ANÁLISE DE VIABILIDADE DE OPERAÇÃO DE MOTORES...

1

ANÁLISE DE VIABILIDADE DE OPERAÇÃO DE MOTORES NAVAIS A GÁS

NATURAL ATRAVÉS DE ESTUDOS DE CASO APLICADOS A NAVIOS

MERCANTES

Vitor Silveira de Carvalho

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientador: Prof. Alexandre Salem Szklo; D. Sc.

Rio de Janeiro

Agosto de 2018

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

ANÁLISE DE VIABILIDADE DE OPERAÇÃO DE MOTORES NAVAIS A GÁS

NATURAL ATRAVÉS DE ESTUDOS DE CASO APLICADOS A NAVIOS

MERCANTES


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Alexandre Salem Szklo; D. Sc.

________________________________________________

Prof. David Alves Castelo Branco; D. Sc.

________________________________________________

Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz; D. Sc

RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL

ii

AGOSTO DE 2018

de Carvalho, Vitor Silveira

Análise de Viabilidade de Operação de Motores Navais a

Gás Natural através de Estudos de Caso Aplicados a Navios

Mercantes/ Vitor Silveira de Carvalho. – Rio de Janeiro: UFRJ/

Escola Politécnica, 2018.

VIII, 61 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Alexandre Salem Szklo

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de

Engenharia Mecânica, 2018.

Referencias Bibliográficas: p. 50-53.

1. Motor de Combustão Interna 2. Gás Natural Liquefeito 3.

Emissões Atmosféricas. I. Salem Szklo, Alexandre II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso

de Engenharia Mecânica. III. Análise de Viabilidade de Operação

de Motores Navais a Gás Natural através de Estudos de Caso

Aplicados a Navios Mercantes

iii

Agradecimentos

À minha família, por me incentivar a correr atrás de meus objetivos e ter sempre

me fornecido a melhor condição possível para que os atingisse, e por todo apoio nas

horas difíceis.

Ao professor Alexandre Salem Szklo, por toda a atenção, paciência e auxílio no

desenvolvimento deste projeto. Muito obrigado.

Aos professores que de alguma forma contribuíram para meu desenvolvimento

pessoal e profissional.

Aos colegas da MAN Diesel & Turbo, pela oportunidade e por todo o

aprendizado proporcionado. Em especial, ao Engenheiro Arthur Vianna Soares, por toda

a ajuda durante a minha experiência profissional na empresa.

Aos meus amigos da UFRJ, pela ajuda, experiências e convívio e durante os

últimos anos.

iv

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Análise de Viabilidade de Operação de Motores Navais a Gás Natural através de

Estudos de Caso Aplicados a Navios Mercantes


Agosto/2018

Orientador: Alexandre Salem Szklo; D. Sc.

Curso: Engenharia Mecânica

O presente projeto visa analisar a viabilidade de operação de motores de combustão

principais utilizando gás natural liquefeito (GNL) como combustível em diferentes tipos

de embarcações, tendo como motivação a crescente preocupação mundial relativa aos

impactos ambientais causados pelas emissões de gases poluentes. Uma revisão da

literatura sobre motores de combustão interna e suas aplicações no meio naval,

principais combustíveis utilizados e princípios de funcionamento para operação a gás

natural é feita. Em seguida, é estruturada uma metodologia para cálculo da potência de

propulsão necessária para navios tipo tanque e container, estimativa de emissões de

poluentes e consumo de combustível do motor e avaliação dos custos de operação.

Finalmente, a metodologia é aplicada através de estudos de caso para embarcações já

existentes. É selecionado, através de um catálogo, um motor de combustão principal

movido a gás que atende à demanda de potência calculada, e é então realizada a análise

de emissões de gases poluentes, em comparação à operação a óleo pesado e diante dos

limites determinados por lei pelo órgão regulador mundial, além da avaliação

econômica, tomando como referência o funcionamento do motor a óleo combustível

pesado.

Palavras-chave: Gás Natural Liquefeito, Óleo Combustível Pesado, Emissões

Atmosféricas, Motor de Combustão Interna, Propulsão Naval.

v

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for the degree of Mechanical Engineer.

Feasibility Analysis of Natural Gas Operation of Naval Engines through Case Studies

Applied to Merchant Vessels


August/2018

Advisor: Alexandre Salem Szklo; D. Sc.

Course: Mechanical Engineering

This project aims to analyze the feasibility of operation of typical combustion engines

using liquefied natural gas (LNG) as fuel for different vessel types, motivated by the

growing worldwide concern about the environmental impacts caused by emissions of

polluting gases. A review of internal combustion engines and its applications in the

maritime industry, main fuels used and operation principles for natural gas engines is

made. Then, this study proposed a methodology for calculating the propulsion power

required for tanker and container vessels, estimating pollutant emissions and fuel

consumption of the engine, and evaluating of operating costs. Finally, the methodology

is applied for two case studies associated with existing vessels. A main combustion gas

engine that meets the calculated power demand is selected from a catalog, and then a

pollutant emission analysis is performed, in comparison to the heavy fuel oil operation

given the limits determined by the world’s regulatory body. In addition, an economic

evaluation is made, taking the heavy fuel oil operation as reference.

Key-words: Liquefied Natural Gas, Heavy Fuel Oil, Atmospheric Emissions, Internal

Combustion Engine, Marine Propulsion.

vi

Sumário

1. Introdução ..................................................................................................................... 1

1.1 Motivação ............................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ................................................................................................................. 3

2. Motores e combustíveis marítimos ............................................................................... 4

2.1 Classificações de embarcações ............................................................................... 4

2.1.1 Navios tanque ................................................................................................... 5

2.1.2 Navios container ............................................................................................... 6

2.2 Geração de energia em navios ................................................................................ 6

2.2.1 Propulsão .......................................................................................................... 6

2.2.2 Geração elétrica ................................................................................................ 7

2.2.3 Caldeiras ........................................................................................................... 8

2.3 Combustíveis .......................................................................................................... 9

2.3.1 Óleo combustível pesado (HFO) ...................................................................... 9

2.3.2 Diesel marítimo (MGO/MDO) ...................................................................... 11

2.3.3 Gás natural liquefeito (GNL) ......................................................................... 12

2.4 Motores a gás ........................................................................................................ 14

3. Metodologia de cálculo .............................................................................................. 17

3.1 Potência de propulsão ........................................................................................... 17

3.2 Emissões ............................................................................................................... 27

3.3 Consumo de combustível ...................................................................................... 30

3.4 Custo ..................................................................................................................... 31

4. Estudos de caso ........................................................................................................... 33

4.1 Navio tanque ......................................................................................................... 33

4.1.1 Seleção do motor ............................................................................................ 33

4.1.2 Emissões ......................................................................................................... 37

4.1.3 Análise econômica ......................................................................................... 39

4.2 Navio container ..................................................................................................... 40

4.2.1 Seleção do motor ............................................................................................ 40

4.2.2 Emissões ......................................................................................................... 44

4.2.3 Análise econômica ......................................................................................... 46

5. Conclusão e trabalhos futuros .................................................................................... 49

vii

Referências bibliográficas .............................................................................................. 50

Anexo I - Diagramas para cálculo de CR ........................................................................ 54

Anexo II - Consumo específico do motor MAN 5S50ME-C9.6 .................................... 58

Anexo III - Consumo específico do motor MAN 7S60ME-C8.5................................... 60

viii

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Limite de enxofre em combustíveis navais até 2020 ...................................... 2

Tabela 2 – Limite de emissões de NOx em função da rotação do motor .......................... 2

Tabela 3 – Tecnologias de redução de emissões .............................................................. 3

Tabela 4 – Diferentes categorias de embarcações ............................................................ 4

Tabela 5 – Tipos de navio tanque de acordo com o porte ................................................ 5

Tabela 6 – Tipos de navio container de acordo com a capacidade ................................... 6

Tabela 7 – Classificação do HFO quanto à porcentagem de enxofre ............................. 11

Tabela 8 – Propriedades físicas para os IFO 180 e 380.................................................. 11

Tabela 9 – Propriedades físicas para MGO e MDO ....................................................... 12

Tabela 10 – Propriedades físicas para o GNL ................................................................ 13

Tabela 11 – Altura de acomodação de navios tanque .................................................... 24

Tabela 12 – Altura de acomodação de navios container ................................................ 24

Tabela 13 – Emissões de CO2 para combustíveis navais ............................................... 28

Tabela 14 – Emissões de NOx para combustíveis navais ............................................... 29

Tabela 15 – Preço médio de combustíveis marítimos em julho de 2018 ....................... 31

Tabela 16 – Dados de projeto do navio Celso Furtado................................................... 33

Tabela 17 – Parâmetros e coeficientes de forma calculados para navio tanque ............. 34

Tabela 18 – Cálculo de PF para navio tanque ................................................................. 34

Tabela 19 – Cálculo de PR para navio tanque ................................................................. 34

Tabela 20 – Cálculo de PA para navio tanque ................................................................ 34

Tabela 21 – Cálculo de H e O para navio tanque ........................................................ 35

Tabela 22 – Cálculo de PB para navio tanque ................................................................. 35

Tabela 23 – Dados do motor 5S50ME-C9.6-GI ............................................................. 35

Tabela 24 – Fatores de emissão calculados para o motor 5S50ME-C9.6 ...................... 37

Tabela 25 – Consumo e custo de combustível para navio tanque .................................. 39

Tabela 26 – Dados de projeto para o navio Log-In Pantanal ......................................... 41

Tabela 27 – Parâmetros e coeficientes de forma calculados para navio container ......... 41

Tabela 28 – Cálculo de PF para navio container ............................................................. 41

Tabela 29 – Cálculo de PR para navio container ............................................................ 42

Tabela 30 – Cálculo de PA para navio container ............................................................ 42

Tabela 31 – Cálculo de H e O para navio container .................................................... 42

Tabela 32 – Cálculo de PB para navio container ............................................................ 42

Tabela 33 – Dados do motor 7S60ME-C8.5-GI ............................................................. 43

Tabela 34 – Fatores de emissão calculados para o motor 7S60ME-C8.5 ...................... 45

Tabela 35 – Consumo e custo de combustível para navio container .............................. 47

ix

Lista de Figuras

Figura 1 - Comércio marítimo por tipo de carga .............................................................. 1

Figura 2 - Sistema de geração de energia para propulsão naval ....................................... 7

Figura 3 - Etapas do ciclo de um motor quatro tempos .................................................... 8

Figura 4 - Taxa de operação das caldeiras em função da carga do MCP ......................... 9

Figura 5 - Produtos gerados a partir da destilação do petróleo bruto ............................. 10

Figura 6 - Processo de combustão do gás nos motores DF ............................................ 14

Figura 7 - Esquema de alimentação para navio a gás ..................................................... 16

Figura 8 - Principais dimensões de uma embarcação ..................................................... 18

Figura 9 - Eficiência em águas abertas em função do número de avanço ...................... 27

Figura 10 - Curva de potência do motor 5S50ME-C9.6-GI ........................................... 36

Figura 11 - Consumo específico do motor 5S50ME-C9.6 para operação a gás ............. 36

Figura 12 - Consumo específico do motor 5S50ME-C9.6 para operação a HFO .......... 37

Figura 13 - Fator de emissão de SO2 do motor 5S50ME-C9.6 ...................................... 38

Figura 14 - Fator de emissão de NOx do motor 5S50ME-C9.6 ...................................... 38

Figura 15 - Volume de GNL necessário para operação a gás do navio tanque .............. 40

Figura 16 - Curva de potência do motor 7S60ME-C8.5-GI ........................................... 43

Figura 17 - Consumo específico do motor 7S60ME-C8.5 para operação a gás ............. 44

Figura 18 - Consumo específico do motor 7S60ME-C8.5 para operação a HFO .......... 44

Figura 19 - Fator de emissão de SO2 do motor 7S60ME-C8.5 ...................................... 45

Figura 20 - Fator de emissão de NOx do motor 7S60ME-C8.5 ...................................... 46

Figura 21 - Volume de GNL necessário para operação a gás do navio container .......... 47

1

1. Introdução

1.1 Motivação O transporte marítimo é de importância indiscutível na distribuição e

comercialização de bens entre fronteiras. Estima-se que 90% dos produtos

comercializados atualmente passem, em algum momento de sua cadeia logística, por

mares ou oceanos [1]. A segurança alimentar do planeta, assim como os setores

comercial, industrial e energético mundial dependem fortemente deste meio de

transporte, sendo o mesmo peça chave quando nos referimos a crescimento econômico e

desenvolvimento sustentável.

Figura 1 - Comércio marítimo por tipo de carga

Fonte: [1]

O modal hidroviário é o mais eficiente energética e economicamente,

considerado o consumo de combustível por tonelada-quilômetro [1]. Ainda assim

contribui significativamente para o consumo energético e emissão de gases poluentes

dentro do setor de transportes, sendo fortemente dependente de combustíveis com alto

teor de carbono. A geração de energia mecânica para ativação e funcionamento do

sistema de propulsão, assim como a geração de energia elétrica e térmica dentro da

embarcação é resultante da queima de combustíveis derivados do petróleo. Este

processo resulta na emissão de material particulado (PM) e gases nocivos ao meio

ambiente, como dióxido de carbono (CO2) e os óxidos de enxofre e nitrogênio (SOx e

NOx), que contribuem significativamente para o aumento dos níveis de contaminantes

atmosféricos, sustentando assim os conhecidos fenômenos do efeito estufa, chuva ácida

e “smog” fotoquímico, respectivamente [2].

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

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(Mil

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as)

Petróleo e Gás

Principais Granéis

Outras Cargas Secas

Conteiner

2

A crescente preocupação mundial relativa aos impactos ambientais que as

emissões em quantidades significativas dos gases citados acima podem ocasionar vem

tornando a legislação contra as mesmas cada vez mais severas.

A International Maritime Organization (doravante IMO) é a organização

responsável pela segurança do transporte marítimo mundial e combate à poluição que

esse setor gera. Em 2008, a IMO publicou uma emenda à MARPOL 73/78, acordo que

contém a regulamentação referente às emissões dentro do meio naval [3]. Essa emenda

estabeleceu uma redução do limite global de emissões de gases poluentes, em especial

óxidos de enxofre e nitrogênio, entre os anos de 2010 e 2020. Redução que se torna

ainda mais acentuada para o caso das áreas de controle de emissões (ECA, do inglês

Emission Control Areas) [3], que incluem o Mar do Norte, o Mar Báltico e maior parte

da costa estadunidense, sendo nelas a fiscalização muito mais rígida. Além disso, a IMO

pretende, também, reduzir as emissões de carbono do meio naval, relativas ao ano de

2008, pela metade, até 2050 [4].

Tabela 1 – Limite de enxofre em combustíveis navais até 2020

Fonte: [3]

Tabela 2 – Limite de emissões de NOx em função da rotação do motor

Fonte: [3]

Tal fato tem estimulado a indústria naval a buscar tecnologias que adequem as

embarcações mais recentes às novas normas. Destacam-se como as mais viáveis:

Redução catalítica seletiva (SCR) – Redução de NOx e material particulado na

exaustão do motor através de uma reação com uso de um catalisador.

Recirculação de gases de escape (EGR) – Redução de NOx através da

recirculação dos gases de exaustão do motor.

Utilização de gás natural liquefeito (GNL) como combustível alternativo ao

diesel marítimo (MDO) e óleo pesado (HFO).

ECA Global

2010 1,0 4,5

2012 1,0 3,5

2015 0,1 3,5

2020 0,1 0,5

AnoTeor máximo de enxofre [% m/m]

ECA Global

< 130 3,40 14,40

130 - 2000

> 2000 1,96 7,70

3

Tabela 3 – Tecnologias de redução de emissões

Fonte: [5]

Apesar de ser o mais eficiente em termos de redução de emissões, o gás natural

liquefeito ainda é uma alternativa pouco procurada se comparada às outras duas [5]. É

nesse contexto que se insere o trabalho atual, de forma a avaliar as vantagens e desafios

para operação de determinadas embarcações a gás natural.

1.2 Objetivos O objetivo deste trabalho é realizar um estudo preliminar de viabilidade de

operação de motores de diferentes tipos de embarcações a gás natural, através da

elaboração de uma metodologia para cálculo da potência necessária à propulsão, bem

como estimativa de consumo de combustível e emissão de poluentes. Serão avaliados,

então, estudos de caso baseados em navios já existentes, de modo a analisar a

efetividade da operação, numa comparação com o funcionamento a óleo combustível

pesado, levando em consideração as vantagens, limitações e desafios relacionados a

aspectos mecânicos, logísticos e econômicos.

Composto SCR EGR GNL

NOx ↓ 90-99% ↓ 20-85% ↓ 85-100%

SOx - - ↓ 95-100%

PM ↓ 25-40% - ↓ 95-100%

CO2 ↑ - ↓ 20%

4

2. Motores e combustíveis marítimos Há diversos meios de produção de energia em embarcações essenciais para seu

funcionamento eficiente e seguro, destinados à propulsão ou às diversas demandas

elétricas do navio e originários de diferentes tipos de máquinas térmicas.

Neste capítulo, será feita uma breve introdução referente às principais categorias

de embarcações existentes e como os navios são classificados dentro destas.

Posteriormente, serão analisados os principais modos e finalidades da geração de

energia no modal, assim como os principais tipos de combustível utilizados para tal.

Finalmente, será explicado o funcionamento dos motores navais movidos a gás natural,

destacando-se as principais modificações com relação ao motor a óleo pesado

convencional.

2.1 Classificações de embarcações Dependendo da natureza da carga transportada, e também por vezes do modo

como a mesma é carregada ou descarregada, navios podem ser divididos em diferentes

categorias, classes e tipos.

Tabela 4 – Diferentes categorias de embarcações

Fonte: [6]

As três principais categorias de navios são: tanques, que transportam

principalmente petróleo e seus derivados, e também gás natural, a granel; graneleiros,

transportadores de granéis secos como minério de ferro, grãos, carvão, bauxita ou

fosfato e, por último, a categoria de contêineres.

Quando classificadas de acordo com o tipo de produto transportado, essas

categorias são decompostas em classes, conforme representado na tabela acima.

Categoria Classe

Petroleiro

Gaseiro

Químico

OBO

Graneleiro Granel seco

Container Container

Navios de carga geral

Navio de cabotagem

Carga Refrigerada Carga Refrigerada

Balsa

Cruzeiro

Tanque

Cargueiro

Passageiros

5

Contudo, também se classificam embarcações de acordo com a capacidade de

carregamento do modal. Para isso, é necessária a definição do termo porte bruto (D T),

que será essencial para o cálculo da potência de propulsão da embarcação, detalhado na

seção 3.1 deste projeto. O porte bruto representa a soma de todos os pesos que o navio é

capaz de embarcar em segurança, incluindo carga, tripulantes, passageiros, combustível,

entre outros.

Para o contexto deste projeto, serão abordadas somente as embarcações do tipo

tanque e container.

2.1.1 Navios tanque Há quatro principais classificações de navios tanque, com relação ao tipo de

produto transportado:

Petroleiros – Há dois tipos básicos: tanques de óleo cru, que transportam o

petróleo de seu ponto de extração até as refinarias, e tanques de produto, que

transportam os produtos refinados das refinarias para o mercado consumidor.

Gaseiros – Transportadores de gás natural liquefeito (GNL)

Químicos – Transportadores de uma vasta gama de diferentes produtos químicos

como, por exemplo, o gás liquefeito de petróleo (GLP).

OBO (Oil, Bulk, Ore) – Adaptados tanto para o transporte de granéis secos como

líquidos.

Os navios tanque dividem-se em oito tipos, de acordo as dimensões e porte da

embarcação: pequenos tanques, handysize, handymax, panamax, aframax, suezmax,

VLCC (Very large crude carrier) e ULCC (Ultra large crude carrier). Pode-se

observar na tabela abaixo a faixa de valores de porte para cada um destes tipos.

Tabela 5 – Tipos de navio tanque de acordo com o porte

Fonte: [7]

Tipo DWT [10³ t]

Pequenos tanques < 10

Handysize 10 - 30

Handymax 30 - 55

Panamax 60 - 75

Aframax 80 - 120

Suezmax 125 - 170

VLCC 250 - 320

ULCC > 320

6

2.1.2 Navios container A capacidade de navios container expressa o número de contêineres que a

embarcação é capaz de transportar. É normalmente quantificada por meio da unidade

TEU (twenty-foot equivalent unit), que representa as dimensões padrão de um container

de acordo com a ISO – comprimento de 20 pés, correspondente a 6,6 metros; por 2,44

m de largura e altura [8], o que equivale a um volume de aproximadamente 39 m . As

dimensões do navio estão associadas, portanto, à sua capacidade.

Os navios container dividem-se em seis tipos, de acordo com sua capacidade:

pequenos coletores, coletores, panamax, post-panamax, novos panamax e ULCV (Ultra

large container vessel).

Tabela 6 – Tipos de navio container de acordo com a capacidade

Fonte: [8]

2.2 Geração de energia em navios

2.2.1 Propulsão A propulsão de navios mercantes ocorre, em sua maioria, da seguinte forma: um

motor diesel, alimentado por óleos residuais de alta viscosidade, fornece energia

mecânica a um eixo de hélice, chamado propeller, cuja rotação fornece à embarcação

potência necessária para locomoção. Os modais cuja propulsão funciona dessa maneira

são classificados como diesel-mecânicos. A potência demandada, bem como a rotação

do propulsor, depende de fatores como: capacidade do navio, forma do casco e projeto

do propeller. Uma vez que a propulsão é responsável pela maior parte da demanda

energética da embarcação, o motor que a abastece é denominado o motor principal

(MCP) do navio.

Tipo TEU

Pequenos coletores < 1000

Coletores 1.000 - 2.800

Panamax 2.800 - 5.100

Post-panamax 5.500 - 10.000

Novos panamax 12.000 - 14.500

ULCV > 14,500

7

Figura 2 - Sistema de geração de energia para propulsão naval

Fonte: [9]

O motor principal, para a grande maioria das embarcações, trabalha num ciclo

de dois tempos. Motores dois tempos têm como principal característica não ter um ciclo

com etapas bem definidas como num motor quatro tempos. Durante a subida do pistão,

há admissão de ar através de rasgos na camisa do cilindro, e também saída dos gases de

combustão pela válvula de exaustão. Após a compressão e injeção de combustível, a

explosão faz com que o pistão desça, ocorrendo novamente os processos de admissão e

exaustão durante o movimento.

Motores dois tempos, quando destinados à aplicação naval, são máquinas de

porte muito elevado. Tomando um navio tanque do tipo Suezmax como referência, cuja

capacidade pode atingir as 150.000 toneladas, o motor necessário para propulsão dessa

embarcação pode superar os 10 metros de comprimento, e o curso de cada pistão chegar

a quase três metros [9]. Tamanha dimensão implica na necessidade de operação a baixas

rotações, normalmente abaixo das 100 revoluções por minuto para motores de maior

porte, de modo a evitar o desgaste excessivo dos componentes. Dentre as principais

vantagens desse tipo de motor para essa finalidade, com relação aos de quatro tempos,

pode-se citar:

São motores maiores e, consequentemente, produzem maior potência, podendo

assim atender à demanda energética de navios de maior capacidade;

Não se faz necessária instalação de uma caixa redutora, uma vez que o propeller

de navios mercantes funciona a rotações mais baixas [10];

Maior confiabilidade operacional;

Manutenção menos frequente.

2.2.2 Geração elétrica A geração de eletricidade em um navio é necessária para suprir a demanda de

diversos equipamentos, como bombas, e sistemas de ventilação, refrigeração e

8

emergência [11]. A energia elétrica utilizada a bordo é produzida por motores de

combustão interna; estes geram energia mecânica que é convertida em energia elétrica

por meio de um gerador acoplado. Esses motores são denominados motores auxiliares

(MCA) de uma embarcação.

Os motores auxiliares também são motores a diesel, porém, dessemelhante ao

motor principal, trabalham num ciclo de quatro tempos. As etapas para este ciclo são

bem definidas e estão ilustradas na figura abaixo: admissão, compressão, combustão e

exaustão, nenhuma delas ocorrendo simultaneamente à outra. São necessárias duas

rotações do eixo de manivela para realização do ciclo; um motor dois tempos completa

um ciclo com apenas uma rotação do virabrequim.

Figura 3 - Etapas do ciclo de um motor quatro tempos

Fonte: [12]

Os motores quatro tempos utilizados para geração de energia em modais

marítimos são de alta rotação, cuja velocidade é superior às 1.200 rotações por minuto,

para o caso de embarcações menores, e de média rotação para navios mercantes, com a

velocidade de operação variando entre 400 e 1.200 revoluções por minuto [13]. Navios

diesel-mecânicos possuem, normalmente, dois ou três motores auxiliares para atender à

sua demanda energética [14]. Os motores de alta rotação, em sua grande maioria,

utilizam como combustível o diesel marítimo e os de média, óleo pesado, mesmo

combustível utilizado no motor principal da embarcação.

2.2.3 Caldeiras Além dos motores de combustão interna responsáveis pela propulsão e

eletricidade do navio, há outra máquina térmica importante para o funcionamento das

embarcações: caldeiras. Estas são encarregadas da geração de energia térmica sob forma

de vapor. O vapor quente é utilizado para aquecimento dos óleos combustível e

9

lubrificante, de modo a manter a viscosidade desses fluidos dentro da faixa ideal para

operação do motor [15].

Há dois tipos diferentes de caldeiras num navio: auxiliares e de recuperação. As

caldeiras de recuperação aproveitam o calor gerado pelos gases de exaustão do motor

principal. O vapor é gerado a partir da troca de calor com o exausto, sendo assim um

modo mais eficiente de geração de energia térmica, sem necessidade de queima de

combustível adicional para tal.

No entanto, a utilização de caldeiras de recuperação se limita a situações cujo

motor principal esteja operando a uma carga elevada, geralmente acima dos 50%. Para

operação a baixas cargas ou com o navio atracado, é necessária a ativação de caldeiras

auxiliares, uma vez que o calor proveniente do motor principal não é suficiente. Quando

são ativadas, ocorre a queima de óleo pesado unicamente para geração de vapor. Para

faixa de operação do motor entre 20 e 50% de capacidade, ambos os sistemas são

utilizados [15].

Figura 4 - Taxa de operação das caldeiras em função da carga do MCP

Fonte: [15]

2.3 Combustíveis

2.3.1 Óleo combustível pesado (HFO) O óleo combustível pesado (HFO, do inglês Heavy Fuel Oil), é o combustível

mais utilizado para propulsão e geração em navios mercantes, podendo ser também

utilizado como combustível em plantas termoelétricas, e é caracterizado por suas

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0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Pro

du

ção

de

va

po

r /

Va

lor

de

re

ferê

nci

a

Carga do MCP [%]

Caldeira de recuperação Caldeiras auxiliares

10

elevadas viscosidade e densidade [16]. Valores mínimos para densidade (900 kg/m3 a

15º C) e viscosidade cinemática (180 mm2/s a 50ºC) foram definidos durante a

convenção MARPOL de 1973 para que determinado combustível seja classificado

como óleo pesado. É marcado, também, pela alta porcentagem de moléculas pesadas em

sua composição, como longas cadeias de hidrocarbonetos ou cadeias aromáticas de

longas ramificações [17].

Esse combustível é composto, em sua maior parte, pelo combustível residual

decorrente do processo de destilação. Os resíduos da destilação atmosférica do óleo

bruto são fracionados após passagem por uma unidade de destilação a vácuo. A borra

deste último processo, ou seja, parcela que não atingiu o estado gasoso, é misturada a

outros tipos de combustíveis mais leves, como o diesel marítimo, a fim de atingir

especificações e parâmetros adequados para a determinada finalidade.

Figura 5 - Produtos gerados a partir da destilação do petróleo bruto

Fonte: [18]

Os óleos pesados são classificados e nomeados da seguinte forma, de acordo

com a ISO 8217 [18]: um código de três letras seguido por um número, que representa a

viscosidade cinemática, em mm²/s, do combustível. A primeira letra é o “R”, que

representa residual; A segunda, “M”, para marítimo; e a terceira, uma letra de “A” a “Z”

que indica a qualidade e diferencia os diferentes tipos de combustíveis com relação a

algumas propriedades físicas e químicas.

Ainda segundo a ISO 8217, os HFO podem ser classificados também de acordo

com a porcentagem em massa de enxofre presente em sua composição: óleo

combustível de alto, baixo ou muito baixo teor de enxofre, conforme tabela abaixo.

11

Tabela 7 – Classificação do HFO quanto à porcentagem de enxofre

Fonte: [16]

Por vezes, o termo óleo combustível intermediário (IFO, do inglês Intermediate

Fuel Oil) é utilizado para referir-se à mistura resultante entre os combustíveis residual e

destilado. Os combustíveis mais utilizados dentro do ramo naval são os IFO 180 e 380,

que se enquadram dentro das categorias ISO RMG 180 e 380 [17], respectivamente.

Vale ressaltar que, apesar de serem considerados óleos com alto teor de enxofre,

também são utilizados, no meio naval, combustíveis do tipo IFO 180 e 380

dessulfurizados, cuja porcentagem em massa de enxofre equivale a 1% [16]. A tabela a

seguir mostra algumas características físicas e químicas destes combustíveis.1

Tabela 8 – Propriedades físicas para os IFO 180 e 380

Fonte: [18]

2.3.2 Diesel marítimo (MGO/MDO) O termo diesel marítimo engloba uma categoria de combustíveis compostos por

diferentes misturas dos destilados provenientes do processo de destilação do petróleo

bruto, possuindo apenas uma pequena parcela ou, por vezes, não apresentando óleo

combustível residual em sua composição. Ao contrário do óleo pesado, o diesel

marítimo tem uma viscosidade cinemática de valor relativamente baixo e pode

facilmente ser bombeado a uma temperatura em torno dos 20º C, sem necessidade de

pré-aquecimento. A sua massa específica é, também, ligeiramente inferior [19].

1 Calculated Carbon Aromaticity Index é um índice aplicado somente ao óleo pesado, e mede a qualidade

de ignição do combustível [25]. Seu valor normalmente varia entre 800 e 880. Quanto menor, melhor a

qualidade.

Combustível Máximo teor de enxofre [% m/m]

Teor alto (HSFO) 3,5

Teor baixo (LSFO) 1,0

Teor muito baixo (ULSFO) 0,1

Propriedades IFO 180 IFO 380

Massa específica a 15º C [kg/m³] 991,0 991,0

Viscosidade cinemática a 50º C [mm²/s] 180,0 380,0

C.C.A.I¹ 870 870

Poder calorífico inferior [MJ/kg] 42,7 42,7

Teor de enxofre [% m/m] 3,5 3,5

Ponto de fulgor [ºC] 60,0 60,0

Resíduos de carbono [% m/m] 18,0 20,0

Teor de água [% vol./vol.] 0,5 0,5

Teor de cinzas [% m/m] 0,10 0,15

12

As diferentes classificações do diesel marítimo são nomeadas, segundo a ISO,

de maneira semelhante ao óleo pesado [18]. Porém, apenas as três letras são utilizadas.

A primeira letra, neste caso, é “D”, que representa destilado. As outras duas seguem o

padrão do primeiro.

Os dois tipos mais utilizados deste combustível no contexto da navegação são o

MGO (Marine Gas Oil) e o MDO (Marine Diesel Oil), que se encontram dentro das

categorias DMA e DMB da ISO, respectivamente. O primeiro possui em sua

composição apenas destilados, enquanto o segundo é uma mistura predominante de

destilados, porém ainda contendo pequenas quantidades de combustível residual. Esses

combustíveis emitem quantidades de fuligem, particulados e enxofre consideravelmente

menores com relação ao óleo pesado, especialmente o MGO, que é um diesel marítimo

de melhor qualidade. Este pode, inclusive, chegar a níveis de emissão de enxofre abaixo

dos 0,1% através da instalação de equipamentos como catalisadores ou sistemas de

filtro no motor, podendo assim ser utilizado como combustível dentro das zonas de

controle de emissões. A tabela abaixo mostra algumas propriedades físicas e químicas

para o MGO e MDO.

Tabela 9 – Propriedades físicas para MGO e MDO

Fonte: [18]

O diesel marítimo é muito pouco utilizado por navios mercantes, principalmente

aqueles de maior porte, devido ao seu alto preço comparado ao óleo combustível

pesado. É mais empregado em embarcações de menor porte, como pesqueiros, pequenos

ferries ou rebocadores, cujos motores auxiliares são, em sua maioria, de alta rotação.

2.3.3 Gás natural liquefeito (GNL) O gás natural liquefeito (GNL) é composto, em sua maior parte, por metano

(CH4), porém pode também conter variedades de outros gases, como dióxido de

carbono (CO2), nitrogênio (N2), etano (C2H6), eteno (C2H4), propano (C3H8), butano

(C4H10) e uma pequena quantidade de gases nobres [20]. O composto é mantido no

estado líquido de modo a possibilitar o armazenamento no interior da embarcação, uma

Propriedades MGO MDO

Massa específica a 15º C [kg/m³] 900,0 890,0

Viscosidade cinemática a 40º C [mm²/s] 2,0 - 11,0 2,0 - 6,0

Cetanagem 35 40



Ponto de fulgor [ºC] 60 60

Resíduos de carbono [% m/m] 0,3 0,3

Teor de cinzas [% m/m] 0,01 0,01

13

vez que nesse estado o volume ocupado é 600 vezes menor com relação ao estado

gasoso.

O gás natural, após a extração, é purificado em instalações especiais através de

um complexo procedimento, que inclui processos de separação de outros fluidos mais

pesados, além da remoção de impurezas e outras substâncias como sulfito de hidrogênio

(H2S), dióxido de carbono, água e mercúrio anterior à etapa de liquefação [21].

Posteriormente, é resfriado até atingir o estado líquido, à temperatura aproximada de

160º C negativos. É então transportado até o navio e mantido em tanques de

armazenamento termicamente isolados em seu interior. Ao ser bombeado do tanque

para o motor, passa por um evaporador, de modo a ser utilizado como combustível em

seu estado gasoso.

A composição do gás natural varia conforme a sua origem e seu histórico de

processamento. A fração de metano do combustível varia, normalmente, entre 70% e

100% - 90% da capacidade mundial de produção de GNL possui o teor de metano

dentro deste faixa [22]. A tabela abaixo mostra algumas propriedades físicas e químicas

do gás natural liquefeito para diferentes concentrações molares de metano.

Tabela 10 – Propriedades físicas para o GNL

Fonte: [23] e [24]

Além do GNL, é utilizado no ramo naval, em menor escala, o gás liquefeito de

petróleo (GLP). Este é produzido durante o refino do petróleo bruto ou extraído durante

o processo de purificação do gás natural liquefeito. É composto, em sua maioria, por

propano ou butano, podendo ser também uma mistura desses dois gases.

A importância do gás natural como um combustível naval vem aumentando.

Muitos navios gaseiros que transportam GNL utilizam o combustível que é transportado

para abastecer seus próprios motores. Devido aos esforços para redução significativa de

emissões nos próximos anos, o gás natural liquefeito torna-se uma opção atrativa para

alimentar também outros tipos de embarcações.

90% 100%

Massa específica a -160º C [kg/m³] 468,1 425,6


Ponto de fulgor [ºC] -188,0 -188,0


Resíduos de carbono [ppm] 100,0 100,0

Teor de água [% vol./vol.] 0,10 0,10

PropriedadesTeor de metano

14

2.4 Motores a gás Motores marítimos movidos a gás são do tipo Dual Fuel (DF), ou seja, podem

utilizar como combustível tanto o gás natural como o óleo diesel, em diferentes

proporções. Motores que funcionam exclusivamente a gás, normalmente, não são

utilizados no meio naval devido a questões logísticas. A disponibilidade e

abastecimento de GNL são frequentemente apresentados como desafios quando se trata

de suprir navios mercantes em alto mar [25], pois a quantidade de terminais de

fornecimento de gás natural liquefeito ainda é limitada, sendo assim necessário que o

motor também possa operar a HFO quando preciso.

A tecnologia dos motores Dual Fuel baseia-se no seguinte princípio: o motor,

quando adota o gás natural como principal combustível, opera com base no ciclo Otto

[13]. O gás é injetado à alta pressão no interior da camisa de cilindro, onde é misturado

com ar e, então, comprimido. Ao final da compressão, a mistura é inflamada através da

injeção de óleo combustível, denominado piloto. É inserida uma quantidade que pode

variar entre 1% e 5% do padrão utilizado para combustão nos motores diesel [25].

Podem ser empregados como combustível piloto tanto o óleo pesado como o diesel

marítimo.

Figura 6 - Processo de combustão do gás nos motores DF

Fonte: [26]

Os motores DF possuem três diferentes modos de operação: apenas a óleo

combustível, onde o motor opera como um motor a diesel tradicional; mínimo consumo

de óleo e modo misto. No modo de mínimo consumo, o óleo combustível é utilizado

apenas como piloto, conforme ilustrado na figura acima. O modo misto permite ao

operador operar utilizando tanto o gás natural quanto o bunker, em diferentes parcelas.

A estrutura de armazenagem de combustível e alimentação dos motores

marítimos movidos a gás é variada, dependendo do tipo de motor a ser alimentado, além

da classificação, padrão de viagem e layout técnico da embarcação [22]. Em navios

15

gaseiros, por exemplo, não é necessária a instalação de um tanque para armazenamento

de GNL, uma vez que utilizam como combustível o próprio gás natural liquefeito que é

transportado a bordo para abastecer os motores. Por esse motivo, estes navios

representam hoje a maior frota de embarcações movidas a gás existentes, levando em

consideração navios mercantes de grande porte [27].

Para o caso de contêineres, granéis ou outros tipos de navios tanque, um

reservatório para armazenar o gás natural a ser utilizado como combustível é necessário.

Os tanques para armazenagem de GNL são classificados, de acordo com a IMO, em

dois tipos [28]: membrane tanks, comumente utilizados em gaseiros, e independentes,

que podem ser subdivididos em três diferentes categorias: A, B e C. Os tipos A e B são

tanques de baixa pressão, não ultrapassando os 700 mbar, e o tipo C pode ser

pressurizado até 2 bar [22], sendo este o mais utilizado no meio naval. Os tanques

devem ser termicamente isolados, de modo a manter a temperatura do gás natural

liquefeito em torno dos -160º C; por isso, possuem uma parede de espessura elevada, de

modo que o volume ocupado pelo tanque na embarcação é ligeiramente superior ao

volume de combustível que pode ser armazenado. Apesar do isolamento do tanque ser

projetado para limitar o fluxo de calor entre o interior do reservatório e o meio externo,

é inevitável a evaporação de uma pequena parcela do GNL, gerando o chamado gás de

evaporação (Boil-off gas, BOG), que necessita ser removido do tanque de modo a

manter a pressão interna constante [13]. A quantidade de gás de evaporação e período

de tempo em que o mesmo pode permanecer no reservatório sem que haja um aumento

significativo da pressão são parâmetros importantes para escolha do tanque, bem como

para o projeto do sistema de alimentação do motor.

Conforme informado anteriormente, a estrutura de alimentação de motores

marítimos a gás pode ser projetada de diferentes maneiras e depende de uma série de

fatores. Um destes é o tipo de motor a ser abastecido: motores de dois tempos, que

normalmente correspondem aos motores principais da embarcação, possuem uma

pressão de injeção necessária para operação muito superior à demandada para

funcionamento dos motores auxiliares de quatro tempos [22]. Uma das possibilidades

de esquematização do sistema de alimentação a gás, para o caso de embarcações onde

tanto o motor principal quanto os auxiliares são do tipo Dual Fuel, está descrita

conforme a figura abaixo.

16

Figura 7 - Esquema de alimentação para navio a gás

Fonte: [22]

Para abastecimento do motor principal, gás natural liquefeito é bombeado do

tanque até uma bomba de alta pressão; o mesmo passa por um trocador de calor,

evaporando o GNL e, então, gás altamente pressurizado é injetado no interior do

cilindro do motor principal. Este ciclo está representado pela linha azul da figura acima.

Há duas maneiras diferentes para alimentação dos motores auxiliares. A primeira,

representada pela linha verde, consiste em apenas um evaporador, por onde o

combustível passa após ser bombeado do tanque para, então, chegar aos motores na

forma de gás a baixa pressão. A outra, representada pela linha amarela, consiste em um

compressor, de forma a aproveitar o gás de evaporação do interior do tanque,

comprimindo-o antes de o mesmo ser escoado para a câmara de combustão do MCA.

Em casos de pressão muito elevada no interior do reservatório, o gás de evaporação é

também escoado para uma câmara de combustão (Gas Combustion Unit, GCU), onde é

queimado sem que seja utilizado como combustível para nenhuma máquina térmica da

embarcação. Este processo está representado pela linha vermelha da figura.

Há diversas possibilidades de variações desta estrutura, principalmente com

relação ao tratamento do gás de evaporação. Podem ser adaptados, por exemplo, um

sistema de reliquefação do gás de evaporação, de modo a minimizar a perda de

combustível, ou um compressor de alta pressão de modo a utilizar este gás para

alimentação do motor principal [22].

17

3. Metodologia de cálculo No presente capítulo, será explicada toda a metodologia para o cálculo da

potência necessária à propulsão de embarcações do tipo tanque e container. Por

conseguinte, será detalhado o procedimento para estimativa do consumo de combustível

e emissões do MCP, levando em consideração a operação do motor tanto a óleo pesado

quanto a gás natural. Finalmente, será traçada uma estrutura para cálculo do volume do

tanque de armazenagem de GNL necessário ao navio e estimação dos custos de

operação.

3.1 Potência de propulsão

Com o intuito de estimar a potência 𝑃𝐵 demandada pelo sistema propulsivo de

uma embarcação, a fim de selecionar um motor ideal que supra essa demanda, recorreu-

se a um modelo simplificado de resistência ao avanço utilizado em [6]. Tal modelo

parte da hipótese inicial de que o navio possui apenas um propeller, de passo fixo,

alimentado por um motor de combustão interna do tipo dois tempos, o que elimina a

necessidade de inclusão de um sistema de redução no conjunto propulsor. Sendo assim,

define-se que a potência efetiva de reboque 𝑃𝐸 de um navio, ou seja, a potência

necessária para movê-lo a uma velocidade de projeto 𝑣𝑃, não considerando as perdas

mecânicas do conjunto propulsivo, pode ser decomposta em três parcelas:

𝑃𝐸 = 𝑃𝐹 + 𝑃𝑅 + 𝑃𝐴 (1)

Onde 𝑃𝐹 é a potência associada à resistência friccional (resistência em águas calmas);

𝑃𝑅 é a potência correspondente à resistência residual e 𝑃𝐴 é a potência correspondente à

resistência do ar.

Levando em consideração todas as perdas mecânicas do sistema propulsivo, pode-se

assumir então que:

𝑃𝐵 =

𝑃𝐸

𝜂𝑇

(2)

Onde 𝜂𝑇 representa a eficiência total de todo o conjunto propulsante.

Para o cálculo das três parcelas de potência efetiva de reboque mencionadas na equação

(1), faz-se necessária a especificação de algumas dimensões referentes à geometria das

embarcações. Além do porte bruto (D T), previamente definido na seção 2.1, as

18

seguintes grandezas lineares serão essenciais para a estimativa da potência de propulsão

[6]:

Comprimento de roda a roda (𝐿𝑂𝐴): distância entre os pontos mais salientes da

roda de proa e do cadaste, que se confunde com o comprimento total do navio

caso não haja apêndices que se projetem além desses pontos.

Boca moldada (𝐵): maior dimensão de largura da embarcação.

Calado (𝐷): profundidade a que se encontra o ponto mais baixo da quilha da

embarcação.

Comprimento da linha de flutuação (𝐿𝑊𝐿): comprimento da embarcação medido

no plano de flutuação de projeto.

Comprimento entre perpendiculares (𝐿𝑃𝑃): distância entre as perpendiculares a

vante e a ré. É geralmente expresso pela equação abaixo [6].

𝐿𝑃𝑃 = 0 7 𝐿𝑊𝐿 (3)

Além das grandezas lineares mencionadas acima, há uma grandeza bidimensional

também importante no cálculo proposto: a área de seção mestra (𝐴𝑀), que representa a

seção correspondente à boca máxima da embarcação situada, aproximadamente, a meio

comprimento entre perpendiculares.

Figura 8 - Principais dimensões de uma embarcação

Fonte: [6]

19

Outra grandeza essencial no contexto deste capítulo é o deslocamento (∇),

definido como a quantidade de água deslocada pelo navio. Essa quantidade é igual à

própria massa da embarcação, e pode ser decomposta em duas parcelas conforme a

equação a seguir [6]:

∇ = 𝐷𝑊𝑇 + 𝐿𝑊𝑇 (4)

Sendo 𝐿𝑊𝑇 o peso leve do navio, ou seja, a massa da embarcação desprovida de

qualquer tipo de carga, tripulação e passageiros. Foram propostas por [29] e [30]

fórmulas de regressão baseadas em dados estatísticos, a fim de estimar o peso leve de

navios em função do porte bruto, medido em toneladas, para o caso de tanques, e da

capacidade, medida em TEU, para o caso de contêineres:

𝐿𝑊𝑇𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸

𝐿𝑃𝑃 𝐵 𝐷 = 1 05 (0 1765 − 1 75 10 6 𝐷𝑊𝑇)

(5)

𝐿𝑊𝑇𝐶𝑂𝑁𝑇𝐴𝐼𝑁𝐸𝑅

𝐿𝑃𝑃 𝐵 𝐷 = 0 65 𝑇𝐸𝑈

(6)

É importante frisar que a equação (5) aplica-se somente a tanques cujo porte varia entre

25.000 e 55.000 toneladas e a equação (6) a contêineres cuja capacidade é inferior a

2.900 TEU. Ambas as embarcações que serão utilizadas como referências neste trabalho

atendem a essas condições.

O deslocamento é normalmente expresso em base volumétrica, portanto torna-se mais

conveniente defini-lo conforme abaixo:

∇ 𝑚 =

∇ 𝑡

𝜌𝑤

(7)

Onde 𝜌𝑤 representa a densidade da água salgada. Para o presente trabalho, será adotado

o valor de 1,028 𝑡 𝑚 [31].

Para melhor definir as características de determinada embarcação, é necessário

avaliar seus coeficientes de forma. São grandezas adimensionais que relacionam as

dimensões lineares de um navio ao seu deslocamento, tendo grande utilidade no projeto

20

e fornecendo informações a respeito da forma do casco [6]. Os principais coeficientes

de forma são:

Coeficiente de seção mestra (𝐶𝑀), que representa a razão entre a área de seção

mestra e o retângulo que a circunscreve,

𝐶𝑀 =

𝐴𝑀

𝐵 𝐷

(8)

Este coeficiente varia entre 0,98 e 0,99 para navios tanque e entre 0,97 e 0,98

para contêineres [6]. Visto que a discrepância relativa entre esses valores é da

ordem de 1%, para o âmbito deste projeto, será considerado o valor único de

0,98.

Coeficiente prismático longitudinal (𝐶𝑃), que expressa a razão entre o volume

deslocado e o produto da área de seção mestra pelo comprimento da linha de

flutuação,

𝐶𝑃 =

∇

𝐴𝑀 𝐿𝑊𝐿

(9)

Coeficiente de bloco (𝐶𝐵), sendo este o mais importante no que diz respeito ao

projeto das embarcações, é definido como a razão entre o deslocamento e o

produto entre o comprimento entre perpendiculares, boca moldada e calado,

𝐶𝐵 =

∇

𝐿𝑃𝑃 𝐵 𝐷

(10)

Vale ressaltar que alguns projetistas utilizam o comprimento da linha de

flutuação (𝐿𝑊𝐿) como base para cálculo do coeficiente de bloco [6].

Potência associada à resistência friccional (𝑃𝐹)

A resistência friccional 𝑅𝐹 de uma embarcação corresponde à componente do atrito

gerado entre a parte submersa do casco e a água. É a resistência a ser vencida pelo casco

para que o barco se mova a uma dada velocidade em águas completamente calmas. Esta

21

representa uma parcela considerável da resistência total ao avanço de um navio,

podendo variar entre 45%, para navios de alta velocidade 𝑣𝑃 e 90% para aqueles que

navegam a uma velocidade menor [6]. Depende de duas variáveis relacionadas à

geometria da embarcação: a área de superfície molhada do casco (𝑆) e o coeficiente de

resistência friccional (𝐶𝐹).

A área da superfície molhada pode ser estimada de uma forma relativamente acurada

através da fórmula de Mumford, baseada em análises estatísticas em embarcações já

existentes. São utilizadas diferentes equações para navios tanque e container [32]:

𝑆𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸 = 0 (

∇

𝐷+ 1 𝐿𝑊𝐿𝐷)

(11)

𝑆𝐶𝑂𝑁𝑇𝐴𝐼𝑁𝐸𝑅 = 0 5 (

∇

𝐷+ 1 𝐿𝑊𝐿𝐷)

(12)

O coeficiente de resistência friccional está ligado à rugosidade superficial do casco e

pode ser calculado através da equação (10), definida na ITTC (International Towing

Tank Conference) de 1957 [33]:

𝐶𝐹 =

0 075

(𝑙𝑜𝑔 𝑅𝑒 − 2)

(13)

Onde 𝑅𝑒 é o número de Reynolds,

𝑅𝑒 =

𝑣𝑃 𝐿𝑊𝐿

𝜈

(14)

Sendo 𝜈 a viscosidade cinemática da água salgada. Neste trabalho, será adotado o valor

de 1,73 𝑚𝑚² 𝑠 [31].

A resistência friccional (𝑅𝐹) pode, então, ser calculada por meio da seguinte equação

[6]:

22

𝑅𝐹 =

𝐶𝐹 𝜌𝑊 𝑣𝑃 𝑆

2

(15)

A potência relacionada à resistência friccional pode ser calculada apenas multiplicando

o valor de 𝑅𝐹 pelo valor da velocidade da embarcação. Sendo assim:

𝑃𝐹 =

𝐶𝐹 𝜌𝑊 𝑣𝑃 𝑆

2

(16)

Potência associada à resistência residual (𝑃𝑅)

A resistência residual 𝑅𝑅 de uma embarcação compreende duas parcelas: a primeira é a

resistência das ondas, referente à perda de energia devido às ondas criadas pelo navio

durante a propulsão. É a mais significativa delas, podendo variar entre 8% e 25% da

resistência total ao avanço de um navio para navios de baixa velocidade, e entre 40% e

60% para navios de alta velocidade [6].

A segunda corresponde à resistência causada pela geração de vórtices, relacionada às

perdas causadas por separações de escoamento, que criam pequenos redemoinhos,

principalmente na extremidade ré da embarcação. A contribuição desta para a

resistência total ao avanço é de 3% a 5% [6].

O valor da resistência residual (𝑅𝑅) a ser superada pelo navio pode ser calculado de

maneira semelhante à resistência friccional calculada anteriormente:

𝑅𝑅 =

𝐶𝑅 𝜌𝑊 𝑣𝑃 𝑆

2

(17)

Sendo 𝐶𝑅 o coeficiente de resistência residual. O mesmo pode ser determinado através

do método proposto por [34]. Foram elaborados gráficos baseados em resultados

empíricos para uma embarcação considerada padrão – cuja razão entre as dimensões da

boca moldada e do calado é igual a 2,5 – a fim de estimar o valor de 𝐶𝑅 em função dos

seguintes parâmetros: comprimento da linha de flutuação (𝐿𝑊𝐿), deslocamento (∇),

coeficiente prismático longitudinal (𝐶𝑃) e número de Froude (𝐹𝑁). Os gráficos utilizados

encontram-se no Anexo I. O número de Froude pode ser calculado através da equação

(15):

23

𝐹𝑁 =𝑣𝑃

√𝑔 𝐿𝑊𝐿

(18)

Onde 𝑔 é a aceleração da gravidade. Será adotado o valor de 9,807 𝑚 𝑠².

Obtido o valor de 𝑅𝑅, pode-se estimar o valor da potência associada à resistência

residual (𝑃𝑅):

𝑃𝑅 =

𝐶𝑅 𝜌𝑊 𝑣𝑃 𝑆

2

(19)

Potência associada à resistência do ar (𝑃𝐴)

A resistência do ar 𝑅𝐴 a ser superada pela embarcação varia de acordo com a condição

climática enfrentada durante a navegação, e pode representar de 2% a 10% da

resistência total ao avanço do navio. O valor de 𝑅𝐴 será estimado com base em uma

circunstância climática adversa: vento de proa cujo módulo da velocidade (𝑣𝐴𝑅) é igual

a 14,0 m s [35]. Portanto:

𝑅𝐴 =

𝐶𝐴 𝜌𝐴 𝑆𝐴 (𝑣𝑃 + 𝑣𝐴𝑅)²

2

(20)

Onde 𝐶𝐴 é o coeficiente de resistência aerodinâmica, por hipótese igual a 0,9 [6], e 𝜌𝐴, a

massa específica do ar, equivalente a 1,225 m³⁄ [35]. 𝑆𝐴 corresponde à superfície do

navio acima da linha de flutuação submetida à pressão dinâmica do vento, cujo valor

será estimado conforme método empírico proposto por [32]:

𝑆𝐴𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸

= 𝐵 (−0 605 𝐷 + ℎ + 1 30) (21)

𝑆𝐴𝐶𝑂𝑁𝑇𝐴𝐼𝑁𝐸𝑅 = 𝐵 (−0 377 𝐷 + ℎ − 0 16) (22)

Sendo ℎ a altura de acomodação do navio. Para navios tanque, esta é definida pela

quantidade e altura dos andares da embarcação. No caso de navios container, é função

do número de níveis de contêineres que podem ser acomodados na plataforma do

24

modal. Os valores de ℎ para ambas as categorias podem ser estimados segundo as

tabelas abaixo:

Tabela 11 – Altura de acomodação de navios tanque

Fonte: Adaptada de [32]

Tabela 12 – Altura de acomodação de navios container

Fonte: Adaptada de [32]

A potência associada à resistência do ar pode, então, ser calculada conforme abaixo:

𝑃𝐴 =

𝐶𝐴 𝜌𝐴 𝑆𝐴 (𝑣𝑃 + 𝑣𝐴)² 𝑣𝑃

2

(23)

Potência demandada pelo sistema propulsivo (𝑃𝐵)

Após calcular os valores de 𝑃𝐹, 𝑃𝑅 e 𝑃𝐴, pode-se deduzir o valor de 𝑃𝐸. A potência

efetiva de reboque, conforme mencionado no início desta seção, não considera as perdas

mecânicas do sistema propulsivo. Portanto, podemos afirmar que o valor de 𝑃𝐵 é

superior a 𝑃𝐸, e pode-se estimá-lo associando 𝑃𝐸 uma variável de rendimento 𝜂𝑇, como

descrito na equação (2). A eficiência total do conjunto propulsante (𝜂𝑇) pode ser

decomposta em quatro principais fatores [6].

𝜂𝑇 = 𝜂𝐻 𝜂𝑂 𝜂𝑅 𝜂𝑆 (24)

Tipo h [m]

Pequenos tanques 11,0

Handysize 14,0

Handymax 17,0

Panamax 17,0

Aframax 17,0

Suezmax 17,0

VLCC 17,0

Tipo

Coletores

Panamax 24,20

Post-panamax

0 00533 𝑇𝐸𝑈 + 5 67

0 00057 𝑇𝐸𝑈 + 21 02

m

25

Onde 𝜂𝐻 representa a eficiência de casco, 𝜂𝑂, a eficiência em águas abertas, 𝜂𝑅, a

eficiência rotativa relativa e 𝜂𝑆 a eficiência de eixo.

Para cálculo da eficiência 𝜂𝐻, faz-se necessária a definição de dois coeficientes: o

coeficiente de esteira (𝑤) e o coeficiente de redução da força propulsora da embarcação

(𝑡). O coeficiente de esteira expressa o efeito de esteira criado pelo atrito entre a água e

o casco do navio, que ocorre porque há uma camada limite em torno do casco criada

pela fricção. A velocidade da água na superfície do casco é igual à do navio, e vai

caindo conforme a distância ao casco aumenta, até chegar ao zero na fronteira da

camada. A espessura da camada limite é menor na extremidade a vante, crescendo até

tornar-se máxima na extremidade a ré. O atrito, portanto, desenvolve um efeito esteira,

fazendo com que a haja uma redução da velocidade da água que chega à hélice do

propulsor (𝑣𝐴). O coeficiente de esteira é a razão entre o módulo da diferença entre 𝑣𝑃 e

𝑣𝐴 e o valor de 𝑣𝑃:

𝑤 =𝑣𝑃 − 𝑣𝐴

𝑣𝑃 (25)

Foi proposto por [36] uma estimativa de 𝑤 em função do coeficiente de bloco (𝐶𝐵):

𝑤 = −0 05 + 0 50 𝐶𝐵 (26)

A rotação da hélice faz com que a água imediatamente à sua frente seja puxada de volta

em direção ao propulsor, representando uma resistência extra que deverá ser superada

pelo empuxo a ser desenvolvido pelo sistema de propulsão, em adição à resistência ao

avanço previamente calculada. A redução da força propulsora é expressa pelo

coeficiente de dedução do empuxo 𝑡, calculado conforme a seguinte equação [37]:

𝑡 =

𝑇 − 𝑅𝐸

𝑅𝐸

(27)

Sendo 𝑇 o empuxo necessário para superar a resistência ao avanço 𝑅𝐸. Diante da

complexidade em quantificar 𝑇, foi proposto por [11] uma equação simplificada para

obtenção do valor de 𝑡:

𝑡 = 0 60 𝑤 (28)

26

A eficiência de casco representa a razão entre a potência de reboque e a potência de

empuxo entregue à água, e pode ser definida conforme a seguir [6]:

𝜂𝐻 =

1 − 𝑡

1 − 𝑤

(29)

A eficiência em águas abertas (𝜂𝑂) refere-se ao funcionamento da hélice em um campo

homogêneo, sem casco. Normalmente, varia entre 0,35 e 0,75, com os valores mais

altos ocorrendo em altas velocidades de avanço 𝑣𝐴. Além da velocidade de avanço,

outros fatores influenciam na determinação de 𝜂𝑂: rotação, diâmetro e projeto do

propulsor, além do empuxo causado pelo sistema de propulsão. Na figura abaixo,

observa-se um gráfico que expressa o valor de 𝜂𝑂 em função do número de avanço 𝐽

para diferentes tipos de embarcação. Define-se o número de avanço como [6]:

𝐽 =𝑣𝐴

𝑑𝑃 (30)

Sendo a rotação do propulsor (em revoluções por segundo), e 𝑑𝑃 o diâmetro da hélice.

Partindo da hipótese de que o motor de combustão principal é um motor dois tempos de

grande porte, é razoável atribuir a o valor de 100 rpm, ou 1,67 revoluções por

segundo. A velocidade de avanço pode ser quantificada através das equações (25) e

(26), já o diâmetro da hélice pode ser estimado conforme equações baseadas em análises

estatísticas propostas por [32]:

𝑑𝑃𝑇𝐴𝑁𝑄𝑈𝐸

= 0 3 5 𝐷 + 1 30 (31)

𝑑𝑃𝐶𝑂𝑁𝑇𝐴𝐼𝑁𝐸𝑅 = 0 623 𝐷 − 0 16 (32)

27

Figura 9 - Eficiência em águas abertas em função do número de avanço

Fonte: [6]

A eficiência rotativa relativa (𝜂𝑅) contabiliza o efeito de um fluxo rotacional que afeta a

velocidade da água em direção ao hélice. Esse efeito é normalmente benéfico para

embarcações que contam com apenas um sistema propulsor e seus valores variam entre

1,00 e 1,07. Será adotado o valor de 1,035 para 𝜂𝑅, comumente utilizado em projetos

independente do tipo de navio [6].

A eficiência do eixo (𝜂𝑆) represente a perda de energia entre a saída do motor e o hélice,

e depende dos seguintes fatores: alinhamento e lubrificação dos mancais do eixo

rotativo e do sistema de transmissão de potência, caso instalado. O valor de 𝜂𝑆 varia

dentro de faixas bastante restritas para vários tipos de embarcação, sendo plausível fixá-

lo no valor padrão utilizado de 0,99 [6].

3.2 Emissões Uma vez selecionado um motor que atenda à demanda de potência calculada, é

possível, através do catálogo do fabricante, obter os dados de consumo específico em

função da sua carga de operação. Para o funcionamento do motor a gás natural, duas

curvas são geradas: consumo específico de combustível piloto e de GNL. Para o caso de

28

operação a óleo combustível pesado, há apenas a curva de consumo específico de

bunker.

CO2

A tabela abaixo mostra o fator de emissão de dióxido de carbono, em toneladas de CO2

por toneladas de combustível, para diferentes tipos de combustíveis marítimos:

Tabela 13 – Emissões de CO2 para combustíveis navais

Fonte: [38]

Pode-se então definir o fator de emissão de CO2, em , para operação a gás e a

óleo pesado, respectivamente, conforme as equações 33 e 34:

𝑋𝐶𝑂2 𝑔 𝑘𝑊ℎ = 𝑋𝐶𝑂2

𝐻𝐹𝑂 𝑆𝑃𝑂𝐶 + 𝑋𝐶𝑂2

𝐺𝑁𝐿 𝑆𝐺𝐶 (33)

Onde 𝑆𝑃𝑂𝐶 e 𝑆𝐺𝐶 representam, respectivamente, o consumo específico de combustível

piloto e de gás natural, em .

𝑋𝐶𝑂2 𝑔 𝑘𝑊ℎ = 𝑋𝐶𝑂2

𝐻𝐹𝑂 𝑆𝐹𝐶 (34)

Sendo 𝑆𝐹𝐶 o consumo específico de óleo combustível pesado do motor, em .

NOx

A formação de NOx é resultado da oxidação do nitrogênio molecular presente no ar de

combustão e orgânico presente no combustível. O fator de emissão dos óxidos de

nitrogênio varia conforme o combustível utilizado, mas também é muito influenciada

pelo tipo de motor. Motores de dois tempos que operam a baixas rotações, geralmente,

emitem uma quantidade maior de gases NOx com relação aos motores de quatro tempos

de média e alta rotação [39]. A tabela abaixo mostra o fator de emissão de NOx para

diferentes tipos de combustível, em toneladas de NOx por toneladas de combustível,

aplicável a motores de baixa rotação.

Combustível

HFO 3,114

MDO/MGO 3,206

GNL 2,750

GLP 3,000

𝑋𝐶𝑂2 𝑡 𝑡 m s ]

29

Tabela 14 – Emissões de NOx para combustíveis navais

Fonte: [38]

Portanto, o fator de emissão de NOx, em , pode ser determinado, para operação a

gás e a óleo pesado, respectivamente, conforme as seguintes equações:

𝑋𝑁𝑂x 𝑔 𝑘𝑊ℎ = 𝑋𝑁𝑂x

𝐻𝐹𝑂 𝑆𝑃𝑂𝐶 + 𝑋𝑁𝑂x

𝐺𝑁𝐿 𝑆𝐺𝐶 (35)

𝑋𝑁𝑂x 𝑔 𝑘𝑊ℎ = 𝑋𝑁𝑂x


SO2

Os óxidos do tipo SOx derivam da parcela de enxofre presente no combustível que é

oxidada na câmara de combustão, sendo os produtos da reação quase que totalmente

constituídos por SO2. O fator de emissão do dióxido de enxofre, em , pode ser

considerado proporcional à porcentagem em massa de enxofre do combustível e

quantificada, para operação a gás e óleo pesado, respectivamente, segundo as equações

abaixo [39]:

𝑋𝑆𝑂2= 0 021 (%𝑆

𝐻𝐹𝑂 𝑆𝑃𝑂𝐶 + %𝑆𝐺𝑁𝐿 𝑆𝐺𝐶) (37)

𝑋𝑆𝑂2= 0 021 %𝑆


Sendo %𝑆 a porcentagem em massa de enxofre, definida para o óleo pesado e o gás

natural liquefeito na seção 2.3 deste projeto.

Material particulado (PM)

Foi proposta por [39] uma equação, baseada em análises estatísticas, relacionando o

fator de emissão de PM, em , em função da porcentagem em massa de enxofre

do combustível:

Combustível

HFO 0,078

MDO/MGO 0,074

GNL 0,008

𝑋 x 𝑡 𝑡 m s ]

30

𝑋𝑃𝑀 = 0 26 + 0 081 %𝑆 + 0 103 %𝑆 (39)

Para o caso de operação a óleo pesado, a equação acima é suficiente para determinação

do fator de emissão de PM do motor. Para operação a gás natural, devido à necessidade

de utilização de dois diferentes tipos de combustível:

𝑋𝑃𝑀 =

𝑋𝑃𝑀𝐺𝑁𝐿 𝑆𝐺𝐶 + 𝑋𝑃𝑀

𝐻𝐹𝑂 𝑆𝑃𝑂𝐶

𝑆𝐺𝐶 + 𝑆𝑃𝑂𝐶

(40)

Onde os valores de 𝑋𝑃𝑀𝐺𝑁𝐿

e 𝑋𝑃𝑀𝐻𝐹𝑂

são obtidos através da equação (39).

3.3 Consumo de combustível O fluxo mássico (�̇�) de combustível, em quilogramas por hora, a uma

determinada capacidade de operação de um motor marítimo funcionando a gás, pode ser

determinado através das seguintes equações:

�̇�𝐺𝐴𝑆 =

𝑆𝐺𝐶 𝑃

1000

(41)

�̇�𝐻𝐹𝑂 =

𝑆𝑃𝑂𝐶 𝑃

1000

(42)

Onde 𝑃 representa a potência de operação do motor, em . De maneira análoga, para

funcionamento do motor num ciclo diesel:

�̇�𝐻𝐹𝑂 =

𝑆𝐹𝐶 𝑃

1000

(43)

De modo a quantificar a massa de combustível consumida pela embarcação

durante uma viagem, é necessária a definição de autonomia do navio (A), que representa

31

a distância máxima, em milhas náuticas2, que uma embarcação pode permanecer

navegando sem a necessidade de abastecimento de viveres ou combustível [6]. Sendo

assim, a massa de determinado combustível (𝑚) consumida por viagem pode ser

definida da seguinte forma:

𝑚 𝑡 = 5 13 10 4

�̇� 𝐴

𝑣𝑝

(44)

3.4 Custo De modo a analisar o custo de funcionamento de uma embarcação a gás natural

liquefeito, serão examinados dois parâmetros: o primeiro é a diferença de custo de

combustível, que representa, geralmente, entre 50% e 60% do custo operacional do

navio [40], com relação à operação a óleo combustível pesado. Além disso, será levada

também em consideração a perda de tonelagem3 da embarcação em função do volume

ocupado pelo tanque de armazenamento de GNL.

A tabela abaixo mostra uma estimativa do preço de comercialização, em dólares

americanos por tonelada de combustível, para diferentes tipos de combustível. Os

valores são baseados em um estudo referente à evolução dos preços destes combustíveis

a partir de junho de 2014, onde a última data analisada, utilizada como referência para a

tabela, é quatro de julho de 2018.

Tabela 15 – Preço médio de combustíveis marítimos em julho de 2018

Fonte: [41]

O custo do combustível por viagem, em US$, pode então ser determinado para operação

a gás natural e óleo pesado, respectivamente, segundo as seguintes equações:

𝐶 = 𝑚𝐺𝑁𝐿 𝑝𝐺𝑁𝐿 + 𝑚𝐻𝐹𝑂 𝑝𝐻𝐹𝑂 (45)

𝐶 = 𝑚𝐻𝐹𝑂 𝑝𝐻𝐹𝑂 (46)

2 Uma milha náutica (nm) equivale a 1,852 quilômetros. 3 Define-se tonelagem da embarcação como o volume de carga que o navio é capaz de transportar.

Combustível

HFO 475,00

MGO 680,00

GNL 391,00

p [US$/t]

32

Onde os valores de 𝑚, para ambas as equações, podem ser quantificados através da

equação (44).

O volume do tanque de armazenamento de gás natural liquefeito pode ser

calculado pela equação a seguir:

𝑉𝐺𝑁𝐿 =𝑚𝐺𝑁𝐿

𝜌𝐺𝑁𝐿 (47)

Sendo 𝜌𝐺𝑁𝐿 a massa específica do gás natural liquefeito. Para essa grandeza, será

adotado o valor de 425,6 kg/m³, correspondente ao combustível com 100% de teor de

metano, conforme informado na tabela 10 da seção 2.3.3 deste projeto.

É importante ressaltar que, por questões logísticas, as embarcações a gás atuais

precisam ter a opção de navegar operando a HFO [25]. Portanto, não é possível uma

redução no volume do tanque deste combustível, mesmo com a considerável diminuição

na quantidade de HFO consumida pelo motor operando no modo gás, com relação à

operação a óleo pesado. Com o aumento da demanda da indústria naval por GNL como

combustível marítimo nos próximos anos, a tendência é que a quantidade de portos com

abastecimento de gás natural liquefeito aumente. Neste caso, é viável estimar uma

redução no volume do reservatório de óleo pesado e, consequentemente, uma perda de

volume líquida, considerando o volume dos tanques de GNL e HFO. Para isso, faz-se

necessário cálculo do volume de HFO consumido por viagem, conforme abaixo:

𝑉𝐻𝐹𝑂 =𝑚𝐻𝐹𝑂

𝜌𝐻𝐹𝑂 (48)

Onde 𝜌𝐻𝐹𝑂 representa a massa específica do óleo combustível pesado, equivalente a 991

kg/m³, de acordo com a tabela 8 da seção 2.3.1. Assim, a perda de volume líquida

poderia ser expressa pela seguinte equação:

∆𝑉 = 𝑉𝐺𝑁𝐿 − (𝑉𝐻𝐹𝑂𝑂 − 𝑉𝐻𝐹𝑂) (49)

Sendo 𝑉𝐻𝐹𝑂𝑂

o volume do tanque de HFO necessário para atender à autonomia da

embarcação sem que a mesma possa navegar operando a gás.

33

4. Estudos de caso Neste capítulo, a metodologia descrita no capítulo 3 será aplicada através de

estudos de caso para um navio tanque de produtos do tipo handymax e um navio

container coletor, tomando como referência parâmetros de embarcações já existentes.

Serão selecionados, a partir do catálogo do fabricante MAN Diesel & Turbo, motores

dual fuel de dois tempos que atendam à demanda de potência calculada para propulsão.

Por conseguinte, serão realizadas a análise de emissões de gases nocivos e a avaliação

econômica, levando em consideração o custo de combustível e o volume necessário

para armazenagem do GNL no interior da embarcação.

4.1 Navio tanque

4.1.1 Seleção do motor Para o primeiro estudo de caso, foi escolhido como referência o navio tanque de

produtos Celso Furtado, pertencente à Petrobras Transporte S.A. (Transpetro), que é

destinado ao transporte de derivados claros de petróleo, como gasolina, querosene e

diesel. O porte desta embarcação equivale a 47.300 toneladas; portanto, é classificado

como um navio tipo handymax. Seus dados de projeto estão listados na tabela abaixo.

Tabela 16 – Dados de projeto do navio Celso Furtado

Fonte: [42]

Tomando como referência as informações da tabela 16, foram estimados valores para o

comprimento entre perpendiculares (𝐿𝑃𝑃) e peso leve (𝐿𝑊𝑇) da embarcação, de modo a

calcular o deslocamento (∇) do navio. A partir dessas grandezas, além dos dados de

projeto definidos na tabela acima, foram obtidos os coeficientes de forma da

embarcação, bem como a área de seção mestra (𝐴𝑀).

Dados de projeto Valor

LWL [m] 179,4

B [m] 32,2

D [m] 12,8

DWT [kt] 47,3

vP [m/s] 7,51

34

Tabela 17 – Parâmetros e coeficientes de forma calculados para navio tanque

Fonte: Elaboração própria

As tabelas abaixo mostram os valores calculados para todos os parâmetros necessários à

estimativa de cada uma das parcelas de potência 𝑃𝐹, 𝑃𝑅 e 𝑃𝐴 para o estudo de caso em

questão:

Tabela 18 – Cálculo de PF para navio tanque


Tabela 19 – Cálculo de PR para navio tanque


Tabela 20 – Cálculo de PA para navio tanque


Na tabela abaixo, encontram-se os valores estimados para as parcelas de rendimento 𝜂𝐻

e 𝜂𝑂, bem como para os parâmetros necessários para o cálculo. Para as parcelas 𝜂𝑅 e 𝜂𝑆,

foram adotados os valores fixos de 1,035 e 0,99.

Parâmetros Valor Equação

LPP [m] 174 (3)

LWT [kt] 7,06 (5)

∇ [m³] 52.877 (4) e (7)

AM [m²] 403 (8)

CP 0,73 (9)

CB 0,74 (10)


S [m²] 8.409 (11)

Re 7,79 x 108 (14)

CF 1,58 x 10-3

(13)

PF [MW] 2,892 (16)


CP 0,73 (9)

FN 0,18 (18)

L/∇1/34,64 -

CR 1,10 x 10-3

Anexo I

PR [MW] 2,014 (19)


SA [m²] 340 (21)

PA [MW] 0,651 (23)

35

Tabela 21 – Cálculo de H e O para navio tanque


Finalmente, os valores da potência efetiva de reboque (𝑃𝐸), rendimento total (𝜂𝑇) e

potência de freio (𝑃𝐵) estão descritos na tabela a seguir.

Tabela 22 – Cálculo de PB para navio tanque


Com base na potência de reboque estimada de 8,31 MW, foi selecionado, a partir do

catálogo do fabricante MAN Diesel & Turbo [9], o modelo 5S50ME-C9.6-GI como

motor de combustão principal do navio em questão. A potência deste motor, quando

operando a 100% de sua capacidade, equivale a 8,9 MW e é capaz de atender à

demanda de potência calculada.

Tabela 23 – Dados do motor 5S50ME-C9.6-GI

Fonte: [9]


w 0,32 (26)

t 0,19 (28)

H 1,19 (29)

vA [m/s] 5,12 (25) e (26)

DP [m] 6,36 (31)

J 0,48 (30)

O 0,55 Figura 9


PE [MW] 5,59 (1)

T 0,67 (24)

PB [MW] 8,31 (2)

Parâmetro Valor

Número de cilindros 5

Potência [MW] 8,9

Faixa de rotação [rpm] 89 - 117

Diâmetro do pistão [mm] 500

Curso do pistão [m] 2,214

36

Figura 10 - Curva de potência do motor 5S50ME-C9.6-GI

Fonte: [43]

Os gráficos abaixo mostram as curvas de consumo específico de gás natural e óleo

combustível piloto, para operação a gás, e óleo combustível pesado, para o caso de

operação a HFO. Os valores adotados pelo fabricante para o poder calorífico inferior

(PCI) do óleo combustível pesado e gás foram, respectivamente, 42.700 e 50.000 kJ/kg

[43]. Com base no valor do PCI, assume-se que foi utilizado como referência para

elaboração destas curvas gás natural com 100% de teor de metano. O documento que

contém os valores de consumo específico discriminados para diferentes capacidades de

operação, obtido a partir de [43], encontra-se no Anexo II deste projeto.

Figura 11 - Consumo específico do motor 5S50ME-C9.6 para operação a gás

Fonte: [43]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

40 60 80 100 120

P [

MW

]

Rotação [rpm]

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

125

127

129

131

133

135

137

139

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SP

OC

[g/

kW

h]S

GC

[g

/k

Wh

]

Carga de operação [%]

SGC SPOC

37

Figura 12 - Consumo específico do motor 5S50ME-C9.6 para operação a HFO

Fonte: [43]

4.1.2 Emissões Com base nos gráficos de consumo específico do motor e na estrutura de cálculo

descrita na seção 3.2, é possível gerar as curvas de emissões de CO2, NOx, SO2 e PM

para funcionamento a gás e a óleo pesado para diferentes cargas de operação. Tomando

como valor de referência o consumo específico de combustível à carga máxima, serão

quantificados os fatores de emissão de poluentes para o motor MAN 5S50ME-C9.6.

Para o caso de operação a gás, o consumo específico de combustível piloto e GNL a

100% de carga equivale, respectivamente, a 5,0 e 137,5 g/kWh. Para operação a HFO à

mesma capacidade, o consumo específico de óleo pesado é de 167 g/kWh. De modo a

determinar o fator de emissão de SOx e PM do motor, é necessário definir o percentual

de enxofre para cada tipo de combustível. Serão adotados como referência os

percentuais de 3,5% e 0,005%, para o HFO e GNL, respectivamente, conforme descrito

na seção 2.3.

Sendo assim, com base nas equações (33) a (40), obtém-se os fatores de emissão

para operação a gás natural e óleo pesado, conforme descrito na tabela a seguir:

Tabela 24 – Fatores de emissão calculados para o motor 5S50ME-C9.6


160

165

170

175

180

185

190

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SF

C [

g/

kW

h]


Fator de emissão [g/kWh] HFO GNL

520 394

13,03 1,49

12,27 0,38

PM 1,81 0,31

38

Os gráficos abaixo comparam as emissões de SO2 e NOx calculadas para operação a gás

do motor MAN 5S50ME-C9.6 com os limites determinados pela IMO, levando em

consideração a navegação em áreas de controle de emissão (ECA) e em outras áreas

onde este controle não se aplica, tomando como referência os dados das tabelas 1 e 2.

Figura 13 - Fator de emissão de SO2 do motor 5S50ME-C9.6


Figura 14 - Fator de emissão de NOx do motor 5S50ME-C9.6


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[g S

O2/

kW

h]


GNL Global ECA

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[g N

OX/

kW

h]


GNL Global ECA

39

Nota-se que o fator de emissão de NOx estimado atende ao padrão estabelecido

pela IMO para as áreas de controle de emissões. Contudo, as emissões de SOx ainda não

satisfazem aos limites para essas áreas, sendo necessária, portanto, uma ligeira redução

no teor de enxofre do óleo combustível piloto.

4.1.3 Análise econômica O navio Celso Furtado possui uma autonomia de 12.000 milhas náuticas [44]. O

consumo de combustível por viagem será estimado em função da autonomia para

funcionamento a gás, de acordo com estrutura exposta na seção 3.3, através das

equações (41) a (44). Será considerada a hipótese de navegação à velocidade constante

𝑣𝑝 do navio, com o motor operando a uma carga equivalente a 93,37% de sua

capacidade, que corresponde à potência de reboque de 8,31 MW calculada para a

embarcação em questão. Os valores de consumo específico de gás e óleo piloto do

motor 5S50ME-C9.6 para operação a 93,37% de carga no modo gás equivalem,

respectivamente, a 136 e 5,2 g/kWh. Já para funcionamento a HFO, o consumo

específico de combustível para essa mesma capacidade equivale a 165 g/kWh.

Para a análise econômica do uso do gás natural liquefeito como combustível

desta embarcação, serão considerados o custo de combustível por viagem, calculado a

partir das equações (45) e (46), e o volume útil perdido por conta do tanque de

armazenagem de GNL, obtido a partir da equação (47). Diferentes cenários serão

explorados: autonomia para funcionamento a gás de 12.000 e 6.000 milhas náuticas,

sendo as 6.000 restantes percorridas com o motor operando a HFO. Para efeito de

comparação, será analisado também o cenário de operação a óleo combustível pesado

durante toda a viagem.

Tabela 25 – Consumo e custo de combustível para navio tanque


Nota-se uma redução considerável no custo de combustível por viagem com o aumento

da utilização do gás natural liquefeito como combustível principal. Para autonomia de

6.000 milhas náuticas, foi estimada uma redução de aproximadamente 14,5%. Para

autonomia de 12.000 milhas, foi calculada uma redução de 29,1%. Contudo, é

necessário também analisar o volume necessário para armazenagem do GNL no interior

da embarcação. O gráfico abaixo mostra uma estimativa deste volume em função da

autonomia a gás do navio.

0 6.000 12.000

Massa de gás consumida [t] - 462 924

Massa de HFO consumida [t] 1.124 580 36

Custo de combustível [US$] 534.056 456.151 378.246

ParâmetrosAutonomia a gás [nm]

40

Figura 15 - Volume de GNL necessário para operação a gás do navio tanque


Uma autonomia a gás de 6.000 milhas implica em um volume necessário de

aproximadamente 1.085 m³ para armazenamento de GNL, não considerando a espessura

da parede do tanque. Para 12.000 milhas, esse volume aumenta para aproximadamente

2.170 m³. Esses valores representam uma perda aproximada de, respectivamente, 1,9%

e 3,8% do volume útil da embarcação, que equivale a 56.000 m³ [44].

Considerando a redução no volume necessário para o armazenamento de HFO

com o aumento da autonomia a gás da embarcação, pode-se estimar, através das

equações (48) e (49), uma perda líquida de volume. Para operação a HFO durante todo

o percurso, são necessários 1.134 m³ de combustível. O volume de óleo pesado

consumido para 6.000 e 12.000 milhas de autonomia do navio equivale,

respectivamente, a 585 e 36 m³, o que resulta numa perda líquida de, aproximadamente,

536 e 1072 m³. Estes valores representam, respectivamente, 0,95% e 1,91% do volume

útil da embarcação.

4.2 Navio container

4.2.1 Seleção do motor O último estudo de caso realizado foi baseado no navio porta-container Log-In

Pantanal, pertencente à empresa Log-In Logística Intermodal S.A. A capacidade desta

embarcação equivale a 1688 TEU, portanto, é classificado como um navio tipo feeder.

Seus dados de projeto estão descritos na tabela a seguir:

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000

Vo

lum

e d

o t

an

qu

e [

m³]

Autonomia a gás [nm]

41

Tabela 26 – Dados de projeto para o navio Log-In Pantanal

Fonte: [42]

Tomando como base os dados informados acima, foi estimada a potência de freio (𝑃𝐵)

necessária para propulsão dessa embarcação de maneira análoga à realizada no estudo

de caso anterior, seguindo a metodologia descrita na seção 3.1. Na tabela abaixo,

encontram-se valores de outras grandezas necessárias para o cálculo, bem como dos

coeficientes de forma do navio.

Tabela 27 – Parâmetros e coeficientes de forma calculados para navio container


Os valores estimados para as potências 𝑃𝐹, 𝑃𝑅 e 𝑃𝐴, bem como para as grandezas

necessárias à estimativa de cada uma dessas parcelas encontram-se listados abaixo:

Tabela 28 – Cálculo de PF para navio container


Dados de projeto Valor

LWL [m] 180,7

B [m] 25,2

D [m] 10,0

Capacidade [TEU] 1688

DWT [kt] 23,8

vP [m/s] 10,8


LPP [m] 175 (3)

LWT [kt] 5,27 (6)

∇ [m³] 28.298 (4) e (7)

AM [m²] 247 (8)

CP 0,63 (9)

CB 0,64 (10)


S [m²] 6.232 (12)

Re 1,13 x 109 (14)

CF 1,50 x 10-3 (13)

PF [MW] 6,091 (16)

42

Tabela 29 – Cálculo de PR para navio container


Tabela 30 – Cálculo de PA para navio container


Na tabela a seguir, encontram-se os valores estimados para as parcelas de rendimento

𝜂𝐻 e 𝜂𝑂 e parâmetros necessários para o cálculo. Para as parcelas 𝜂𝑅 e 𝜂𝑆, também

foram adotados os valores fixos de 1,035 e 0,99, de forma semelhante ao procedimento

adotado no primeiro estudo de caso.

Tabela 31 – Cálculo de H e O para navio container


Por fim, os valores da potência efetiva de reboque (𝑃𝐸), rendimento total (𝜂𝑇) e potência

de freio (𝑃𝐵) estão descritos abaixo.

Tabela 32 – Cálculo de PB para navio container



CP 0,63 (9)

FN 0,26 (18)

L/∇1/35,75 -

CR 1,50 x 10-3 Anexo I

PR [MW] 5,251 (19)


SA [m²] 271 (22)

PA [MW] 0,991 (23)


w 0,27 (26)

t 0,16 (28)

H 1,15 (29)

vA [m/s] 7,88 (25) e (26)

DP [m] 6,07 (31)

J 0,78 (30)

O 0,68 Figura 9


PE [MW] 12,33 (1)

T 0,80 (24)

PB [MW] 15,42 (2)

43

De modo a atender à potência de freio calculada de 15,42 MW, foi selecionado como

motor de combustão principal da embarcação em análise, a partir do catálogo do

fabricante MAN Diesel & Turbo [9], o modelo 7S60ME-C8.5-GI. A potência deste

motor, operando a 100% de carga, equivale a 16,660 MW.

Tabela 33 – Dados do motor 7S60ME-C8.5-GI

Fonte: [9]

Figura 16 - Curva de potência do motor 7S60ME-C8.5-GI

Fonte: [43]

Nos gráficos abaixo, encontram-se as curvas de consumo específico de gás natural e

óleo combustível piloto, para operação a gás, e óleo combustível pesado, para o caso de

operação a HFO, do motor MAN 7S60ME-C8.5-GI. Como no estudo de caso anterior,

os valores adotados pelo fabricante para o PCI do óleo pesado e gás foram,

respectivamente, 42.700 e 50.000 kJ/kg. O documento que contém os valores de

consumo específico discriminados para diferentes capacidades de operação, obtido a

partir de [43], encontra-se no Anexo III deste projeto.

Parâmetro Valor

Número de cilindros 7

Potência [MW] 16,66

Faixa de rotação [rpm] 84 - 105

Diâmetro do pistão [mm] 700

Curso do pistão [m] 2,4

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

40 60 80 100 120

P [

MW

]

Rotação [rpm]

44

Figura 17 - Consumo específico do motor 7S60ME-C8.5 para operação a gás


Figura 18 - Consumo específico do motor 7S60ME-C8.5 para operação a HFO


4.2.2 Emissões Pelas curvas de emissões geradas a partir dos gráficos de consumo específico,

em associação aos cálculos demonstrados na seção 3.2, serão quantificados os fatores de

emissão de CO2, NOx, SO2 e PM tomando como referência o consumo específico de

combustível à carga máxima de operação. Para o caso de operação a gás a 100% de

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

125

127

129

131

133

135

137

139

141

143

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SP

OC

[g/

kW

h]S

GC

[g

/k

Wh

]


SGC SPOC

160

165

170

175

180

185

190

195

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

SF

C [

g/

kW

h]


45

carga, os consumos específicos de combustível piloto e GNL equivalem a,

respectivamente, 5,0 e 139,2 g/kWh. O consumo específico de HFO para o caso de

operação a óleo pesado equivale a 169,0 g/kWh. Será adotado, como no cenário para o

navio tanque, um percentual de enxofre de 3,5% e 0,005% para HFO e GNL,

respectivamente. Portanto, com base nas equações (33) a (40), podemos assumir os

seguintes valores para os fatores de emissão do motor MAN 7S60ME-C8.5-GI:

Tabela 34 – Fatores de emissão calculados para o motor 7S60ME-C8.5


Os gráficos abaixo comparam as emissões de SO2 e NOx do motor MAN 7S60ME-C8.5

calculadas para operação a gás com os limites determinados pela IMO, levando em

consideração a navegação em áreas de controle de emissão (ECA) e em outras áreas

onde este controle não se aplica.

Figura 19 - Fator de emissão de SO2 do motor 7S60ME-C8.5


Fator de emissão [g/kWh] HFO GNL

CO2 526 398

NOx 13,18 1,50

SO2 12,42 0,38

PM 1,81 0,31

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[g S

O2/

kW

h]


GNL Global ECA

46

Figura 20 - Fator de emissão de NOx do motor 7S60ME-C8.5


Observa-se que, a exemplo do ocorrido no estudo de caso anterior, as emissões

de NOx satisfazem aos padrões definidos pela IMO. Porém, o fator de emissão de SOx

não atende ao limite exigido para navegação nas ECA, tornando-se também necessária

uma redução no teor de enxofre do óleo combustível piloto de modo a satisfazer esse

critério.

4.2.3 Análise econômica O consumo de combustível por viagem será estimado de maneira semelhante à

realizada para o navio tanque, através das equações (41) a (44). Será considerada a

hipótese de navegação à velocidade constante 𝑣𝑝 do navio, com o motor operando a

uma carga equivalente a 92,89% de sua capacidade, que corresponde à potência de

reboque calculada de 15,42 MW. Os consumos específicos de óleo piloto e GNL do

motor MAN 7S60ME-C8.5 a esta carga de operação equivalem a, respectivamente, 5,3

e 137,6 g/kWh. O consumo específico de HFO para operação a óleo pesado é igual a

167,4 g/kWh.

O navio Log-In Pantanal navega por cabotagem, ou seja, sem perder a costa de

vista, entre diversos portos, sendo os mais extremos os portos de Buenos Aires e

Manaus [45], cuja rota constitui um percurso de aproximadamente 4.200 milhas

náuticas [46]. Portanto, será tomada como base uma autonomia de 5.000 milhas

náuticas para análise econômica da utilização de GNL nesta embarcação. Serão

explorados os seguintes cenários: autonomia para funcionamento a gás de 5.000 e 2.500

milhas náuticas, sendo as 2.500 restantes percorridas com o motor operando a HFO, e

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

[g N

Ox/

kW

h]


GNL Global ECA

47

operação a óleo combustível pesado durante toda a viagem. O custo de combustível por

viagem pode, então, ser calculado a partir das equações (45) e (46) e está descrito na

tabela abaixo para os diferentes cenários mencionados:

Tabela 35 – Consumo e custo de combustível para navio container


Uma redução do custo de combustível de aproximadamente 14,6% foi observada para a

autonomia a gás de 2.500 milhas náuticas, e para 5.000 milhas, 29,2%; valores muito

semelhantes aos calculados para o navio tanque. O gráfico abaixo mostra a estimativa

do volume necessário para armazenamento do GNL, calculado a partir de (47), de modo

a analisar a perda de volume útil da embarcação.

Figura 21 - Volume de GNL necessário para operação a gás do navio container


Para uma autonomia a gás de 2.500 milhas, é necessário um reservatório de

volume aproximadamente igual a 592 m³. Já para a autonomia total de 5.000 milhas

náuticas, é preciso um tanque com 1184 m³ de capacidade. Considerando o volume útil

da embarcação como o volume total dos 1688 contêineres que a mesma é capaz de

transportar, estima-se um volume útil de aproximadamente 66.300 m³. Portanto,

calcula-se uma perda de aproximadamente 0,9% e 1,8% para autonomia a gás de 2.500

e 5.000 milhas, respectivamente.

O volume de HFO necessário para operação a óleo pesado durante todo o

percurso é de 619 m³. O volume óleo combustível consumido para 2.500 e 5.000 milhas

de autonomia a gás é de 319 m³ e 19,5 m³, respectivamente. Considerando a hipótese de

0 2.500 5.000

Massa de gás consumida [t] - 252 504

Massa de HFO consumida [t] 613 316 19

Custo de combustível [US$] 291.079 248.618 206.156

ParâmetrosAutonomia a gás [nm]

0

200

400

600

800

1.000

1.200

1.400

0 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000

Vo

lum

e d

o t

an

qu

e [

m³]

Autonomia a gás [nm]

48

uma perda líquida devido à redução no volume do tanque de HFO da embarcação, as

respectivas perdas de volume seriam reduzidas para 292 m³ e 584 m³, representando

0,44% e 0,88% do volume útil da embarcação.

49

5. Conclusão e trabalhos futuros O gás natural liquefeito mostrou-se uma alternativa eficiente para o propósito de

diminuição de emissões de gases poluentes para ambas as embarcações estudadas.

Foram calculadas reduções significativas nas emissões de CO2, NOx, SO2 e PM em

comparação à operação a óleo combustível pesado.

Verificou-se que o fator de emissão de NOx encontra-se dentro do limite

estabelecido pela IMO, inclusive para navegação nas áreas de controle de emissão. O

fator de emissão de SO2 estimado não atendeu às exigências para navegação nessas

áreas, contudo, uma pequena redução de 3,5% para 3,0% no teor de enxofre do óleo

combustível piloto seria suficiente, uma vez que o valor calculado está muito próximo

do admissível. Assim, uma mistura composta pelo HFO utilizado como referência para

o cálculo e óleo pesado com concentração de 1,0% de enxofre, numa proporção de

quatro para um, respectivamente, atenderia às demandas regulatórias.

Com base na análise econômica realizada, conclui-se que a utilização de GNL

como combustível é viável para ambas as embarcações estudadas. Há uma redução

significativa nos custos de combustível, que se torna, em valor absoluto, mais acentuada

com o aumento do porte e da autonomia da embarcação. Contudo, observou-se que a

fração de volume útil perdido para armazenagem do gás natural liquefeito foi inferior no

navio container, de menor autonomia, ainda que o volume perdido no navio tanque para

o caso de autonomia total a gás não tenha atingido 4% de seu volume útil. Considerando

uma possível redução no tanque de óleo pesado, essa perda de volume torna-se ainda

menor.

Como trabalhos futuros, podem ser realizados estudos de caso para navios

tanque e container de maior porte, por exemplo, embarcações do tipo VLCC e ULCV,

que possuem uma autonomia muito elevada, sendo necessário, portanto, um tanque de

combustível que ocupe uma parcela mais considerável do volume do navio. A

metodologia descrita pode ser incrementada, considerando o cálculo da potência de

freio para navios granéis, que representam uma parcela considerável da frota mundial.

Além disso, pode-se também desenvolver um método para estimativa de potência

consumida pelos motores auxiliares, aprimorando a análise para o caso de um navio em

que toda a geração de energia seja derivada da queima de gás natural. Um estudo de

mercado pode ser feito, de modo a estimar o prejuízo financeiro por conta da perda de

volume útil por conta do armazenamento de GNL para os diferentes tipos de

embarcação, além do custo de modificação dos navios para adaptação ao duplo tanque e

custo do sistema de alimentação de gás natural liquefeito.

50

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54

Anexo I - Diagramas para cálculo de CR

58

Anexo II - Consumo específico do motor

MAN 5S50ME-C9.6

60

Anexo III - Consumo específico do motor

MAN 7S60ME-C8.5

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