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24 Congresso Nacional de Transporte Aquavirio, Construo Naval e Offshore

Rio de Janeiro, 15 a 19 de Outubro de 2012

O sistema hbrido de propulso como uma alternativa vivel aos sistemas diesel-eltrico e diesel-mecnico

Renato Barcellos Wrtsil Brasil Ltda.

Resumo: O chamado sistema hbrido de propulso ainda relativamente pouco conhecido e pouco utilizado no transporte martimo comercial em comparao com os sistemas mais conhecidos de propulso o Diesel-Mecnico e o Diesel-Eltrico. Tambm conhecido como sistema Diesel-Eltrico-Mecnico (ou pela sigla DEM), este sistema se mostra uma alternativa bastante interessante para embarcaes cujo perfil operacional alterne momentos de alta e de baixa demanda de potncia propulsiva, de embarcaes que precisem de grande redundncia de propulso mas nas quais a utilizao de propulso diesel-eltrica no seria eficiente, e de embarcaes que possuam mais de um perfil operacional distinto. O sistema hbrido atualmente possui um grande potencial de utilizao especialmente devido maior disseminao de sistemas de controle eletrnico embarcados. Por ser um sistema intermedirio entre a propulso diesel-mecnica e a propulso diesel-eltrica, o sistema hbrido combina os benefcios de cada um dos dois tipos de forma a trabalhar sempre com a maior eficincia possvel. Este trabalho combina uma introduo terica do sistema com a experincia operacional angariada pela Wrtsil, fabricante de equipamentos e projetista de embarcaes de todos os tipos.

1 Introduo A busca pelo sistema de propulso mais

eficiente para uma embarcao muitas vezes no tarefa das mais triviais. A dificuldade se apresenta de forma mais clara quando a embarcao em questo possui dois ou mais modos operacionais distintos, e o sistema de propulso mais adequado para um destes modos acaba por ser menos eficiente para o outro.

Sempre coube ao projetista fazer a opo pela configurao mais adequada ao perfil operacional dominante, restando ao armador conviver com a menor eficincia do sistema pelo restante do tempo. Era o tipo de problema do qual no havia escapatria possvel, pois projetar ponderar solues e assumir compromissos. possvel ver claramente este tipo de compromisso no

momento em que se passou a projetar embarcaes de apoio martimo do tipo PSV (Platform Supply Vessel) com propulso diesel-eltrica: sabido que a utilizao deste tipo de propulso introduz perdas relativas s mltiplas transformaes de energia no sistema (mecnica para eltrica, depois mecnica novamente) da ordem de 10% na condio de navegao, mas estas perdas so tidas como efeito colateral da soluo, que sem dvida a melhor e mais confivel para embarcaes que operem por longos perodos em regime de posicionamento dinmico.

Da mesma forma, possvel ver que a maioria dos navios de manuseio de ncoras (AHTS Anchor Handling, Tug and Supply) optaram pela propulso convencional, pela mesma fundamentao, mas com a concluso reversa: para uma embarcao que necessite de grande potncia em sua propulso principal,

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a introduo das ineficincias inerentes propulso diesel-eltrica comum teria um preo alto a se pagar em termos de potncia instalada. Da a opo quase que unnime de AHTS com propulso diesel-mecnica.

Com o passar dos anos e o aumento dos custos de operao e combustvel, os projetistas e fabricantes de equipamentos de propulso foram instados cada vez mais a aumentar a eficincia das operaes, e um dos caminhos mais imediatos para o aumento de eficincia , por bvio, a eliminao das perdas. Foi necessrio ento que novas solues fossem pensadas e desenvolvidas.

O sistema hbrido de propulso, tambm conhecido pela alcunha de Sistema DEM Diesel-Eltrico-Mecnico uma das alternativas que se apresenta ao projetista que deseja aumentar a eficincia sobre um maior espectro operacional.

O objetivo deste trabalho fazer uma apresentao do sistema, e uma ponderao de seus possveis usos.

2 Breve histrico O uso de um sistema hbrido no sentido

de mltiplas fontes de potncia no novidade para embarcaes militares, pois vrios tipos de navios combatentes de superfcie possuem sistemas combinados de propulso (diesel-diesel, turbinas a gs e diesel, etc). No entanto, nos submarinos do tipo diesel-eltrico que se visualiza o uso de um sistema hbrido eltrico-mecnico, com o uso de motores diesel para a propulso de superfcie e para a recarga de baterias que por sua vez alimentam motores eltricos, que impulsionam a embarcao quando esta se encontra submersa.

Na navegao comercial um tipo de sistema hbrido j vem sendo utilizado ultimamente em algumas embarcaes especiais como navios que necessitam notao de classe de Propulso Redundante, como forma de dispositivo emergencial de propulso e governo (o chamado take-me-home), onde os grupos geradores de bordo podem alimentar a propulso principal atravs da inverso do gerador de eixo, que passa a atuar como motor eltrico.

Portanto, no se trata de um sistema novo, ou de uma inovao tecnolgica revolucionria, mas de um sistema que j existe. Trata-se apenas de avaliar outras possibilidades de utilizao, possibilidades estas que passaremos a tratar a seguir.

3 Definio de Sistema Hbrido e Razes para se cogitar sua utilizao

Para fins de delimitao de escopo, nesse trabalho o uso da expresso Sistema Hbrido faz referncia somente ao sistema conhecido como DEM, sigla para Diesel-Eltrico-Mecnico.

Da mesma forma, define-se sistema diesel-mecnico como aquele no qual os propulsores so acionados diretamente por uma transmisso mecnica acoplada a um (ou mais) motores diesel, e sistema diesel-eltrico como aquele no qual os propulsores so acionados por motores eltricos alimentados por grupos-geradores diesel.

Conforme Woud e Stapersma (2002), o que define um sistema propulsor como hbrido a possibilidade de se operar em modos de gerao ou utilizao de potncia de forma distinta ou combinada, que podem ser utilizados normalmente; ou seja, sem que seja uma operao de emergncia.

Como mencionado, quando temos uma embarcao que possui uma operao com dois perfis muito diferentes, um grande exerccio se determinar qual o sistema propulsor mais adequado. O sistema DEM uma possibilidade de se combinar o melhor de dois sistemas distintos, o diesel-mecnico, e o diesel-eltrico, possibilitando embarcao operar de forma eficiente em um cenrio relativamente complexo.

A teoria interessante, mas necessrio recorrermos a exemplos prticos para podermos visualizar a questo apresentada.

4 1 Estudo de Caso: navio de apoio martimo do tipo PSV (Platform Supply Vessel)

Tomemos o caso de um navio de apoio martimo do tipo PSV.

O PSV um navio supridor, ou seja, de reabastecimento de unidades offshore, operando no transporte dos consumveis necessrios operao de sondas de perfurao, plataformas de produo de petrleo e gs, etc. O PSV deve fazer o transporte de forma segura entre seu porto de abastecimento (a shore base) e os campos petrolferos, sendo capaz de permanecer em posicionamento dinmico em alto mar, mantendo uma distncia segura (e bastante reduzida) das unidades as quais ele deve abastecer.

Com foco apenas no sistema propulsor, os requisitos operacionais de um PSV tpico so: alta velocidade para reduzir ao mximo o tempo gasto navegando entre sua base e as unidades de perfurao e produo, e grande

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capacidade de gerao eltrica, para que os dispositivos de posicionamento dinmico e as bombas de carga possam operar.

Um perfil operacional tpico pode ver visualizado na Figura 1.

Figura 1 - Perfil operacional tpico de um PSV operando no Mar do Norte (fonte: Wrtsil

Ship Design)

Logo, temos a seguinte situao: a operao tpica de um PSV no Mar do Norte acaba por dividir o tempo passado nas condies DP e Navegando em partes iguais (40% para cada).

Devido principalmente necessidade de se garantir a segurana e a redundncia da operao de transbordo de carga, e com o avano na tecnologia de controle eletrnico de sistemas, o sistema de propulso padro para PSVs foi gradualmente migrando de uma soluo diesel-mecnica para a propulso diesel-eltrica, que naturalmente redundante, e equipa a vasta maioria dos PSVs modernos. A menor eficincia global na condio de navegao frente propulso mecnica sempre foi vista como um preo a se pagar pela maior redundncia, conforme Figura 2.

No entanto, com o aumento dos custos operacionais o mercado comeou a se exigir

que fossem buscadas formas mais eficientes para o atendimento de todas as necessidades. No caso do PSV, no seria possvel se abrir mo da confiabilidade e da redundncia da propulso diesel eltrica, mas o perfil de utilizao mostrava que o tempo passado navegando no poderia ser desprezado, j que era, grosso modo, igual ao tempo passado em DP.

Ainda h outra questo. Os propulsores utilizados em PSVs diesel-eltrico so, geralmente, propulsores azimutais (ou thrusters azimutais). Estes propulsores tm um maior custo de aquisio e de manuteno.

A soluo proposta para para se obter o melhor dos mundos foi um sistema diesel-eltrico-mecnico, ou DEM. Trata-se de um sistema que, quando em trnsito, opera uma propulso mecnica acionada atravs de uma nica linha de eixo e caixa redutora; no entanto, quando em posicionamento dinmico, a caixa redutora desacoplada e os motores diesel passam a acionar geradores de eixo, com o navio mantendo posio atravs de impelidores laterais (thrusters) retrteis e de tnel acionados por motores eltricos. Uma arquitetura tpica de um sistema DEM para PSV pode ser vista na Figura 3.

Apesar de parecer mais complexo, e de efetivamente possuir mais elementos que um sistema diesel-eltrico padro, o sistema DEM composto de elementos mais simples, de menor potncia e de menor custo de aquisio que o conjunto de um sistema Diesel-Eltrico.

O sistema ento funciona da seguinte forma: quando em navegao, os dois motores diesel acoplados linha de eixo acionam a mesma, que transmite sua fora a um nico hlice de passo controlvel e grande dimetro. Tal e qual um sistema diesel-mecnico. Neste momento, a potncia eltrica necessria para a carga de hotelaria e sistemas do navio pode

Figura 2 - Perdas no sistema de transmisso

Figura 3 - Arquitetura tpica de um sistema de propulso DEM de um PSV

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tanto vir dos grupos-geradores auxiliares, como dos geradores de eixo.

No entanto, quando da chegada na unidade que ir ser abastecida, os dois motores da linha de eixo central so desconectados da mesma e passam a acionar somente os geradores de eixo, e a trabalhar em paralelo com geradores auxiliares, formando um sistema diesel-eltrico com quatro grupos geradores. Os propulsores azimutais retrteis so abaixados e postos em funcionamento, sendo alimentados pela planta de gerao at a operao terminar. Neste momento, os propulsores retrteis so suspendidos para dentro do casco novamente, e os motores centrais so acoplados linha de eixo, quando a embarcao ento parte para seu prximo destino com a propulso diesel-mecnica em funcionamento.

Antes de falarmos em consumo, devemos abordar as modificaes necessrias forma da embarcao. O PSV DEM visualmente bastante diferente dos demais notadamente devido ao seu grande propulsor central. Conforme pode ser demonstrado, um nico propulsor com maior dimetro e menor velocidade mais eficiente do que dois propulsores de menor dimetro e que possuam uma maior velocidade de rotao (Schneekluth e Bertram [1998], Carlton [2007]). Alm disso, o casco passa a ter menos apndices quando no apresenta os dois propulsores azimutais fixos presentes nos PSVs diesel-eltricos, e a reduo dos apndices outra razo para melhor eficincia (Schneekluth e Bertram [1998]). Finalmente, um nico propulsor permite que as linhas de popa sejam otimizadas para um melhor fluxo.

Uma representao do casco de um PSV DEM pode ser vista nas figuras 4 e 5 abaixo.

Dados operacionais obtidos junto Wrtsil demonstram que o consumo de combustvel quando em navegao chega a ser 25% menor do que um PSV Diesel-Eltrico comum, enquanto que o consumo em DP equivalente. No entanto, o ganho de 25% deve ser tomado como resultado de todas as modificaes descritas, e no apenas do sistema em si. O que fato que a adoo do sistema DEM permite que o projetista trabalhe o PSV de forma indita.

5 Estudo de Caso: navio de apoio martimo do tipo AHTS (Anchor Handling, Tug and Supply)

No caso de um AHTS, a situao se inverte quanto utilizao de propulso diesel-eltrica. O AHTS uma embarcao de fora bruta, necessitando de grande potncia propulsiva de forma a gerar a trao esttica (ou Bollard Pull) necessria ao reboque de estruturas e de outras embarcaes, e para o cravamento de ncoras no solo marinho.

Portanto, o uso de propulso totalmente diesel-eltrica acarretaria na necessidade de se instalar potncia dez por cento maior que o efetivamente consumido pelos propulsores na condio de potncia mxima. Como AHTSs modernos geralmente possuem em torno de 14 a 20 MW de potncia instalada, o uso deste tipo de propulso ainda que mais confivel e mais indicada para demandas variveis no comum.

A propulso para AHTS mais comum a Diesel-Mecnica, com duas linhas de eixo, uma caixa redutora de dupla entrada e sada nica e dois motores diesel por linha de eixo, em um arranjo chamado de father-and-son, no qual os motores possuem potncias diferentes. Em cada caixa redutora h geralmente uma

Figura 4 - Casco de PSV DEM (cortesia Wrtsil)

Figura 5 - Casco de PSV DEM (cortesia Wrtsil)

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tomada de fora com um gerador de eixo. Cada linha de eixo pode ento ser servida por cada um dos motores, individual ou simultneamente.

A embarcao possui ento uma capacidade limitada de variar a potncia propulsiva atravs da utilizao do motor que mais se aproxime da demanda do momento. Devido grande variao de carregamento e demanda propulsiva, a totalidade dos AHTS modernos possui propulsores principais dotados de passo controlvel.

Na Figura 6 est o perfil operacional tpico de um AHTS operando no Mar do Norte em uma jornada de 6000 horas anuais.

Em uma primeira anlise, a utilizao de propulso mecnica se mostra a mais adequada, j que a embarcao passa aproximadamente 60% do tempo em condio de navegao e trao esttica (Steaming e Bollard). No entanto, uma segunda anlise se mostra necessria, j que devemos levar em conta a demanda energtica total, e a temos as seguintes situaes:

Para um AHTS moderno, a velocidade de 12 ns e a condio de posicionamento dinmico leve so condies de baixa demanda. Os dados de desempenho geralmente so sigilosos, mas, se um AHTS certificado para 270 toneladas-fora de trao esttica precisa de um sistema propulsor que desenvolva 19 MW (Potncia Mxima Contnua, ou MCR) para atingir tal marca, esta mesma embarcao atingir a velocidade de 13 ns com aproximadamente 4 MW, o que bem prximo da demanda de potncia para posicionamento dinmico leve. Ou seja, durante 60% do tempo de sua operao, um AHTS opera tranquilamente com algo em torno de 21% da potncia instalada. Para um motor a diesel, poucas coisas impactam tanto na performance (e no custo de manuteno) quanto o funcionamento em baixa carga.

H tambm um ponto que costuma passar despercebido, mas que j vem sendo objeto de estudo por alguns anos: as perdas energticas quando os propulsores esto

trabalhando com passo zero, ou seja, sem produzir empuxo.

O propulsor de passo controlvel geralmente possui velocidade constante, se valendo de um sistema hidrulico para variar o ngulo de ataque das ps, aumentando e diminuindo o passo do hlice, e assim controlar o empuxo. De forma anloga, a reverso do sentido do empuxo feita sem variar a velocidade, bastando variar o passo negativamente.

Ocorre que no se pode desprezar a absoro de potncia pelo propulsor quando este se encontra na condio de passo zero. Apesar de no estar gerando empuxo, o propulsor est absorvendo em torno de 15 a 20% da potncia mxima contnua do equipamento. Por este motivo entre outros a maioria dos impelidores laterais atuais utilizados em operao de posicionamento dinmico possui passo fixo e velocidade varivel, geralmente atravs de um variador de freqncia eltrica.

Pois bem. O problema que a propulso principal do AHTS de propulso mecnica possui motores diesel de mdia rotao, que por sua vez possuiriam teoricamente uma capacidade limitada de variao de velocidade. Teoricamente porque, como h um gerador de eixo acoplado ao sistema, este necessita funcionar em rotao constante para que a freqncia eltrica seja mantida sob controle (geralmente 60 Hz, ou menos comum 50 Hz), o que obriga os motores diesel acoplados caixa redutora a funcionarem sempre na sua velocidade mxima (equivalente a 100% da potncia mxima contnua). Retornando ao AHTS do exemplo, os 19 MW de potncia MCR acarretam uma perda mensurvel em torno de 2,8 a 3,8 MW, que nada mais do que potncia dissipada.

O uso do sistema DEM permite uma abordagem interessante tanto questo da operao em baixa potncia, quanto ao problema da dissipao de potncia na operao com passo zero. A arquitetura de um sistema DEM para AHTS pode ser vista na Figura 7.

Mission profile

01020304050

Steaming 12knots

Steaming 15knots

DynPos light DynPos heavy Bollard

Mission (6000 hrs/year)

% o

f ope

ratio

n tim

e

Figura 6 - Perfil operacional tpico de um AHTS operando no Mar do Norte (dados obtidos junto

Wrtsil)

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O sistema composto por duas linhas de eixo, sendo que cada uma delas possui um propulsor de passo controlvel e uma caixa redutora. H duas entradas para esta caixa redutora, uma com um motor diesel, e outra com um motor eltrico. H ainda um gerador de eixo ligado diretamente ao motor principal.

H toda uma gama de modos operacionais, mas basicamente pode ser afirmado que o sistema DEM permite a utilizao dos motores seja escalonada de forma a impedir o funcionamento em baixa carga. Da mesma forma, o problema da dissipao de potncia quando em passo zero pode ser eliminado pelo acionamento dos motores eltricos atravs de um variador de freqncia. As Figuras 8, 9 e 10 trazem trs modos possveis de operao.

O sistema acaba por dotar um AHTS de redundncia equivalente a um sistema Diesel-Eltrico.

6 Impacto no custo de manuteno Quanto ao custo de manuteno de PSVs,

o maior custo relativo sempre recai nos

Figura 7 - Arquitetura de sistema DEM para AHTS (cortesia Wrtsil)

Figura 9 Modo de Navegao a 12 ns (cortesia Wrtsil)

Figura 8 Modo operacional 100% (cortesia Wrtsil)

Figura 10 Modo de Posicionamento Dinmico Diesel-Eltrico (cortesia Wrtsil)

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propulsores azimutais, ou seja, nos propulsores principais, responsveis pela propulso principal e componente fundamental do sistema de posicionamento dinmico. O custo maior por tratar-se de equipamento que possui diversos selos, rolamentos, e eixos que operam basicamente

Em um PSV equipado com um sistema Diesel-Eltrico, os propulsores esto operando em todos os momentos de funcionamento da embarcao, com exceo do momento de estada em porto. Recordando da Figura 1 acima, podemos aduzir que os propulsores azimutais, os responsveis pelo maior custo relativo de manuteno de um PSV, esto em funcionamento durante aproximadamente 90% do tempo de funcionamento da embarcao.

No sistema DEM, o PSV possui uma linha de eixo central para uso em navegao, e propulsores azimutais retrteis para utilizao em DP e Standby. O perfil de utilizao dos azimutais ficaria sendo de 50% do tempo de operao, o que uma reduo significativa do tempo de uso do equipamento mais caro a bordo.

Para o AHTS, o impacto no custo operacional acaba sendo relativo possibilidade de se desligar os motores principais quando estes estiverem operando com carga muito baixa, o que prejudicial para carbonizao. possvel balancear o uso dos motores de forma que o nmero global de horas de funcionamento seja reduzido.

7 Outras utilizaes possveis Apesar de este trabalho ter se centrado em

utilizaes para embarcaes de apoio martimo, nada impede que se avalie a aplicao de propulso DEM em outros tipos de embarcaes, operando em outras condies.

possvel pensar em uma propulso DEM para navios mercantes que operem em reas muito diversas, como, por exemplo, embarcaes que operem no transporte ocenico ou de cabotagem e necessitem navegar em rios ou lagoas. A diversidade presente no perfil operacional de tais embarcaes leva a crer que a propulso DEM seja uma opo que valha a pena estudar a fundo.

Outra utilizao seria a propulso de navios aliviadores, os chamados shuttle tankers. Os aliviadores que possuem posicionamento dinmico j possuem uma espcie de sistema hbrido, j que possuem um motor principal de dois tempos para a propulso, e geradores

extras com a funo especfica de fornecer energia para os thrusters utilizados na operao DP. No entanto, o sistema DEM pode ser avaliado como uma forma de se reduzir a potncia total instalada a bordo, pois a potncia para os thrusters seria fornecida pela propulso principal, sem a necessidade de um sistema auxiliar.

8 Possibilidades para o mercado brasileiro

O mercado brasileiro possui caractersticas mpares, de forma que seria um erro acreditar que qualquer soluo encontrada em outro cenrio de operaes possa ser transplantada sem o devido grau de adaptao. Especialmente no apoio martimo, a operao bastante diferente do que se encontra em outros lugares. No entanto, no que tange os discutido neste trabalho, a adaptao que deve ser feita a adequao dos perfis operacionais aqui descritos retirados de dados concretos obtidos da operao no Mar do Norte para perfis que possam refletir com exatido a operao na Plataforma Continental Brasileira.

Especialmente quando se leva em considerao que a explorao de petrleo est se movendo para lugares mais distantes da costa, uma concluso imediata a de que as embarcaes que atendem estes campos necessariamente passaro mais tempo navegando. Este seria um dos principais argumentos para o estudo de um PSV do tipo DEM para operao no apoio martimo brasileiro.

Ainda se levando em conta a necessidade premente de se ter confiabilidade operacional ainda mais quando as distncias entre a rea de operao e os estaleiros de reparo se tornam maiores a adoo de sistemas DEM por embarcaes AHTS dota estes navios de uma confiabilidade semelhante de um sistema diesel-eltrico sem a consequente perda de eficincia na propulso.

Desta forma, tanto pela economia de combustvel, quanto pela maior confiabilidade operacional e conseqente reduo de paradas para manuteno corretiva, a avaliao de um sistema DEM para equipar PSVs e AHTSs seria algo proveitoso.

9 Concluso O sistema Diesel-Eltrico-Mecnico no

um sistema de propulso que veio para substituir todos os outros. No se trata de uma

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panaceia, capaz de resolver todos os problemas de eficincia ou economia de combustvel.

Como toda opo que precisa ser feita, a escolha de um sistema DEM acarretar benefcios que devem ser sopesados frente uma maior complexidade de instalao, cabendo, como sempre, ao projetista da embarcao a avaliao do que seria melhor para o caso concreto, ouvidos o armador e o estaleiro construtor.

No entanto, em tempos de alto custo de combustvel e de aumento de custos operacionais diretos, a possibilidade de economia e melhor adequao operacional que o conceito de sistema Diesel-Eltrico-Mecnico nos apresenta indica que h um cenrio favorvel ao estudo de mais aplicaes deste tipo.

10 Bibliografia

DANG, J., LAHEIJ, H. Hydrodynamic Aspects of Steerable Thrusters In: Dynamic Positioning Conference 2004, Houston, Technical Conference Presentation, 2004, 33 pp.

SCHNEEKLUTH, H.; BERTRAM, V. Ship Design for Efficiency and Economy. 2 ed. Oxford: Butterworth-Heineman, 1998. 220 pp.

WOUD, H. K.; STAPERSMA, D. Design of Propulsion and Electric Power Generation Systems. London: IMarEST, 2002. 494 pp.

CARLTON, J. S. Marine Propellers and Propulsion. 2. ed. Oxford: Butterworth-Heineman, 2007. 533 pp.