga del barco. La Tabla complementaria 1 proporciona los valores de referencia utilizados para cada clase de barco. La Figura 1 muestra el porcentaje de la capacidad de carga de los barcos cedida al sistema BES para las ocho clases de barcos modelados en rutas de 0 a 22 000 km, con densidades de energía de batería actuales y futuras. Encontramos que a medida que aumenta la capacidad de carga, el porcentaje del volumen de capacidad de carga total ocupado por las baterías disminuye porque los barcos más grandes generalmente tienen menores requisitos de energía por unidad de capacidad de carga43,44.

Modelamos el volumen del espacio mecánico y del motor combinado del barco ICE, asumiendo una fracción de empaquetamiento de la batería de 0,76 y una profundidad de descarga del 80 %. Los grosores de las líneas denotan una capacidad de carga creciente del buque. Un pequeño buque de enlace, con una capacidad de alrededor de 1.000 TEU, es el buque más pequeño modelado, mientras que el buque portacontenedores ultragrande, con una capacidad de alrededor de 18.000 TEU, es el más grande. a, Resulta el escenario base, con una densidad de energía de batería de 470 Wh l−1. En este escenario, el volumen de la batería es menor que el del espacio mecánico ICE existente en viajes de menos de 1300 a 2000 km. Los impactos del volumen del sistema de batería en la pérdida de TEU disminuye a medida que aumenta la capacidad del barco, lo que refleja las innovaciones en el diseño de portacontenedores ultra grandes que optimizan la capacidad de carga y el consumo de energía mejor que los barcos de enlace. b, Los resultados con una densidad de energía de batería de 1.200 Wh l−1. En este escenario de futuro cercano, el cambio neto en la capacidad de carga es positivo para viajes de hasta 2000–5000 km, según el tipo de barco.

Se requerirá una infraestructura de carga a escala de megavatios para cumplir con los grandes requisitos de energía de los portacontenedores eléctricos a batería (por ejemplo, 6500 MWh para un pequeño portacontenedores neo-Panamax en una ruta de 5000 km) sin interrumpir el funcionamiento normal del puerto. El tiempo promedio de espera más el tiempo de atraque en un puerto es de 31 h para portacontenedores de 1000 a 3000 TEU y de 97 h para las clases de portacontenedores más grandes de 10 000 a 20 000 TEU45. La capacidad de carga necesaria para cargar dentro del tiempo disponible en el puerto es inferior a 300 MW para todas las clases de barcos en viajes de menos de 10 000 km. Estimamos que un cargador de 220 MW podría cargar un buque portacontenedores pequeño neo-Panamax de 7.650 TEU en 24 h. Para viajes más largos que requieran mayores capacidades de batería, la infraestructura de carga en alta mar podría ubicarse estratégicamente en cuellos de botella de navegación global, como el Estrecho de Ormuz, el Canal de Panamá y el Estrecho de Malaca, donde los barcos hacen cola regularmente durante días esperando el paso.

Varias opciones basadas en contacto ya están disponibles comercialmente para la interfaz tierra-barco, incluidos enchufes manuales y automáticos de ABB, Cavotec, Mobimar, Zinus y Stemmann-Technik, con soluciones de carga inductiva sin contacto actualmente en desarrollo46. Las estaciones de carga se pueden implementar en terminales portuarias o en alta mar para permitir que los barcos se carguen mientras hacen cola para la asignación de atraques.

La naturaleza optimizada y de alto rendimiento de las operaciones portuarias (las tasas promedio de utilización de atracaderos generalmente superan el 50 %) respaldan una alta utilización de la infraestructura de carga y las reducciones de costos asociadas45. Adaptando los métodos utilizados para camiones40 y trenes47, estimamos que el costo nivelado de una estación de carga de 300 MW interconectada al nivel de transmisión es de USD 0,03 kWh−1 con una utilización del 50 %, incluido el hardware, la instalación, la interconexión a la red y los costos anuales de operación y mantenimiento a lo largo de la vida útil del sistema48.

Probamos la viabilidad económica de un portacontenedores con batería eléctrica frente a la de un barco ICE de dos tiempos de baja velocidad alimentado con fueloil de muy bajo contenido de azufre (VLSFO) (contenido de azufre del 0,5 %) mediante el cálculo de su TCP por kilómetro por longitud de viaje. Para ambos tipos de buques, calculamos los costos de combustible, operaciones y mantenimiento, así como los costos ambientales de las emisiones de NOx, SO2 y CO2 de la combustión directa o de la red eléctrica. Para las embarcaciones con batería eléctrica, incluimos los costos de un juego de baterías original y de reemplazo, el costo de oportunidad de perder TEU en el sistema de baterías y el costo nivelado de cargar el equipo. Como contabilizamos el costo adicional del sistema de energía de la batería por separado, omitimos el costo de capital del buque, dado que los sistemas de propulsión constituyen solo una pequeña parte de los costos de nueva construcción del buque y la ventaja de costos de los motores eléctricos en relación con los ICE marinos.

En el escenario de referencia, el TCP de un barco con batería eléctrica es más bajo que el del barco ICE titular solo para clases de barcos de más de 8000 TEU en viajes de menos de 1000 km (refs. 5, 40, 47, 49, 50) . En viajes más largos, el costo adicional del sistema de batería, los mayores requisitos de energía y la infraestructura de carga superan los ahorros del cambio de combustible y las ganancias de eficiencia de la electrificación directa. Sin embargo, si se consideran los costos ambientales de NOx, SO2 y CO2, el rango rentable aumenta a 5000 km en todas las clases de tamaño dadas las altas tasas de emisiones de HFO en relación con la intensidad de las emisiones de la red de EE. UU.

En el escenario de un futuro cercano, el TCP del envío con batería eléctrica es más bajo que el del barco ICE titular en rangos de alrededor de 3000 km para todas las clases de barcos. Incluyendo los costos ambientales, este rango se expande a 6.500 km para barcos de menor capacidad y hasta 12.000 km para las clases de barcos más grandes. Sin embargo, aunque estos rangos más largos son rentables, el peso de las baterías hace que el calado de la embarcación supere los parámetros operativos seguros y, por lo tanto, es poco probable que sean candidatas para una electrificación total sin cambios sustanciales en el diseño de la embarcación. El hecho de que los graneleros, como los transportadores de mineral de hierro, tengan límites de peso y calado mucho más altos que los portacontenedores apunta a la posibilidad de acomodar el peso y calado adicionales cambiando el diseño del barco.

La Figura 2 presenta el análisis TCP en los escenarios de línea de base y de futuro cercano para un pequeño buque neopanamax de 7650 TEU, que representa un buque promedio en la flota mundial en un viaje de 1565 km desde Hong Kong a Shanghái. La Figura 3 muestra la relación entre el TCP y la duración del viaje para una pequeña embarcación neo-Panamax. Los resultados muestran mejoras en TCP y ganancias en el rango alcanzable al mejorar la utilización de la infraestructura de carga, el costo del paquete de baterías y la densidad de energía de la batería desde la línea de base hasta los valores futuros. La Figura 4 muestra la diferencia en TCP entre buques ICE y de batería eléctrica para todas las clases de tamaño de buque en todas las longitudes de viaje modeladas, sin incluir los costos ambientales.

Se modela un buque neopanamax de 7.650 TEU para un viaje de 1.565 km. a, El TCP de un buque ICE en el escenario de línea de base. b, El TCP del equivalente eléctrico de batería en el escenario de línea de base. c, d, El TCP de los buques ICE (c) y de batería eléctrica (d) en el escenario del futuro cercano. Las barras de colores (roja para ICE, verde azulado para batería eléctrica) muestran costos no ambientales. Las barras grises y las líneas discontinuas capturan los daños ambientales atribuidos a NOx, SO2 y CO2. Sin tener en cuenta los daños ambientales, en el escenario de referencia, el costo del sistema de batería y la infraestructura de carga superan los beneficios económicos del cambio de combustible, lo que lleva a un TCP de batería eléctrica que es US$ 39 km−1 más alto que el ICE TCP. El escenario de referencia asume un costo de batería de US$100 kWh−1, una densidad de energía volumétrica de la batería de 470 Wh l−1, una utilización de la estación de carga del 50 %, un precio mayorista de electricidad de US$0,035 kWh−1 y un costo de HFO de US$0,048 kWh−1 (equivalente a US$538 t−1); en un escenario de futuro cercano, costos de HFO de US$ 840 t−1 (lo que representa un impuesto de US$ 100 por tonelada de CO2e), costos de batería de US$ 50 kWh−1, densidad de energía de la batería de 1200 Wh l−1 y una infraestructura de carga tasa de utilización del 70% conducen a un TCP de batería eléctrica que es US $ 52 km−1 más bajo que el TCP ICE. La contabilidad de los daños ambientales aumenta dramáticamente la ventaja de TCP de la nave eléctrica a batería.

Las líneas rojas y verde azulado indican el TCP de un ICE o una embarcación eléctrica a batería, respectivamente. Las líneas discontinuas representan el escenario del futuro cercano. Las estrellas indican el punto en el que las embarcaciones eléctricas a batería alcanzan la paridad con las embarcaciones ICE tanto para escenarios de referencia como de futuro cercano. En el escenario de línea de base, el TCP de la embarcación eléctrica a batería es menor que el de la embarcación ICE en distancias menores a 1.000 km. En el escenario de un futuro cercano, los aumentos en el costo del HFO equivalentes a USD 0,027 kWh−1 permiten la paridad de costos en rangos de hasta 3300 km. Sin aumentos en los precios del HFO, la autonomía aumenta a 2.000 km en el escenario de un futuro próximo. Las mejoras en la densidad de energía de la batería producen pequeñas mejoras en el TCP de la embarcación con batería eléctrica al disminuir el volumen perdido de la capacidad de carga de la embarcación para albergar el sistema de batería. Un costo de capital de US$64 km−1 se representa como una banda gris para contextualizar la magnitud de los gastos operativos79. Las líneas discontinuas verticales brindan rutas de ejemplo y muestran que los buques que atraviesan rutas intrarregionales más cortas son ideales para la electrificación, incluso en el escenario de referencia.

a,b, Los escenarios de referencia (a) y futuro cercano (b). TCP excluye los costos ambientales. Un valor positivo indica que el TCP del barco eléctrico a batería es más bajo que el del equivalente ICE, mientras que un valor negativo representa un ICE TCP más bajo. La diferencia de TCP es mayor en magnitud para las clases de barcos más grandes, lo que indica la dificultad de electrificar de manera rentable grandes portacontenedores en rutas intercontinentales, pero también el beneficio económico potencial de la incorporación gradual de barcos eléctricos a batería en rutas intrarregionales cortas y medianas.

La principal restricción para la paridad de costos de los barcos eléctricos a batería con los barcos ICE en rangos más largos es el costo de la batería. Los precios de las baterías deben alcanzar los US$20 kWh−1 para un barco eléctrico a batería con un alcance de 10 000 km capaz de cruzar el océano Atlántico o el Pacífico para que sea rentable sin recargar. No se prevé que las tecnologías comerciales actuales de baterías de litio y las tecnologías emergentes, como las baterías de estado sólido, disminuyan en esta medida dado el costo de los materiales utilizados en estas baterías51. Sin embargo, se están desarrollando tecnologías de baterías diseñadas para aplicaciones de almacenamiento de larga duración a partir de materiales de bajo costo. Las baterías de hierro-aire, por ejemplo, ofrecen una densidad de energía comparable a una fracción del costo de las baterías de iones de litio actuales y pueden ofrecer vías para envíos de largo alcance con costos competitivos52.

Se estima que 42,3 billones de TEU (40 % del comercio mundial) atravesaron rutas intrarregionales en 201953. Sin embargo, esta proporción probablemente esté subestimada debido a las tendencias recientes en la logística de los portacontenedores y la regionalización del comercio54, incluido un aumento del 1100 % en la capacidad promedio de los portacontenedores entre 1968 y 201555. La tendencia del sector hacia el gigantismo de los portacontenedores ha promovido un modelo de comercio hub-and-spoke, en el que los megaportacontenedores de alta capacidad transportan mercancías a lo largo de largas distancias de un centro a otro54. Desde el centro de destino, una gran cantidad de barcos de enlace más pequeños transportan los contenedores a sus destinos finales en puertos regionales más pequeños. Casi todos estos barcos alimentadores atraviesan rutas cortas que podrían electrificarse, lo que aumentaría la adopción de portacontenedores eléctricos a batería mucho más allá del potencial sugerido por las cifras de comercio intrarregional. La Figura 5 muestra los diez puertos mejor conectados del mundo, todos los cuales son rutas intrarregionales de menos de 5.000 km de longitud2. Además, los buques de enlace son, en promedio, más antiguos que sus homólogos de mayor capacidad, y muchos están llegando al final de su vida útil56. La regulación de la OMI de 2020 que limita el contenido de azufre probablemente conducirá al desguace prematuro de estos barcos que no consumen combustible, creando una oportunidad para que los modelos eléctricos a batería ingresen a la flota57.

El índice de conectividad bilateral del transporte marítimo de línea de la UNCTAD cuantifica hasta qué punto los puertos de dos países están conectados por el comercio marítimo. El índice se basa en indicadores comerciales, que incluyen el número mínimo de transbordos necesarios para ir del país A al B, el número de conexiones comunes directas con terceros países entre el par de países, el número de conexiones directas, el nivel de competencia de los servicios marítimos que conectan el par de países, y el tamaño del barco más grande que conecta el par de países92. La conectividad es más fuerte en rutas intrarregionales cortas de menos de 5.000 km.

Aunque los portacontenedores, con su carga estandarizada y su dependencia del volumen, son útiles para comprender la tecnoeconomía del transporte marítimo con batería eléctrica, representan solo el 23 % de las emisiones totales del transporte marítimo58. Lograr mayores reducciones de emisiones requerirá la electrificación de tipos de barcos adicionales, incluidos petroleros, graneleros, buques de carga general y cruceros. De ellos, los graneleros y los petroleros parecen tener la mayor huella de emisiones. A diferencia de los portacontenedores, algunos de estos tipos de barcos están limitados principalmente por el peso más que por el volumen41. La densidad de energía por peso es, por lo tanto, el parámetro técnico crítico para las baterías que alimentarían estos barcos. Al mismo tiempo, algunos graneleros y petroleros están diseñados para transportar hasta 400.000 t, más del doble del peso de los portacontenedores más grandes59.

Para un granelero de carga seca con un alcance de 5000 km, estimamos que el sistema de batería constituirá del 5 al 6 % del peso del barco con la tecnología de batería actual y del 3 al 4 % con aumentos proyectados en la densidad de energía para 203028,41,60. Factores tales como la medida en que los barcos operan en su límite de peso, el costo de oportunidad de la capacidad de transporte de peso perdida y el costo de aumentos modestos en la capacidad de transporte de peso de los barcos determinarán el impacto del peso de la batería en la economía de estos tipos de barcos.

El envío de contenedores con baterías eléctricas eliminaría todas las emisiones de combustión directa y mejoraría considerablemente la contaminación del aire localizada y los impactos relacionados con la salud en las comunidades cercanas a los puertos y las rutas comerciales mundiales61. Sin embargo, las reducciones de las emisiones del ciclo de vida dependen de la intensidad de la contaminación de la fuente de electricidad, así como de las pérdidas por transmisión, distribución y carga. Comparamos las intensidades de las emisiones de CO2, NOx y SO2 de un pequeño portacontenedores neo-Panamax con un motor diésel de baja velocidad que funciona con HFO o VLSFO con una embarcación eléctrica a batería en un rango de intensidades de emisiones realistas desde el pozo hasta la vigilia (Fig. 6). Los factores de emisiones del tanque a la estela de entrada (g kWh−1) incluyen las pérdidas aguas abajo atribuibles a la transmisión, la conversión de energía, el almacenamiento en tierra y las pérdidas del motor eléctrico. Los buques eléctricos a batería también eliminarían las emisiones directas de carbono negro, que es una preocupación particular para el porcentaje considerable de buques que operan en aguas del Ártico dado su papel demostrado en la reducción del albedo de la nieve y la aceleración del derretimiento del hielo62.

Los ejes x describen las intensidades desde el pozo hasta la vigilia de la red eléctrica que alimenta la embarcación con batería eléctrica. Los ejes y representan las intensidades de las emisiones de un pequeño buque neopanamax de 7.650 TEU. Las líneas roja y naranja representan portacontenedores alimentados con HFO y VLSFO, respectivamente. Las cuñas azules representan las emisiones de un barco con batería eléctrica, que varían según la intensidad de las emisiones de la red. a, Mostramos que las reducciones de emisiones de CO2 dependen de la intensidad de carbono de la red. Una embarcación con batería eléctrica cargada en la red intensiva en carbono de Arabia Saudita produce un aumento del 46 % en las emisiones de CO2 en comparación con una embarcación alimentada con HFO. Las redes más limpias de EE. UU. y el Reino Unido generan reducciones del 14 % al 16 % y del 51 % al 52 % en las emisiones de CO2, respectivamente, en comparación con HFO y VSLFO. b, Demostramos que una embarcación con batería eléctrica cargada en los EE. UU. produciría reducciones de emisiones de SO2 del 86 % y 97 % en comparación con VLSFO y HFO, respectivamente. Una embarcación con batería eléctrica cargada con la red de carbón de China produciría una reducción de SO2 del 4 % sobre VLSFO y del 77 % sobre HFO. c, Para NOx, una embarcación con batería eléctrica cargada en los EE. UU. produce reducciones del 83 % y 96 % sobre VLSFO y HFO, respectivamente. Una embarcación cargada en China produciría reducciones de emisiones de NOx del 42 % sobre VLSFO y del 88 % sobre HFO. Las reducciones de emisiones mejoran rápidamente con la penetración de las energías renovables. Un barco cargado con energía 100% renovable eliminaría las emisiones aguas abajo.

Las reducciones en las emisiones de carbono y contaminantes del aire dependen en gran medida de la matriz de generación de la red donde se carga la embarcación. Suponiendo una intensidad media de carbono de la red de 535 g CO2 kWh−1 (incluidas las pérdidas por ineficiencia de la transmisión, la conversión y el motor), un portacontenedores con batería eléctrica cargado en un puerto de EE. UU. genera aproximadamente 0,78 g CO2 km−1 (ref. 63). Esta es una reducción del 16 % con respecto a HFO y VLSFO, que producen aproximadamente 0,93 y 0,91 CO2 km−1, respectivamente. La electrificación de la batería produce una reducción del 86 % con respecto a VLSFO en las emisiones de SO2 por kilómetro en EE. UU., pero solo una reducción del 4 % en China64. Las emisiones de NOx se reducen aproximadamente un 83 % y un 42 % con respecto a VLSFO para los buques cargados en los puertos de EE. UU. y China, respectivamente. Estos hallazgos apuntan a la necesidad de acoplar la infraestructura de carga con la generación de energía renovable ubicada en el mismo lugar para capitalizar completamente el potencial de reducción de emisiones de la electrificación de la batería65.

Mostramos que los barcos eléctricos a batería alimentados por electricidad renovable ofrecen un camino a corto plazo para reducir las emisiones de envío en rutas intrarregionales y terrestres. A precios de batería de US$100 kWh−1, el TCP de un portacontenedores eléctrico a batería es más bajo que el de un ICE equivalente en rutas de menos de 1000 km, sin considerar los costos de los daños ambientales y de salud. Con el apoyo de políticas para internalizar los costos ambientales del HFO y los precios de las baterías en el futuro cercano de US$50 kWh−1, las rutas de más de 5000 km pueden electrificarse de manera rentable. La investigación futura debería considerar cómo las oportunidades para la recarga intermedia afectan la economía general de la electrificación de la batería. Si las embarcaciones pudieran recargarse en puntos distintos en la ruta, el costo de la batería, los TEU perdidos y los requisitos de energía adicionales del peso de la batería disminuirían, lo que podría hacer que los viajes de mayor alcance sean económicamente viables.

Una vía de electrificación directa puede aprovechar una mayor eficiencia en comparación con los combustibles electrónicos, así como futuras reducciones de costos y mejoras en la tecnología de baterías impulsadas por el despliegue de baterías a gran escala en el transporte por carretera y el almacenamiento estacionario66. Los ajustes estratégicos en la logística de envío de contenedores podrían proporcionar una solución parcial a los desafíos de alcance que enfrentan los buques eléctricos a batería y facilitar la electrificación de las rutas transoceánicas de larga distancia. Los principales cuellos de botella marítimos, como el Canal de Suez, el Estrecho de Gibraltar, el Estrecho de Malaca y el Cabo de Buena Esperanza, presentan una oportunidad para que los buques de largo alcance se recarguen en alta mar mientras hacen cola para pasar. Dividir los viajes más largos en segmentos podría facilitar la electrificación de un porcentaje mucho mayor del comercio marítimo mundial. La carga en alta mar en los puertos y a lo largo de las rutas comerciales de envío podría facilitar la ubicación conjunta de las estaciones de carga con fuentes de generación renovable, eliminar las emisiones directas y aliviar las limitaciones de alcance. Dos tercios del tráfico marítimo mundial se produce dentro de los 370 km de la costa, donde el potencial eólico es más alto67,68. Además, se espera que el costo de la energía eólica marina disminuya entre un 37 % y un 49 % para 2050, superando las predicciones de 201569 en un 50 %.

La electrificación proporciona varios beneficios sobre las alternativas de combustible electrónico además de la disponibilidad global y la competitividad de costos. Para la misma potencia nominal, el costo de capital y el volumen de los motores eléctricos suelen ser menores que el costo de capital y el volumen de los ICE29,70. Por lo tanto, la modernización o la hibridación de barcos existentes con transmisiones eléctricas durante las revisiones del sistema de propulsión es técnica y económicamente viable y podría acelerar la electrificación de la flota mundial. Una ventaja de tener capacidades de combustible dual es que estos barcos eléctricos de batería podrían servir como grandes plantas de energía de respaldo de emergencia durante eventos extremos cada vez más comunes que conducen a interrupciones en el suministro de energía. Por ejemplo, los barcos eléctricos a batería modelados en este documento tendrán entre 5 y 10 GWh de capacidad de almacenamiento. En comparación, el déficit de generación que provocó los apagones de California de 2020, que dejaron a más de 800 000 clientes sin electricidad durante una ola de calor extremo, fue inferior71 a 5 GWh.

Nuestro análisis sugiere que la rápida mejora de la tecnología de las baterías puede permitir que la electrificación directa desempeñe un papel clave en la descarbonización de la industria del transporte marítimo. Aunque la electrificación directa se ha convertido en una vía técnicamente factible y rentable para el envío de cero emisiones, se deben abordar varios desafíos para el despliegue comercial. Los costos operativos de los barcos eléctricos a batería son mucho más bajos que los de los barcos convencionales, pero sus costos iniciales serán mucho más altos principalmente debido al costo de las baterías. Se requieren modelos comerciales y de financiamiento innovadores para abordar los costos iniciales más altos. Se deberán construir estaciones de carga conectadas a la transmisión con capacidades de cientos de megavatios, similares a las instalaciones de almacenamiento conectadas a la red a gran escala, para admitir la carga de los barcos. Dado que los daños ambientales de los barcos convencionales son un orden de magnitud más altos que los costos de propulsión de estos barcos, las políticas como los incentivos financieros para las demostraciones y las regulaciones desempeñarán un papel fundamental en el apoyo a la transición hacia el transporte marítimo sin emisiones.

Los requisitos energéticos de un portacontenedores ICE y su análogo de batería eléctrica dependen del tamaño del barco y la distancia del viaje. Estudios anteriores han abordado este análisis mediante el estudio de barcos reales específicos a lo largo de sus rutas habituales28,29,30. Aunque este enfoque tiene fortalezas en términos de disponibilidad de datos, una limitación importante es la posibilidad de generalizar los resultados a barcos similares de diferente longitud de ruta y capacidad de carga. Para mejorar la sensibilidad del modelo a la clase de tamaño del barco y la longitud de la ruta, especificamos ocho clases de tamaño de portacontenedores y modelamos sus necesidades energéticas, emisiones y economía en 13 rutas comerciales mundiales importantes, que van desde un viaje de 911 km desde Shanghái, China, hasta Busan, Corea del Sur. , a un viaje interatlántico de 20.476 km desde Shanghái, China, hasta Santos, Brasil.

Definimos dos escenarios tecnoeconómicos. El escenario de referencia considera el estado de la tecnología en el futuro cercano con una densidad de energía de batería volumétrica de 470 Wh l−1, costo de batería de US$100 kWh−1, costo de HFO de US$0,048 kWh−1, utilización de infraestructura de carga equivalente al 50 % a US$0,029 kWh−1, y precio de la electricidad de US$0,035 kWh−1. El escenario de futuro cercano asume un costo de batería de US$ 50 kWh−1, densidad de energía volumétrica de 1200 Wh l−1 y una utilización de la infraestructura de carga del 70 %, o un costo nivelado de US$ 0,021 kWh−1 de la infraestructura de carga

La energía nominal de la batería debe ser lo suficientemente grande como para suministrar energía durante la totalidad de cada viaje de ida, suponiendo que el barco se pueda cargar tanto en el puerto de origen como en el de destino. Cada motor marino está diseñado con un SMCR, que describe su potencia máxima de salida durante el funcionamiento continuo. La potencia de salida promedio es más baja que el SMCR, ya que el motor rara vez funciona a su máxima potencia de salida, incluso mientras navega. El factor de carga del motor describe la relación entre la potencia de salida promedio del barco durante las operaciones normales y su SMCR y se puede estimar como la relación al cubo de la velocidad promedio del barco a su velocidad máxima de diseño. El fabricante de motores marinos MAN Diesel Turbo publica SMCR y valores de velocidad máxima de diseño para portacontenedores basados ​​en el método de cálculo de predicción de potencia de Holtrop y Mennen72. Se descuidan los requisitos de energía adicionales durante las maniobras y la estadía, así como el ahorro de energía a través de las prácticas de navegación lenta. El tiempo de viaje varía según la longitud de la ruta y la velocidad promedio. La velocidad media se fija en el 80 % de la velocidad de diseño, lo que equivale a 37 km h−1 (20 nudos) para cualquier buque de 7650 TEU o más. Se supone que las necesidades de potencia del motor auxiliar son el 22 % de la potencia del motor de propulsión según las mejores prácticas del inventario de emisiones del puerto73. Usamos el factor de carga de la Ley del Almirantazgo para tener en cuenta la resistencia creada por el desplazamiento adicional del peso del sistema BES para las embarcaciones eléctricas de batería según la ecuación (2)38. El calado de diseño, el calado máximo, la eslora y la manga del buque se toman de MAN Diesel Turbo y se utilizan para convertir el peso de la batería en un cambio de calado según el principio de Arquímedes, que establece que el peso del agua desplazada es igual al peso del nave72. Asumimos una eficiencia del 50 % desde el tanque hasta la estela del ICE y eficiencias del motor eléctrico y del inversor del 95 % cada uno28. Las baterías producen una mejora de eficiencia del 80 % en comparación con sus contrapartes ICE, lo que se traduce en una disminución del 30 % en las necesidades totales de energía para el barco con batería eléctrica.

El consumo diario de combustible HFO se deriva de un estudio empírico del consumo de combustible de los portacontenedores74. Suponemos que un portacontenedores lleva suficiente combustible para un día de viaje; en realidad, esta cifra es probablemente más alta, porque los barcos suelen llevar combustible durante varios días después del abastecimiento. La masa y el volumen del BES y los sistemas de propulsión son las necesidades energéticas totales del sistema de batería (incluidas las ganancias de eficiencia de la propulsión eléctrica) multiplicadas por la energía volumétrica o específica supuesta de la batería, según el escenario, con una fracción de empaquetamiento de batería de 0,76 y 80% de profundidad de descarga. Calculamos la confiscación de TEU convirtiendo el volumen del sistema BES en exceso del espacio mecánico y de almacenamiento de combustible existente en TEU estándar de 2,6 m × 2,4 m × 6,1 m. El cambio neto en el peso utilizado para corregir las estimaciones de potencia de las embarcaciones con batería eléctrica es el peso del sistema de batería y el sistema de propulsión eléctrica (se supone que pesan el 50 % del peso del sistema de propulsión ICE), menos el peso del almacenamiento de combustible y Motor ICE, menos el peso de los TEU entregados al sistema de energía de la batería, suponiendo un peso medio de TEU cargado de 28,2 t (ref. 75). Los pesos y volúmenes del sistema ICE se basan en correlaciones desarrolladas por29.

Cuantificamos la viabilidad económica a través de un marco TCP, mediante el cual se compara un portacontenedores con batería eléctrica con un barco de referencia con un ICE de dos tiempos alimentado por HFO con un sistema de depuración a bordo para cumplir con las regulaciones de emisiones de azufre de la OMI. Los factores de costo para el barco tradicional incluyen los costos de HFO, que varían según el escenario descrito anteriormente, y los costos de operación y mantenimiento, incluidas las reparaciones periódicas, el mantenimiento regular y la operación de un sistema de depuración para cumplir con los estándares recientes de emisiones de azufre de la OMI (estimados en US$5 MWh−1), y excluyendo otros gastos operativos de envío, como mano de obra, seguros y cargos portuarios76. Estos gastos se desarrollan a partir de los puntos de referencia de la industria y la investigación académica77,78.

El modelo TCP de batería eléctrica tiene en cuenta el costo de la electricidad, la pérdida de TEU, los costos de capital adicionales del original y el reemplazo de los sistemas BES, las operaciones y el mantenimiento, y el costo nivelado de la infraestructura de carga. Los costos de la batería se definen como el pago anual uniforme de los costos iniciales de capital de la batería más los costos de reemplazo durante la vida útil del buque (25 años)79. Se supone que las baterías LFP necesitan reemplazo después de 5000 ciclos o 20 años, lo que ocurra primero39,40. Los costos de desmantelamiento de las baterías se desprecian en base a la suposición de que las baterías tendrán una aplicación de segunda vida80. Se supone que los costos de capital de la batería son adicionales a los costos de capital de nueva construcción del barco, lo que nos permite ignorar la inclusión de los costos de nueva construcción para los tipos de barco con batería eléctrica y ICE. Dado el costo relativamente bajo de los motores marinos en comparación con el costo total de capital de nueva construcción de barcos, esta suposición es razonable y conservadora. Este estudio asume el caso de una nueva construcción únicamente y no considera los costos de modernización, aunque la economía de la electrificación de la batería a través de la modernización de embarcaciones es un área importante de investigación futura.

Asumimos que el costo de operación y mantenimiento de la embarcación eléctrica a batería es el 50% del equivalente en ICE, acorde con los ahorros en vehículos eléctricos y sin incluir los gastos operativos de un lavador a bordo81. Se incluye una sanción o crédito económico, caracterizado como pérdida de TEU, en el análisis TCP para dar cuenta de la capacidad de transporte ganada o perdida en función de los requisitos de volumen del sistema de batería en relación con la línea de base del barco ICE. El diferencial de volumen cuantificado en TEU se multiplica por la tarifa de flete de la ruta comercial, dividido por la mitad para tener en cuenta la desigualdad en los flujos comerciales mundiales que da como resultado la subutilización de la capacidad de carga en al menos un tramo de un viaje de ida y vuelta56,82. La Tabla complementaria 2 resume las entradas de datos al modelo TCP.

Adaptamos investigaciones previas sobre trenes eléctricos40 y camiones47 para estimar el costo nivelado de la infraestructura de carga a escala de megavatios y los costos de electricidad. Usamos un costo de electricidad de US$0.035 kWh−1 en línea con los precios históricos en tiempo real publicados por el Operador Independiente del Sistema de California (CAISO) para 2017 hasta 201983. Este precio incluye el costo de generación, el cumplimiento de los estándares de cartera renovable de California , tarifas de CAISO aplicables para un cliente de acceso directo, cargos por demanda y cargos de entrega aplicables. El costo de la infraestructura de carga incluye los costos de hardware, las tarifas de conexión a la red, los gastos de operación y mantenimiento y el costo de instalación. La Fig. 1 complementaria proporciona un resumen de los componentes que comprenden los costos totales de infraestructura de carga nivelada.

Cuando se presentan los costos ambientales, asumimos un costo marginal de NOx y SO2 de US$13 000 t−1 y US$24 000 t−1, respectivamente84, y un costo social del carbono de US$43 t−1 en línea con la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. lineamientos regulatorios85. Cabe destacar que este valor es aproximadamente un tercio del que se considera suficiente para permanecer por debajo de 1,5 grados centígrados86.

Para cuantificar los impactos ambientales potenciales del envío de contenedores con batería eléctrica, utilizamos los factores de emisiones de CO2, NOx y SO2 publicados desde el tanque hasta el despertar para un barco ICE de dos tiempos y baja velocidad, como se describe en la Tabla complementaria 3. Las intensidades de las emisiones son convertido a intensidades por kilómetro multiplicando por el consumo de energía en kilovatios hora de un pequeño buque portacontenedores neo-Panamax con batería eléctrica87,88.

Para estimar las emisiones de una embarcación eléctrica a batería, calculamos la intensidad de las emisiones desde el tanque hasta la estela a través de un rango de factores de emisión de la red de la vida real provenientes de varios países63. Para convertir intensidades de red a intensidades de emisiones de tanque a estela, aplicamos pérdidas de transmisión y distribución del 5 %, pérdidas de conversión de energía de CA/CC del 10 %89, pérdidas de conversión de CC/CA del 5 %28 y pérdidas de eficiencia del motor eléctrico del 5 %28. Las emisiones de carbono calculadas desde el tanque hasta la estela para cada país se presentan en la Tabla complementaria 4. Excluimos las emisiones de la producción de baterías debido a la amplia variación en las estimaciones, que dependen de dónde se extraen los materiales primarios y las posibles oportunidades de reciclaje al final de su vida útil90. Para garantizar una comparación directa con los combustibles alternativos, utilizamos factores de emisiones del tanque a la estela en lugar de factores de emisiones del pozo a la estela91.

Todos los datos y supuestos necesarios para replicar el análisis de este estudio se incluyen en este artículo publicado y su información complementaria.

El código fuente y los datos subyacentes a las cifras presentadas en este manuscrito están disponibles en https://doi.org/10.5281/zenodo.6594089.

IPCC Cambio Climático 2021: La Base de la Ciencia Física. Contribución del Grupo de Trabajo I al Sexto Informe de Evaluación del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (Cambridge Univ. Press, 2021).

50 años de revisión del transporte marítimo, 1968–2018: reflexionando sobre el pasado, explorando el futuro (Conferencia de las Naciones Unidas sobre Comercio y Desarrollo, 2018).

Cuarto Estudio de Gases de Efecto Invernadero de la OMI (IMO, 2020).

Ytreberg, E., Åström, S. & Fridell, E. Valoración de los impactos ambientales de las emisiones de los barcos: la perspectiva marina. J. Medio Ambiente. Administrar 282, 111958 (2021).

Artículo Google Académico

Comer, B, Olmer, N., Mao, X., Roy, B. & Rutherford, D. Prevalencia de fuelóleo pesado y carbono negro en el transporte marítimo ártico, 2015 a 2025 (Consejo Internacional de Transporte Limpio, 2017).

Cames, M., Graichen, J, Siemons, A. & Cook, V. Emission Reduction Targets for International Aviation and Shipping (Parlamento Europeo, 2015).

Sofiev, M. et al. Los combustibles más limpios para los barcos brindan beneficios para la salud pública con compensaciones climáticas. Nat. común 9, 406 (2018).

Estrategia inicial de la OMI sobre la reducción de las emisiones de GEI de los buques (OMI, 2018).

Subcomité de Prevención y Respuesta a la Contaminación (PPR 7) (OMI, 2020); http://www.imo.org/en/MediaCentre/MeetingSummaries/PPR/Pages/PPR-7th-Session.aspx

Harrison, J. Making the Law of the Sea: A Study in the Development of International Law (Cambridge Univ. Press, 2011).

MARPOL Anexo VI (Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., 2020); https://www.epa.gov/enforcement/marpol-annex-vi-and-act-prevent-pollution-ships-apps#marpol

Stolz, B., Held, M., Georges, G. & Boulouchos, K. Análisis tecnoeconómico de los combustibles renovables para buques que transportan carga a granel en Europa. Nat. Energía 7, 203–212 (2022).

Artículo Google Académico

Maersk probará un sistema de batería para mejorar la producción de energía. Maersk (6 de noviembre de 2019); https://www.maersk.com/news/articles/2019/11/06/maersk-to-pilot-a-battery-system-to-improve-power-production

Hockenos, P. Europa da los primeros pasos para electrificar las flotas navieras del mundo. YaleEnvironment360 (22 de febrero de 2018); https://e360.yale.edu/features/europe-takes-first-steps-in-electrifying-worlds-shipping-fleets

Brook-Jones, C. Embarcación tipo M con empujador E totalmente eléctrica de Kotug. Electric & Hybrid Marine Energy International (17 de febrero de 2022); https://www.electrichybridmarinetechnology.com/news/ports-and-harbours/all-electric-e-pusher-type-m-vessel-from-kotug.html

Cullinane, K. & Cullinane, S. Emisiones atmosféricas del transporte marítimo: la necesidad de regulación y enfoques para el cumplimiento. transporte Rev. 33, 377–401 (2013).

Artículo Google Académico

Cariou, P. ¿Es la navegación lenta un medio sostenible para reducir las emisiones de CO2 del transporte marítimo de contenedores?. transporte Res. D 16, 260–264 (2011).

Artículo Google Académico

Ammar, NR Análisis de eficiencia energética y costo-eficiencia de la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero usando navegación lenta de barcos: estudio de caso Buque de carga RO-RO. Barcos Offshore Struct. 13, 868–876 (2018).

Artículo Google Académico

Dedes, EK, Hudson, DA & Turnock, SR Evaluación del potencial de la tecnología de energía híbrida para reducir las emisiones de escape del transporte marítimo mundial. Política energética 40, 204–218 (2012).

Artículo Google Académico

Mallouppas, G. & Yfantis, EA Descarbonización en la industria del transporte marítimo: una revisión de las propuestas de investigación, desarrollo tecnológico e innovación. J. Mar. Sci. Ing. 2021, 415 (2021).

Bengtsson, S., Andersson, K. & Fridell, E. Una evaluación comparativa del ciclo de vida de los combustibles marinos: gas natural licuado y otros tres combustibles fósiles. proc. Inst. mecánico Ing. M 225, 97–110 (2011).

Artículo Google Académico

El-Houjeiri, H., Monfort, J.-C., Bouchard, J. & Przesmitzki, S. Evaluación del ciclo de vida de las emisiones de gases de efecto invernadero de los combustibles marinos: un estudio de caso del petróleo crudo saudí frente al gas natural en diferentes regiones del mundo. J. Ind. Ecol. 23, 374–388 (2018).

Artículo Google Académico

Navegando hacia un futuro renovable: soluciones para la descarbonización del transporte marítimo (Agencia Internacional de Energías Renovables, 2019).

Schäfer, AW et al. Perspectivas tecnológicas, económicas y ambientales de los aviones totalmente eléctricos. Nat. Energía 4, 160–166 (2018).

Artículo Google Académico

Howarth, RW & Jacobson, MZ ¿Qué tan verde es el hidrógeno azul? Ciencias de la Energía Ing. 9, 1676–1687 (2021).

Tan, W., Bhavnagri, K. & Chatterton, R. Hidrógeno: la economía de la propulsión de barcos. BloombergNEF (27 de marzo de 2020).

Ueckerdt, F. et al. Potencial y riesgos de los combustibles electrónicos basados ​​en hidrógeno en la mitigación del cambio climático. Nat. Clima Cambio 11, 384–393 (2021).

Artículo Google Académico

Comer, B. Transitioning Away from Heavy Fuel oil in Arctic Shipping (Consejo Internacional de Transporte Limpio, 2019).

Minnehan, JJ & Pratt, JW Límites de aplicación práctica de celdas de combustible y baterías para embarcaciones de cero emisiones (Sandia National Laboratories, 2017).

Buques de cero emisiones 2030: ¿cómo llegamos allí? Perspectivas de Lloyd's Register (5 de febrero de 2018).

Wu, P. & Bucknall, R. Sobre el diseño de sistemas de propulsión de baterías de litio y celdas de combustible híbridas enchufables para barcos costeros. En la 13ª Conferencia Internacional de Diseño Marino (Univ. College London, 2018).

Edelstein, S. Informe: Los costes de las baterías de vehículos eléctricos alcanzaron otro mínimo en 2021, pero podrían aumentar en 2022. Creen Car Reports (1 de diciembre de 2021); https://www.greencarreports.com/news/1134307_report-ev-battery-costs-might-rise-in-2022#:~:text=Lithium%2Dion%20battery%20pack%20prices,average%20pack%20price%20for %202022

Henze, V. Los precios de los paquetes de baterías se citan por debajo de $100/kWh por primera vez en 2020, mientras que el promedio del mercado se ubica en $137/kWh. BloombergNEF (16 de diciembre de 2020); https://about.bnef.com/blog/battery-pack-prices-cited-below-100-kwh-for-the-first-time-in-2020-while-market-average-sits-at-137- kwh/

Kane, M. La alta tecnología de Guoxuan, relacionada con VW, lanza celdas de batería LFP de 210 Wh/kg que baten récords. Inside EVs (24 de enero de 2021); https://insideevs.com/news/481770/guoxuan-210-whkg-lfp-battery-cells/

Dedes, E. K, Hudson, DA & Turnock, SR Viabilidad técnica de los sistemas de propulsión híbridos para reducir las emisiones de escape de los graneleros (The Royal Institution of Naval Architects, 2012).

Bolvashenkov, I., Herzog, H.-G. & Rubinraut, A. Posibles formas de mejorar la eficiencia y competitividad de los barcos modernos con sistemas de propulsión eléctrica. En IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference 1–9 (IEEE, 2014).

Moreno-Gutiérrez, J. et al. Metodologías para estimar las emisiones del transporte marítimo y el consumo de energía: un análisis comparativo de los métodos actuales. Energía 86, 603–616 (2015).

Artículo Google Académico

Brown, IN & Aldridge, MF Modelos de potencia y efectos de los parámetros promedio de los barcos en los inventarios de emisiones marinas. J. Gestión de residuos de aire. Asoc. 69, 852–763 (2019).

Artículo Google Académico

Chen, L., Tong, Y. & Dong, Z. Modelo de degradación del rendimiento de la batería de iones de litio para el diseño óptimo y la gestión de la energía de los sistemas de propulsión electrificados. Energías 13, 1629 (2020).

Popovich, ND, Phadke, AA, Rajagopal, D. y Tasar, E. Beneficios económicos, ambientales y de resiliencia de la red al convertir los trenes diésel en eléctricos a batería. Nat. Energía 6, 1017–1025 (2021).

Artículo Google Académico

Estudio de baterías marinas de EMSA: almacenamiento de energía eléctrica para barcos (Agencia Europea de Seguridad Marítima, 2019).

Evaluación de la tecnología de baterías para aplicaciones de propulsión ferroviaria (Administración Federal de Ferrocarriles del Departamento de Transporte de EE. UU., 2017).

BatPaC: estimación de costos de fabricación de baterías (Laboratorio Nacional de Argonne, 2022); https://www.anl.gov/partnerships/batpac-battery-manufacturing-cost-estimation

Phadke, A., Aditya, K. & Abhyankar, N. Por qué los camiones regionales y de larga distancia están preparados para la electrificación ahora (Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, 2021).

Park, NK & Suh, SC Tendencia hacia los mega portacontenedores y las limitaciones de las terminales de contenedores. J. Mar. Sci. Ing. 7, 131 (2019).

Karimi, S., Zadeh, M. y Suul, JA Carga en tierra para barcos alimentados por baterías enchufables: arquitectura, infraestructura y control del sistema de energía. IEEE 8, 47–61 (2020).

Google Académico

Phadke, A., McCall, M. y Rajagopal, D. Reforma de las tarifas eléctricas para permitir camiones eléctricos económicamente competitivos. Reinar. Res. Letón. 14, 124047 (2019).

Artículo Google Académico

Berdichevsky, G. & Yushin, G. El futuro del almacenamiento de energía: hacia una batería perfecta con escala global (Sila, 2020).

Henze, V. Los precios de los paquetes de baterías se citan por debajo de $100/kWh por primera vez en 2020, mientras que el promedio del mercado se sitúa en $137/kWh. BloombergNEF (16 de diciembre de 2020).

Placke, T., Kloepsch, R., Simon, D. & Winter, M. Iones de litio, metal de litio y tecnologías alternativas de baterías recargables: la odisea de la alta densidad de energía. J. Electroquímica de estado sólido. 21, 1939-1964 (2017).

Artículo Google Académico

Schmuch, R., Wagner, R., Hörpel, G., Placke, T. & Winter, M. Rendimiento y costo de los materiales para baterías automotrices recargables a base de litio. Nat. Energía 3, 267–278 (2018).

Artículo Google Académico

Kian Tan, W., Kawamura, G., Muto, H. y Matsuda, A. en Materiales sostenibles para dispositivos de energía de próxima generación Cap. 3, 59–83 (Elsevier, 2021)

Informe de la UNCTAD sobre el transporte marítimo 2020: aspectos destacados y cifras de Asia y el Pacífico (UNCTAD, 2020); https://unctad.org/press-material/unctads-review-maritime-transport-2020-highlights-and-figures-asia-and-pacific

Haramlambides, HE Gigantismo en el transporte de contenedores, puertos y logística global: un lapso de tiempo hacia el futuro. Marit. economía Logista. 21, 1–60 (2019).

Artículo Google Académico

Acerca de la industria: Diseño de buques portacontenedores (World Shipping Council, 2020); http://www.worldshipping.org/about-the-industry/liner-ships/container-ship-design

Review of Maritime Transport (Conferencia de las Naciones Unidas sobre Comercio y Desarrollo, 2019).

Revisión del mercado naviero (Dish Ship Finance, 2021).

Olmer, N., Comer, B., Roy, B., Mao, X. y Rutherford, D. Greenhouse Gas Emissions from Global Shipping, 2013–2015 (Consejo Internacional de Transporte Limpio, 2017).

Stopford, M. Economía Marítima 3ra ed. (Routledge, 2009).

Janek, J. & Zeier, WG Un futuro sólido para el desarrollo de baterías. Nat. Energía 1, 16141 (2016).

Artículo Google Académico

McArthur, DP & Osland, L. Barcos en el puerto de una ciudad: una valoración económica de las emisiones atmosféricas. Transporte Res. D 21, 47–52 (2013).

Artículo Google Académico

Zhang, Q., Wan, Z., Hemmings, B. y Abbasov, F. Reducción de las emisiones de carbono negro del transporte marítimo en el Ártico: soluciones e implicaciones políticas. J. Limpio. Pinchar. 241, 118261 (2019).

Artículo Google Académico

Brown to Green: The G20 Transition to a Low-Carbon Economy (Transparencia climática, 2018).

de Chalendar, JA, Taggart, J. & Benson, SM Seguimiento de emisiones en el sistema eléctrico de EE. UU. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 116, 25497–25502 (2017).

Artículo Google Académico

Amoníaco: informe de política de almacenamiento de energía, combustible y fertilizantes sin carbono (The Royal Society, 2020).

Muratori, M. et al. El auge de los vehículos eléctricos: estado 2020 y futuro. prog. Energía 3, 022002 (2021).

Adelaja, A., McKeown, C., Calnin, B. y Hailu, Y. Evaluación del potencial eólico marino. Política Energética 42, 191–200 (2012).

Artículo Google Académico

Weng, C. & Corbett, JJ Caracterización geográfica del tráfico y emisión de barcos. J.Transp. Res. Junta https://doi.org/10.1177/0361198105190900113 (2005).

Más sabio, R. et al. La encuesta de obtención de expertos predice una disminución del 37% al 49% en los costos de la energía eólica para 2050. Nat. Energía 6, 555–565 (2021).

Artículo Google Académico

Nguyen, HP et al. El sistema de propulsión eléctrica como solución ecológica para la estrategia de gestión de las emisiones de CO2 en el transporte marítimo: una revisión exhaustiva. En t. Trans. Sistema de energía eléctrica. 31, e12580 (2020).

Análisis de causa raíz: Ola de calor extremo de mediados de agosto de 2020 (Operador de sistema independiente de California, Comisión de Servicios Públicos de California, Comisión de Energía de California, 2021).

Tendencias de propulsión en buques portacontenedores (MAN Diesel & Turbo, 2019).

Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU.: Metodologías Actuales en la Preparación de Inventarios de Emisiones Relacionadas con Puertos de Origen Móvil – Informe Final (Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU., 2009).

Czermanski, E., Cirella, GT, Oniszczuk-Jastrzabek, A., Pawlowska, B. y Notteboom, T. Un enfoque de consumo de energía para estimar las reducciones de emisiones atmosféricas en el transporte de contenedores. Energías 14, 278 (2021).

Menon, H. TEU en Envío: todo lo que quería saber (Marine Insight, 2021).

Costos y beneficios del GNL como combustible para buques portacontenedores (MAN Diesel & Turbo, 2012).

Ship Operating Costs Annual Review and Forecast 2017/2018 (Drewery, 2017).

Apostolidis, A., Merikas, A. & Merika, A. La modelización del coste de mantenimiento: el caso de los portacontenedores en dique seco. J. Cómputo. Óptimo economía Finanzas 5, 27–39 (2013).

Google Académico

Dinu, O. & Ilie, AM Obsolescencia de embarcaciones marítimas, costo del ciclo de vida y vida útil del diseño. En la serie de conferencias IOP: Ciencia e ingeniería de materiales, vol. 95 (IOP, 2015).

Ioakimidis, CS, Murillo-Marrodán, A., Bagheri, A., Thomas, D. & Genikomsakis, KN ​​Evaluación del ciclo de vida de una batería de vehículo eléctrico de fosfato de hierro y litio (LFP) en un escenario de aplicación de segunda vida. Sostenibilidad 11, 2527 (2019).

Artículo Google Académico

Harto, C. Costos de propiedad de vehículos eléctricos: los vehículos eléctricos de hoy ofrecen grandes ahorros para los consumidores. Consumer Reports (8 de octubre de 2020).

Baik, JS El estudio sobre los impactos de los mega portacontenedores en los puertos. Pan Pac. J. Gestión de la cadena de suministro. aplicación Practica 1, 22–40 (2017).

Google Académico

Precio en tiempo real de CAISO (LCG Consulting, 2022); http://www.energyonline.com/Data/GenericData.aspx?DataId=19&CAISO___Real-time_Price

Goodkind, AL, Tessum, CW, Coggins, JS, Hill, JD y Marshall, JD Las estimaciones de daños a escala fina de la contaminación del aire por partículas revelan oportunidades para la mitigación de emisiones en ubicaciones específicas. proc. Academia Nacional. ciencia EE. UU. 116, 8775–8780 (2019).

Artículo Google Académico

The Social Cost of Carbon (Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., 2021); https://19january2017snapshot.epa.gov/climatechange/social-cost-carbon_.html#main-content

Coninck, d. H et al. Fortalecimiento e Implementación de la Respuesta Global (IPCC, 2018).

Comer, B. & Osipova, L. Recuento de emisiones equivalentes de dióxido de carbono desde el pozo hasta la vigilia en las políticas climáticas del transporte marítimo (Consejo Internacional de Transporte Limpio, 2021).

Lindstad, H., Eskeland, GS, Psaraftis, HN, Sandaas, I. y Strømmane, AH Transporte marítimo y emisiones: un enfoque de tres niveles basado en daños. Ing. del océano. 110, 94–101 (2015).

Artículo Google Académico

¿Cuánta electricidad se pierde en la transmisión y distribución de electricidad en los Estados Unidos? (Administración de Información Energética de EE. UU., 2021); https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=105&t=3

Gaines, L., Sullivan, J. y Burnham, A. Análisis del ciclo de vida para la producción y el reciclaje de baterías de iones de litio (Laboratorio Nacional de Argonne, 2011).

Tercer estudio de GEI de la OMI de 2014: resumen ejecutivo e informe final (IMO, 2015).

Fugazza, M. Conectividad marítima bilateral desde 2006: un manual básico que utiliza nuevos cálculos del índice de conectividad bilateral de transporte marítimo de línea (LSBCI). Boletín de la UNCTAD sobre facilitación del comercio y el transporte (4 de diciembre de 2019).

Descargar referencias

Damos las gracias a J. Zuboy por su ayuda en la preparación del manuscrito. También reconocemos las ideas de nuestros homólogos de la Administración Marítima del Departamento de Transporte de EE. UU. NP y AP recibieron fondos para este trabajo de la Fundación Hewlett bajo la subvención no. 2019–9467.

Grupo de Energía y Recursos, Universidad de California, Berkeley, CA, EE. UU.

jessica kersey

División de Análisis Energético e Impacto Ambiental, Área de Tecnologías Energéticas, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, CA, EE. UU.

Natalie D. Popovich y Amol A. Phadke

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

JK desarrolló el modelo, realizó el análisis y escribió el borrador del manuscrito. AP concibió el proyecto, aseguró la financiación y revisó el manuscrito. NP proporcionó datos de entrada para la infraestructura de carga y escribió partes del manuscrito.

Correspondencia a Amol A. Phadke.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Energy agradece a Stephen R Turnock y a los otros revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Tablas complementarias 1 a 4, figura 1 y referencias.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Kersey, J., Popovich, ND y Phadke, AA La rápida disminución de los costos de las baterías acelera las perspectivas del envío de contenedores interregional totalmente eléctrico. Energía nacional 7, 664–674 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

Descargar cita

Recibido: 27 Agosto 2021

Aceptado: 01 junio 2022

Publicado: 18 julio 2022

Fecha de emisión: julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-022-01065-y

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Naturaleza (2022)