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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
Vitor Silveira de Carvalho
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
Vitor Silveira de Carvalho
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
Vitor Silveira de Carvalho
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
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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
0,0
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
Poder calorífico inferior [MJ/kg] 44,0 44,0
Teor de enxofre [% m/m] 2,0 1,5
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
Poder calorífico inferior [MJ/kg] 47,38 50,03
Ponto de fulgor [ºC] -188,0 -188,0
Teor de enxofre [% m/m] 0,005 0,005
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
𝐻𝐹𝑂 𝑆𝐹𝐶 (36)
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
𝐻𝐹𝑂 𝑆𝐹𝐶 (38)
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
Fonte: Elaboração própria
Tabela 19 – Cálculo de PR para navio tanque
Fonte: Elaboração própria
Tabela 20 – Cálculo de PA para navio tanque
Fonte: Elaboração própria
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)
Parâmetros Valor Equação
S [m²] 8.409 (11)
Re 7,79 x 108 (14)
CF 1,58 x 10-3
(13)
PF [MW] 2,892 (16)
Parâmetros Valor Equação
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)
Parâmetros Valor Equação
SA [m²] 340 (21)
PA [MW] 0,651 (23)
35
Tabela 21 – Cálculo de H e O para navio tanque
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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]
Parâmetros Valor Equação
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
Parâmetros Valor Equação
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
Fonte: Elaboração própria
160
165
170
175
180
185
190
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
SF
C [
g/
kW
h]
Carga de operação [%]
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
Fonte: Elaboração própria
Figura 14 - Fator de emissão de NOx do motor 5S50ME-C9.6
Fonte: Elaboração própria
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]
Carga de operação [%]
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]
Carga de operação [%]
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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
Parâmetros Valor Equação
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)
Parâmetros Valor Equação
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
Fonte: Elaboração própria
Tabela 30 – Cálculo de PA para navio container
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
Parâmetros Valor Equação
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)
Parâmetros Valor Equação
SA [m²] 271 (22)
PA [MW] 0,991 (23)
Parâmetros Valor Equação
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
Parâmetros Valor Equação
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
Fonte: Elaboração própria
Figura 18 - Consumo específico do motor 7S60ME-C8.5 para operação a HFO
Fonte: Elaboração própria
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
]
Carga de operação [%]
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]
Carga de operação [%]
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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]
Carga de operação [%]
GNL Global ECA
46
Figura 20 - Fator de emissão de NOx do motor 7S60ME-C8.5
Fonte: Elaboração própria
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]
Carga de operação [%]
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
Fonte: Elaboração própria
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
Fonte: Elaboração própria
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
55
56
57
58
Anexo II - Consumo específico do motor
MAN 5S50ME-C9.6
59
60
Anexo III - Consumo específico do motor
MAN 7S60ME-C8.5
61