24º Congresso Nacional de Transporte Aquaviário, Construção Naval e Offshore Rio de Janeiro, 15 a 19 de Outubro de 2012 O sistema híbrido de propulsão como uma alternativa viável aos sistemas diesel-elétrico e diesel-mecânico Renato Barcellos – Wärtsilä Brasil Ltda. Resumo: O chamado sistema híbrido de propulsão ainda é relativamente pouco conhecido e pouco utilizado no transporte marítimo comercial em comparação com os sistemas mais conhecidos de propulsão – o Diesel-Mecânico e o Diesel-Elétrico. Também conhecido como sistema Diesel-Elétrico-Mecânico (ou pela sigla DEM), este sistema se mostra uma alternativa bastante interessante para embarcações cujo perfil operacional alterne momentos de alta e de baixa demanda de potência propulsiva, de embarcações que precisem de grande redundância de propulsão mas nas quais a utilização de propulsão diesel-elétrica não seria eficiente, e de embarcações que possuam mais de um perfil operacional distinto. O sistema híbrido atualmente possui um grande potencial de utilização especialmente devido à maior disseminação de sistemas de controle eletrônico embarcados. Por ser um sistema intermediário entre a propulsão diesel-mecânica e a propulsão diesel-elétrica, o sistema híbrido combina os benefícios de cada um dos dois tipos de forma a trabalhar sempre com a maior eficiência possível. Este trabalho combina uma introdução teórica do sistema com a experiência operacional angariada pela Wärtsilä, fabricante de equipamentos e projetista de embarcações de todos os tipos. 1 – Introdução A busca pelo sistema de propulsão mais eficiente para uma embarcação muitas vezes não é tarefa das mais triviais. A dificuldade se apresenta de forma mais clara quando a embarcação em questão possui dois ou mais modos operacionais distintos, e o sistema de propulsão mais adequado para um destes modos acaba por ser menos eficiente para o outro. Sempre coube ao projetista fazer a opção pela configuração mais adequada ao perfil operacional dominante, restando ao armador conviver com a menor eficiência do sistema pelo restante do tempo. Era o tipo de problema do qual não havia escapatória possível, pois projetar é ponderar soluções e assumir compromissos. É possível ver claramente este tipo de compromisso no momento em que se passou a projetar embarcações de apoio marítimo do tipo PSV (Platform Supply Vessel) com propulsão dieselelétrica: é sabido que a utilização deste tipo de propulsão introduz perdas relativas às múltiplas transformações de energia no sistema (mecânica para elétrica, depois mecânica novamente) da ordem de 10% na condição de navegação, mas estas perdas são tidas como efeito colateral da solução, que sem dúvida é a melhor e mais confiável para embarcações que operem por longos períodos em regime de posicionamento dinâmico. Da mesma forma, é possível ver que a maioria dos navios de manuseio de âncoras (AHTS – Anchor Handling, Tug and Supply) optaram pela propulsão convencional, pela mesma fundamentação, mas com a conclusão reversa: para uma embarcação que necessite de grande potência em sua propulsão principal, 1 Trata-se apenas de avaliar outras possibilidades de utilização. turbinas a gás e diesel. Daí a opção quase que unânime de AHTS com propulsão diesel-mecânica. de reabastecimento de unidades offshore. possibilidades estas que passaremos a tratar a seguir. não se trata de um sistema novo. Conforme Woud e Stapersma (2002). Portanto. os projetistas e fabricantes de equipamentos de propulsão foram instados cada vez mais a aumentar a eficiência das operações. pois vários tipos de navios combatentes de superfície possuem sistemas combinados de propulsão (diesel-diesel. define-se sistema dieselmecânico como aquele no qual os propulsores são acionados diretamente por uma transmissão mecânica acoplada a um (ou mais) motores diesel. O sistema híbrido de propulsão. nesse trabalho o uso da expressão “Sistema Híbrido” faz referência somente ao sistema conhecido como DEM. com o uso de motores diesel para a propulsão de superfície e para a recarga de baterias que por sua vez alimentam motores elétricos. etc. também conhecido pela alcunha de Sistema DEM – Diesel-Elétrico-Mecânico – é uma das alternativas que se apresenta ao projetista que deseja aumentar a eficiência sobre um maior espectro operacional. que impulsionam a embarcação quando esta se encontra submersa. o diesel-mecânico. mas de um sistema que já existe. O PSV deve fazer o transporte de forma segura entre seu porto de abastecimento (a shore base) e os campos petrolíferos. é um grande exercício se determinar qual é o sistema propulsor mais adequado. No entanto. mas é necessário recorrermos a exemplos práticos para podermos visualizar a questão apresentada. operando no transporte dos consumíveis necessários à operação de sondas de perfuração. sigla para Diesel-ElétricoMecânico. os requisitos operacionais de um PSV típico são: alta velocidade para reduzir ao máximo o tempo gasto navegando entre sua base e as unidades de perfuração e produção. Com foco apenas no sistema propulsor. Como mencionado. que passa a atuar como motor elétrico. 3 – Definição de Sistema Híbrido e Razões para se cogitar sua utilização Para fins de delimitação de escopo. que podem ser utilizados normalmente. o que define um sistema propulsor como híbrido é a possibilidade de se operar em modos de geração ou utilização de potência de forma distinta ou combinada. e sistema diesel-elétrico como aquele no qual os propulsores são acionados por motores elétricos alimentados por grupos-geradores diesel. ou seja. e o diesel-elétrico. sendo capaz de permanecer em posicionamento dinâmico em alto mar. plataformas de produção de petróleo e gás. Com o passar dos anos e o aumento dos custos de operação e combustível.a introdução das ineficiências inerentes à propulsão diesel-elétrica comum teria um preço alto a se pagar em termos de potência instalada. O objetivo deste trabalho é fazer uma apresentação do sistema. Na navegação comercial um tipo de sistema híbrido já vem sendo utilizado ultimamente em algumas embarcações especiais como navios que necessitam notação de classe de Propulsão Redundante. ou de uma inovação tecnológica revolucionária. e uma ponderação de seus possíveis usos. possibilitando à embarcação operar de forma eficiente em um cenário relativamente complexo. O sistema DEM é uma possibilidade de se combinar o melhor de dois sistemas distintos. como forma de dispositivo emergencial de propulsão e governo (o chamado take-mehome). é nos submarinos do tipo diesel-elétrico que se visualiza o uso de um sistema híbrido elétrico-mecânico. mantendo uma distância segura (e bastante reduzida) das unidades as quais ele deve abastecer. etc). por óbvio. quando temos uma embarcação que possui uma operação com dois perfis muito diferentes. 4 – 1º Estudo de Caso: navio de apoio marítimo do tipo PSV (Platform Supply Vessel) Tomemos o caso de um navio de apoio marítimo do tipo PSV. A teoria é interessante. e um dos caminhos mais imediatos para o aumento de eficiência é. onde os grupos geradores de bordo podem alimentar a propulsão principal através da inversão do gerador de eixo. Da mesma forma. 2 – Breve histórico O uso de um sistema híbrido – no sentido de múltiplas fontes de potência – não é novidade para embarcações militares. ou seja. a eliminação das perdas. sem que seja uma operação de emergência. O PSV é um navio supridor. Foi necessário então que novas soluções fossem pensadas e desenvolvidas. e grande 2 . e de efetivamente possuir mais elementos que um sistema diesel-elétrico padrão. quando em trânsito. grosso modo. os dois motores diesel acoplados à linha de eixo acionam a mesma. Neste momento. que é naturalmente redundante. opera uma propulsão mecânica acionada através de uma única linha de eixo e caixa redutora. Os propulsores utilizados em PSVs diesel-elétrico são. propulsores azimutais (ou thrusters azimutais). Figura 2 . o sistema de propulsão padrão para PSVs foi gradualmente migrando de uma solução diesel-mecânica para a propulsão diesel-elétrica. A menor eficiência global na condição de navegação frente à propulsão mecânica sempre foi vista como um “preço a se pagar” pela maior redundância. no entanto. Tal e qual um sistema diesel-mecânico. já que era. igual ao tempo passado em DP. Um perfil operacional típico pode ver visualizado na Figura 1. conforme Figura 2. geralmente. Uma arquitetura típica de um sistema DEM para PSV pode ser vista na Figura 3. O sistema então funciona da seguinte forma: quando em navegação.capacidade de geração elétrica.Arquitetura típica de um sistema de propulsão DEM de um PSV Apesar de parecer mais complexo. Ainda há outra questão. Devido principalmente à necessidade de se garantir a segurança e a redundância da operação de transbordo de carga. que transmite sua força a um único hélice de passo controlável e grande diâmetro. Figura 3 . Trata-se de um sistema que. para que os dispositivos de posicionamento dinâmico e as bombas de carga possam operar. ou DEM. temos a seguinte situação: a operação típica de um PSV no Mar do Norte acaba por dividir o tempo passado nas condições “DP” e “Navegando” em partes iguais (40% para cada). A solução proposta para para se obter o melhor dos mundos foi um sistema dieselelétrico-mecânico.Perfil operacional típico de um PSV operando no Mar do Norte (fonte: Wärtsilä Ship Design) Logo. Estes propulsores têm um maior custo de aquisição e de manutenção.Perdas no sistema de transmissão No entanto. quando em posicionamento dinâmico. a caixa redutora é desacoplada e os motores diesel passam a acionar geradores de eixo. No caso do PSV. com o navio mantendo posição através de impelidores laterais (thrusters) retráteis e de túnel acionados por motores elétricos. o sistema DEM é composto de elementos mais simples. com o aumento dos custos operacionais o mercado começou a se exigir que fossem buscadas formas mais eficientes para o atendimento de todas as necessidades. de menor potência e de menor custo de aquisição que o conjunto de um sistema Diesel-Elétrico. mas o perfil de utilização mostrava que o tempo passado navegando não poderia ser desprezado. não seria possível se abrir mão da confiabilidade e da redundância da propulsão diesel elétrica. e equipa a vasta maioria dos PSVs modernos. a potência elétrica necessária para a carga de hotelaria e sistemas do navio pode 3 . Figura 1 . e com o avanço na tecnologia de controle eletrônico de sistemas. em um arranjo chamado de father-and-son. o uso de propulsão totalmente diesel-elétrica acarretaria na necessidade de se instalar potência dez por cento maior que o efetivamente consumido pelos propulsores na condição de potência máxima. Uma representação do casco de um PSV DEM pode ser vista nas figuras 4 e 5 abaixo. e a redução dos apêndices é outra razão para melhor eficiência (Schneekluth e Bertram [1998]). quando da chegada na unidade que irá ser abastecida. O que é fato é que a adoção do sistema DEM permite que o projetista trabalhe o PSV de forma inédita.Casco de PSV DEM (cortesia Wärtsilä) Figura 5 . o ganho de 25% deve ser tomado como resultado de todas as modificações descritas. os dois motores da linha de eixo central são desconectados da mesma e passam a acionar somente os geradores de eixo. a situação se inverte quanto à utilização de propulsão diesel-elétrica. Carlton [2007]). No entanto. uma caixa redutora de dupla entrada e saída única e dois motores diesel por linha de eixo. Os propulsores azimutais retráteis são abaixados e postos em funcionamento. no qual os motores possuem potências diferentes. quando a embarcação então parte para seu próximo destino com a propulsão diesel-mecânica em funcionamento. devemos abordar as modificações necessárias à forma da embarcação. O PSV DEM é visualmente bastante diferente dos demais notadamente devido ao seu grande propulsor central. O AHTS é uma embarcação de “força bruta”. Em cada caixa redutora há geralmente uma 4 . os propulsores retráteis são suspendidos para dentro do casco novamente. Tug and Supply) No caso de um AHTS. Figura 4 . o casco passa a ter menos apêndices quando não apresenta os dois propulsores azimutais fixos presentes nos PSVs diesel-elétricos. Antes de falarmos em consumo. Conforme pode ser demonstrado. Portanto. e os motores centrais são acoplados à linha de eixo. o uso deste tipo de propulsão – ainda que mais confiável e mais indicada para demandas variáveis – não é comum. e não apenas do sistema em si. e para o cravamento de âncoras no solo marinho. 5 – Estudo de Caso: navio de apoio marítimo do tipo AHTS (Anchor Handling. necessitando de grande potência propulsiva de forma a gerar a tração estática (ou Bollard Pull) necessária ao reboque de estruturas e de outras embarcações. Como AHTSs modernos geralmente possuem em torno de 14 a 20 MW de potência instalada.Casco de PSV DEM (cortesia Wärtsilä) Dados operacionais obtidos junto à Wärtsilä demonstram que o consumo de combustível quando em navegação chega a ser 25% menor do que um PSV Diesel-Elétrico comum. Neste momento. um único propulsor permite que as linhas de popa sejam otimizadas para um melhor fluxo. com duas linhas de eixo.tanto vir dos grupos-geradores auxiliares. A propulsão para AHTS mais comum é a Diesel-Mecânica. enquanto que o consumo em DP é equivalente. sendo alimentados pela planta de geração até a operação terminar. como dos geradores de eixo. formando um sistema diesel-elétrico com quatro grupos geradores. No entanto. um único propulsor com maior diâmetro e menor velocidade é mais eficiente do que dois propulsores de menor diâmetro e que possuam uma maior velocidade de rotação (Schneekluth e Bertram [1998]. e a trabalhar em paralelo com geradores auxiliares. Além disso. Finalmente. e aí temos as seguintes situações: Para um AHTS moderno. Devido à grande variação de carregamento e demanda propulsiva. Cada linha de eixo pode então ser servida por cada um dos motores.8 MW. um AHTS opera tranquilamente com algo em torno de 21% da potência instalada. durante 60% do tempo de sua operação. aumentando e diminuindo o passo do hélice. mas. No entanto. geralmente através de um variador de freqüência elétrica. Teoricamente porque. que por sua vez possuiriam teoricamente uma capacidade limitada de variação de velocidade. 5 . O uso do sistema DEM permite uma abordagem interessante tanto à questão da operação em baixa potência. quanto ao problema da dissipação de potência na operação com passo zero. o propulsor está absorvendo em torno de 15 a 20% da potência máxima contínua do equipamento. ou MCR) para atingir tal marca. ou menos comum 50 Hz). Retornando ao AHTS do exemplo. Há também um ponto que costuma passar despercebido. uma segunda análise se mostra necessária. a reversão do sentido do empuxo é feita sem variar a velocidade. % of operation time Mission profile 50 40 30 20 10 0 Steaming 12 Steaming 15 DynPos light DynPos heavy Bollard knots Figura 6knots . mas que já vem sendo objeto de estudo por alguns anos: as perdas energéticas quando os propulsores estão trabalhando com passo zero. O propulsor de passo controlável geralmente possui velocidade constante. Por este motivo – entre outros – a maioria dos impelidores laterais atuais utilizados em operação de posicionamento dinâmico possui passo fixo e velocidade variável. se valendo de um sistema hidráulico para variar o ângulo de ataque das pás. a utilização de propulsão mecânica se mostra a mais adequada. Ou seja. Para um motor a diesel. A embarcação possui então uma capacidade limitada de variar a potência propulsiva através da utilização do motor que mais se aproxime da demanda do momento.8 a 3. este necessita funcionar em rotação constante para que a freqüência elétrica seja mantida sob controle (geralmente 60 Hz. Na Figura 6 está o perfil operacional típico de um AHTS operando no Mar do Norte em uma jornada de 6000 horas anuais. individual ou simultâneamente. esta mesma embarcação atingirá a velocidade de 13 nós com aproximadamente 4 MW. De forma análoga. sem produzir empuxo. ou seja. A arquitetura de um sistema DEM para AHTS pode ser vista na Figura 7. bastando variar o passo negativamente. Ocorre que não se pode desprezar a absorção de potência pelo propulsor quando este se encontra na condição de “passo zero”. os 19 MW de potência MCR acarretam uma perda mensurável em torno de 2. já que a embarcação passa aproximadamente 60% do tempo em condição de navegação e tração estática (“Steaming” e Bollard”).Perfil operacional típico de um AHTS (6000 hrs/year) operando no Mar doMission Norte (dados obtidos junto à Wärtsilä) Em uma primeira análise. a velocidade de 12 nós e a condição de “posicionamento dinâmico leve” são condições de baixa demanda. a totalidade dos AHTS modernos possui propulsores principais dotados de passo controlável. Apesar de não estar gerando empuxo. que nada mais é do que potência dissipada. já que devemos levar em conta a demanda energética total. o que é bem próximo da demanda de potência para posicionamento dinâmico leve. Pois bem. como há um gerador de eixo acoplado ao sistema. o que obriga os motores diesel acoplados à caixa redutora a funcionarem sempre na sua velocidade máxima (equivalente a 100% da potência máxima contínua). se um AHTS certificado para 270 toneladas-força de tração estática precisa de um sistema propulsor que desenvolva 19 MW (Potência Máxima Contínua. Os dados de desempenho geralmente são sigilosos. poucas coisas impactam tanto na performance (e no custo de manutenção) quanto o funcionamento em baixa carga. e assim controlar o empuxo. O problema é que a propulsão principal do AHTS de propulsão mecânica possui motores diesel de média rotação.tomada de força com um gerador de eixo. Figura 10 – Modo de Posicionamento Dinâmico Diesel-Elétrico (cortesia Wärtsilä) Figura 8 – Modo operacional 100% (cortesia Wärtsilä) O sistema acaba por dotar um AHTS de redundância equivalente a um sistema DieselElétrico. sendo que cada uma delas possui um propulsor de passo controlável e uma caixa redutora. 9 e 10 trazem três modos possíveis de operação. uma com um motor diesel. o maior custo relativo sempre recai nos 6 . As Figuras 8. Há ainda um gerador de eixo ligado diretamente ao motor principal. e outra com um motor elétrico. mas basicamente pode ser afirmado que o sistema DEM permite a utilização dos motores seja escalonada de forma a impedir o funcionamento em baixa carga. 6 – Impacto no custo de manutenção Quanto ao custo de manutenção de PSVs.Arquitetura de sistema DEM para AHTS (cortesia Wärtsilä) O sistema é composto por duas linhas de eixo. Há toda uma gama de modos operacionais. o problema da dissipação de potência quando em passo zero pode ser eliminado pelo acionamento dos motores elétricos através de um variador de freqüência. Há duas entradas para esta caixa redutora. Da mesma forma.Figura 9 – Modo de Navegação a 12 nós (cortesia Wärtsilä) Figura 7 . e propulsores azimutais retráteis para utilização em DP e Standby. No sistema DEM. 9 – Conclusão O sistema Diesel-Elétrico-Mecânico não é um sistema de propulsão que veio para substituir todos os outros. o impacto no custo operacional acaba sendo relativo à possibilidade de se desligar os motores principais quando estes estiverem operando com carga muito baixa. Recordando da Figura 1 acima. é uma conclusão imediata a de que as embarcações que atendem estes campos necessariamente passarão mais tempo navegando. o que é uma redução significativa do tempo de uso do equipamento mais caro a bordo. com exceção do momento de estada em porto. Especialmente quando se leva em consideração que a exploração de petróleo está se movendo para lugares mais distantes da costa. No entanto. O custo é maior por tratar-se de equipamento que possui diversos selos. os chamados shuttle tankers. O perfil de utilização dos azimutais ficaria sendo de 50% do tempo de operação. a avaliação de um sistema DEM para equipar PSVs e AHTSs seria algo proveitoso. o PSV possui uma linha de eixo central para uso em navegação. o que é prejudicial para carbonização. 7 – Outras utilizações possíveis Apesar de este trabalho ter se centrado em utilizações para embarcações de apoio marítimo. sem a necessidade de um sistema auxiliar. Para o AHTS. e geradores extras com a função específica de fornecer energia para os thrusters utilizados na operação DP. os responsáveis pelo maior custo relativo de manutenção de um PSV. embarcações que operem no transporte oceânico ou de cabotagem e necessitem navegar em rios ou lagoas. Outra utilização seria a propulsão de navios aliviadores. os propulsores estão operando em todos os momentos de funcionamento da embarcação. Ainda se levando em conta a necessidade premente de se ter confiabilidade operacional – ainda mais quando as distâncias entre a área de operação e os estaleiros de reparo se tornam maiores – a adoção de sistemas DEM por embarcações AHTS dota estes navios de uma confiabilidade semelhante à de um sistema diesel-elétrico sem a consequente perda de eficiência na propulsão. por exemplo. Os aliviadores que possuem posicionamento dinâmico já possuem uma espécie de sistema híbrido. A diversidade presente no perfil operacional de tais embarcações leva a crer que a propulsão DEM seja uma opção que valha a pena estudar a fundo. estão em funcionamento durante aproximadamente 90% do tempo de funcionamento da embarcação. quanto pela maior confiabilidade operacional e conseqüente redução de paradas para manutenção corretiva. Este seria um dos principais argumentos para o estudo de um PSV do tipo DEM para operação no apoio marítimo brasileiro. já que possuem um motor principal de dois tempos para a propulsão. rolamentos. nos propulsores principais. o sistema DEM pode ser avaliado como uma forma de se reduzir a potência total instalada a bordo. Desta forma. a adaptação que deve ser feita é a adequação dos perfis operacionais aqui descritos – retirados de dados concretos obtidos da operação no Mar do Norte – para perfis que possam refletir com exatidão a operação na Plataforma Continental Brasileira. tanto pela economia de combustível. 8 – Possibilidades brasileiro para o mercado O mercado brasileiro possui características ímpares. responsáveis pela propulsão principal e componente fundamental do sistema de posicionamento dinâmico. operando em outras condições. como. ou seja.propulsores azimutais. Especialmente no apoio marítimo. e eixos que operam basicamente Em um PSV equipado com um sistema Diesel-Elétrico. no que tange os discutido neste trabalho. a operação é bastante diferente do que se encontra em outros lugares. Não se trata de uma 7 . podemos aduzir que os propulsores azimutais. de forma que seria um erro acreditar que qualquer solução encontrada em outro cenário de operações possa ser “transplantada” sem o devido grau de adaptação. É possível pensar em uma propulsão DEM para navios mercantes que operem em áreas muito diversas. pois a potência para os thrusters seria fornecida pela propulsão principal. nada impede que se avalie a aplicação de propulsão DEM em outros tipos de embarcações. É possível balancear o uso dos motores de forma que o número global de horas de funcionamento seja reduzido. No entanto. ouvidos o armador e o estaleiro construtor. 2002. 2007. a possibilidade de economia e melhor adequação operacional que o conceito de sistema Diesel-ElétricoMecânico nos apresenta indica que há um cenário favorável ao estudo de mais aplicações deste tipo. J. 2004. CARLTON. em tempos de alto custo de combustível e de aumento de custos operacionais diretos. H.. Ship Design for Efficiency and Economy. 2 ed.panaceia. STAPERSMA. cabendo. capaz de resolver todos os problemas de eficiência ou economia de combustível. ed. Technical Conference Presentation. 8 . V. 2. 494 pp. 533 pp. WOUD. K. Marine Propellers and Propulsion. 1998. LAHEIJ. 33 pp. SCHNEEKLUTH. H. London: IMarEST. S. Oxford: ButterworthHeineman. BERTRAM.. 10 – Bibliografia DANG. 220 pp. H.. ao projetista da embarcação a avaliação do que seria melhor para o caso concreto. Oxford: Butterworth-Heineman. como sempre. J. D. a escolha de um sistema DEM acarretará benefícios que devem ser sopesados frente à uma maior complexidade de instalação. Houston. Design of Propulsion and Electric Power Generation Systems. Como toda opção que precisa ser feita. Hydrodynamic Aspects of Steerable Thrusters In: Dynamic Positioning Conference 2004. No entanto.
Report "O Sistema Híbrido de Propulsão Como Uma Alternativa Viável Aos Sistemas"