Antecedentes
Hoy por hoy existen cerca de 1,275 buques en el mundo para transportar petróleo crudo a grandes distancias. De estos, el 99.3% utiliza buques de propulsión diesel eléctrica que se especializan en la comercialización desde Alaska a toda la costa oeste de los Estados Unidos. Aparte del sistema de propulsión utilizado, otro sistema de ingeniería de importancia es el que se usa para desembarcar la carga. El sistema de descarga consta de un juego de bombas, conductores de bombeo y oleoductos que han sido cuidadosamente diseñados para permitir que el buque se libere de su carga de la manera más efectiva posible. Estos sistemas de bombeo usualmente funcionan a vapor, porque son compatibles con el sistema de motores diesel que poseen estas grandes embarcaciones.

Descripción General del Sistema de Bombeo
En los barcos petroleros, las bombas de desembarque están usualmente instaladas en una sala especial ubicada en la parte posterior de los mismos. Las bombas están conectadas a los buques a través de una red de tuberías que corren a lo largo del buque, a varios pies por encima del fondo de la embarcación. Regulaciones internacionales prohíben que las tuberías corran por debajo de los buques para prevenir daños y evitar filtraciones en caso de que llegaran a encallar.

El petróleo crudo está conformado por una gran mezcla líquida de hidrocarburos y posee componentes altamente volátiles que pueden fácilmente convertirse en vapor a medida que la presión en el líquido va disminuyendo. Cuando un buque comienza a bombear la carga de crudo, la presión que el líquido ejerce en los tubos de succión hasta llegar a la bomba es relativamente alta, debido a que el nivel del líquido se encuentra bien por encima de la bomba. La pérdida de presión es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad de flujo. Por consiguiente, a medida que el líquido es descargado en tierra firme sus niveles van disminuyendo, reduciendo así la presión ejercida en la bomba de succión. Eventualmente, y debido a esta baja en el nivel del líquido, también va disminuyendo la fricción en la succión hasta que se iguala a la presión atmosférica. El bombeo continuo disminuye aún más la presión, lo que ocasiona que los componentes de naturaleza más volátil del crudo se evaporicen instantáneamente. Esto puede saturar la bomba de vapor y ocasionar una baja en la capacidad de succión en los tanques. Para retardar la pérdida de succión hasta último momento, y lograr descargar en su totalidad el crudo de los tanques, las bombas deben tener la capacidad de disminuir su velocidad. Esto reduce la pérdida de fricción en el oleoducto y mejora la capacidad de operación de las bombas, porque ya no se ven obligadas a operar saturadas de gas.

Los sistemas de bombeo de petróleo crudo deben por consiguiente, tener la capacidad de reducir su velocidad. Idealmente, deben poder operar a cualquier velocidad, desde neutro hasta la velocidad más alta.

Con el fin de prevenir explosiones en la sala de bombeo, existen regulaciones que prohíben la presencia de motores eléctricos y equipo relacionado dentro de la misma. Para evitar escapes de gas, el equipo para la operación de las bombas debe estar ubicado en la sala de máquinas del buque y debe ser operado a través de un juego de ejes sellados que comuniquen la sala de máquinas con la sala de bombeo.

Otros Sistemas Requeridos Durante el Bombeo de la Carga
Mientras el buque se encuentra descargando, regulaciones internacionales han solicitado recargar los tanques de los mismos con gas inerte para proveer así una atmósfera más segura que reduzca en lo posible el riesgo de alguna explosión. Puede utilizarse cualquier gas inerte que resulte de la mezcla no corrosiva de otros gases que contengan menos de 5% de oxígeno. Las fuentes más comunes de gas para este uso son los gases fríos y acumulados que provienen de los calentadores de los buques o de los gases fríos y depurados producto de la combustión que producen los mismos generadores de gas inerte.

El equipo del generador de gas inerte incluye un calentador/quemador, un depurador, sopladores/compresores/ventiladores, y un sistema de control que incinera el aceite diesel para barcos y luego pasa los componentes producidos en la combustión por un depurador donde son limpiados y enfriados con agua de mar. El proceso da como resultado nitrógeno con algo de CO2 y menos de 5% de oxígeno.

Opciones de Sistemas de Inyección/Propulsión de Bombeo
Existen 3 tipos principales de sistemas de inyección/propulsión para las bombas de descarga (las cuales se encuentran en el cuarto de máquinas) que pueden ser utilizadas en estos buques: hidráulica, eléctrica, y de vapor.

Inyección/Propulsión Hidráulica
Los sistemas de inyección/propulsión hidráulica consisten en bombas hidráulicas que abastecen el petróleo a alta presión (3500 psig) a un suplidor principal que se encuentra en cubierta. El ramal de tuberías cuenta con motores hidráulicos que operan las bombas de descarga. El petróleo hidráulico es retornado al suplidor principal en cubierta y de allí reenviado a la bomba suplidora. Las bombas hidráulicas suplidoras pueden ser operadas por motores diesel o con electricidad. Si el sistema es operado directamente por un motor diesel, la eficiencia del motor es de un 27%. Si el sistema es operado por motores eléctricos que funcionan a través de generadores diesel, la eficiencia similar a un 25%.

La depuración de gases que provienen de los motores diesel que operan las bombas hidráulicas, no son recomendados para ser utilizados como gas inerte, porque la cantidad de oxígeno que contienen es muy alta y no puede ser controlada fácilmente. Por lo tanto, un generador de gas inerte adicional debe estar en funcionamiento durante el bombeo. Si se agrega el combustible requerido por el generador de gas inerte al combustible que requieren los motores diesel, el rendimiento térmico promedio creado para el sistema de inyección/propulsión hidráulica es casi de un 16% para los motores operados directamente con diesel o de un 15% para los motores diesel eléctricos.

Para las bombas de inyección/propulsión hidráulica, el buque debe contar con un gran grupo de generadores diesel o motores que se encarguen exclusivamente de operar las bombas de descargue. Un buque VLCC típico requiere una potencia de 12 MW (16,000 HP) aproximadamente, además de la normalmente requerida por los buques para operar este tipo de sistemas.

Inyección/Propulsión Eléctrica
Una tecnología relativamente nueva está ahora disponible para permitirle a los buques operar con corriente alterna las bombas de descarga a distintas velocidades. Con este sistema, la potencia es producida por embarcaciones generadoras y es suministrada al mecanismo que controla la velocidad por medio de transformadores de gran tamaño. Este dispositivo varía la frecuencia de la energía eléctrica para permitir que las bombas operen a distintas velocidades. En este tipo de sistema, la potencia promedio que proviene de los motores diesel que operan desde el generador a la bomba, es de aproximadamente un 38%.

Al igual que con los sistemas hidráulicos, la depuración de gases que proviene de los motores diesel no es recomendada para ser usada como fuente para producir gas inerte. Nuevamente un generador adicional debe ser empleado para cumplir con los requisitos de producción de gas inerte durante las operaciones de bombeo. Si se suma la potencia que necesita el generador de gas inerte y la que requieren los motores diesel para su funcionamiento, la potencia promedio de entrada a la bomba es de un 20%.

El sistema de energía eléctrica requiere la instalación de un juego de generadores diesel con una potencia aproximada de 11 MW (15,000 HP).

Inyección/Propulsión a Vapor
El sistema de bombeo de inyección/propulsión a vapor consiste en un par de calderas que producen vapor saturado para alimentar a las turbinas que operan las bombas y al mismo tiempo liberan vapor a un condensador de agua de mar que es regresado a la caldera. La velocidad de la bomba puede ser controlada por el regulador de vapor de la turbina. La eficiencia promedio generada para este tipo de sistemas es baja, ya que el mismo opera sólo a vapor saturado a baja presión. La potencia promedio generada desde el sistema a la bomba es de aproximadamente de un 14%.

La depuración de gases que proviene de las calderas es una fuente excelente de gas inerte, ya que los niveles de oxígeno producidos están por debajo del límite del 5% que permiten las regulaciones. El proceso de combustión puede ser controlado para mantener este nivel mientras dure la descarga. El sistema de inyección/propulsión a vapor para la producción de gas inerte no requiere de otro generador ni el consumo adicional de combustible.

El sistema a vapor no requiere la instalación de generadores diesel adicionales ya que el bajo consumo eléctrico de los generadores existentes da suficiente capacidad para operar las bombas de circulación y de alimentación.

Reconversión
La elección del sistema de bombeo depende del tipo propulsión. Menos del 10% de los sistemas de bombeo son de inyección/propulsión eléctrica o hidráulica. Las probabilidades de reconvertir el sistema de bombeo existente es casi nula debido a que la disposición del equipo en la sala de máquinas es parte integral del diseño y maquinaria del buque. Además, los sistemas operados hidráulica o eléctricamente toman más espacio en los niveles superiores de la maquinaria de un buque que lo que toma la planta de vapor (y la sala de máquinas puede que no disponga del espacio suficiente para alojarlos).

Diferencias entre los Sistemas de Bombeo
El sistema más sencillo de operar y mantener es el sistema a vapor. El costo de capital es también bajo si lo comparamos con el costo de los sistemas eléctricos o hidráulicos. La única desventaja del sistema a vapor es el consumo de combustible, ya que es ligeramente más alto que el resto de los sistemas. Este es solo un pequeño problema, si consideramos que la diferencia en el consumo del generador de gas inerte es mínimo y se incluye en los sistemas de la competencia.

Las bombas hidráulicas son muy comunes en aquellos buques más pequeños que típicamente cargan, simultáneamente, productos petroleros que no pueden ser combinados. En este sentido, existe una sola bomba hidráulica por buque, y no existe la posibilidad de contaminación de los productos. Este tipo de buque pesa alrededor de 40,000 DWT o menos, aunque existen algunos buques de hasta 70,000 DWT que también se dedican a este tipo de comercialización. Algunos buques grandes cuentan con bombas hidráulicas, pero típicamente operan en áreas específicas o se dedican a prestar servicios de transporte.

Las bombas eléctricas son las más eficaces, pero probablemente son el sistema más caro de comprar e instalar en un nuevo buque. Sólo para la operación de las bombas se requiere una gran instalación de generadores eléctricos. Para el resto de las operaciones del buque, la carga eléctrica requerida es de casi un 8% de la utilizada durante el bombeo. Cuando el combustible necesario para operar el generador de gas inerte es agregado al combustible que consume el motor, la ventaja sobre el sistema a vapor no es significativa, si la comparamos a los costos de capital y de operación del sistema eléctrico. Existen buques nuevos en el área de intercambio entre Alaska y California, y también buques que prestan servicios de transporte con bombas operadas eléctricamente. Todos estos buques han sido diseñados para realizar viajes relativamente cortos, y pasan proporcionalmente, la mayor parte de su tiempo en puerto bombeando cargas. Así que los ahorros en combustible proporcionados por la fuente eléctrica pueden ser lo suficientemente significativos para contrarrestar los costos de capital y de mantenimiento.

Otras Consideraciones
La mayorías de los buques de gran tamaño han sido diseñados para cargar petróleo crudo en el Golfo de Arabia y de allí transportar la carga a Europa, Japón y la costa este y oeste de los Estados Unidos. Estos viajes toman típicamente 30 días o más. Incluyendo el viaje de regreso para tomar una próxima carga, cada desembarque de carga toma cerca de 60 días más un día o dos para las operaciones de carga y descarga. Esto significa que de los 62 días, el sistema de bombeo de carga sólo está en operación por un día o aproximadamente 6 veces al año.

En este tipo de servicio existen pocos incentivos que justifiquen el reemplazo del sistema de turbinas que ha demostrado un fiel funcionamiento a lo largo de los años. Los sistemas hidráulicos no ahorran más combustible que el sistema a vapor (si se incluye el generador de gas inerte) y requieren la instalación de motores diesel, o la compra e instalación de generadores de poder o bombas hidráulicas que requieren mantenimiento a lo largo de la vida del buque. Los sistemas eléctricos han sido generalmente utilizados más en buques que prestan servicios de transporte o en embarcaciones comerciales en Alaska que se acercan más a un servicio de transporte que a un servicio intercontinental. Muchos de los buques a los cuales se les ha instalado bombas eléctricas, han sido construidos con sistemas de propulsión eléctricos. De requerirse la instalación de una planta eléctrica para la propulsión, agregar las bombas a la planta existente es un cambio más simple y menos costoso. Sin embargo, estas embarcaciones no pueden competir con el sistema a baja velocidad operado por diesel que se utiliza en las largas rutas oceánicas, debido a que poseen un sistema de propulsión/inyección eléctrica ineficiente.

El objetivo principal del operador de un buque cuando llega a puerto con una carga, es descargarla de una manera segura y retornar a alta mar tan rápido como le sea posible. Por muchos años, la simplicidad, fidelidad y economía que ofrece el sistema de turbinas han dado razones suficientes para ser los preferidos entre todos los VLCCs y la gran mayoría de los buques petroleros de menor tamaño. No existe hoy, ni en el futuro inmediato, un sistema que opere de manera tan sencilla, a menor costo y con la confiabilidad con la que opera el sistema de bombeo de inyección/propulsión a vapor.

Conclusión
Luego de reuniones sostenidas con los dueños de los buques y agentes, y una vez finalizado el estudio de la literatura existente se ha llegado a la conclusión de que, ni actualmente ni en el futuro cercano, hay necesidad de cambiar los sistemas de bombeo de los buques petroleros a sistemas eléctricos. Sin embargo, si el sistema de propulsión de los mismos llegara a cambiarse por un sistema eléctrico, se utilizaría entonces un sistema de bombeo de inyección eléctrica para la descarga. La eficiencia y confianza en el actual sistema supera cualquier intento de implementar sistemas de inyección/propulsión eléctrica.