Barcos de trabalho internos têm muito a ganhar com propulsão elétrica a diesel

De Joshua Slade Sebastian, PE • 21 março 2018

Propulsão elétrica a diesel não é um conceito novo. Como os acionamentos de azimute, sua aplicação no mercado marítimo interno ficou para trás de outras áreas da indústria naval. O diesel elétrico ganhou força em indústrias onde a economia de combustível e a redundância de sistemas de propulsão para segurança são primordiais. Em particular, navios como ferries de passageiros e navios de abastecimento offshore beneficiaram os sistemas elétricos a diesel. A indústria de rebocadores terrestres compartilha muitas dessas preocupações e se beneficiaria da consideração da tecnologia elétrica a diesel como parte de um processo abrangente de projeto de engenharia.

No início de 2017, o The Shearer Group, Inc. (TSGI), juntamente com a divisão marítima da ABB, embarcou no estudo da aplicação de tecnologia elétrica a diesel para a indústria marinha do interior. A TSGI originalmente pesquisou a propulsão elétrica a diesel para rebocadores por volta de 2007, mas naquela época a tecnologia e o preço não a tornaram uma opção viável para o mercado. No entanto, nos últimos anos, algumas mudanças fundamentais da indústria mudaram a equação, tornando o diesel elétrico uma opção viável ao planejar um novo reboque.

O que é propulsão elétrica a diesel?

Simplificando, a propulsão elétrica a diesel é um conceito que usa uma usina de energia elétrica constituída por múltiplos geradores de energia que desenvolvem energia elétrica para a usina de propulsão através do uso de motores elétricos. O sistema de propulsão elétrica consiste em geradores, um sistema de distribuição elétrica, acionadores de frequência variável, motores de propulsão elétrica e um sistema de controle.

Os sistemas mecânicos movidos a diesel fornecem eficiência superior em uma faixa muito estreita de operações, normalmente acima de 60% de MCR. Como tal, é importante determinar o ciclo operacional total dos motores durante um longo período de tempo. O diesel elétrico melhora a eficiência do sistema de propulsão de um navio, ampliando a gama de operações ótimas e proporcionando maior eficiência geral em faixas fora da gama ideal de um sistema de acionamento mecânico.

Sob o guarda-chuva da propulsão elétrica a diesel, existem várias variantes que existem no mercado hoje:

Híbrido (PTO / PTI)

Os sistemas híbridos utilizam uma linha de eixo mecânico com uma tomada de força e entrada de energia (PTO / PTI), combinada com um sistema de geração elétrica. Este sistema combina o benefício da propulsão de transmissão direta através de uma caixa de velocidades com a flexibilidade de um "impulso de energia" do sistema elétrico do navio, mas também permite que os motores principais funcionem de forma mais eficiente ao fornecer energia elétrica ao navio quando o poder é não é necessário para propósitos de propulsão. Quando mais energia é necessária, os geradores atuam como motores que fornecem energia adicional aos eixos via PTO / PTI. Durante a operação de baixa potência, os motores principais podem ser apertados e o navio pode operar sozinho no motor elétrico, ou os motores principais podem fornecer energia de propulsão e também alimentar o PTO / PTI para fornecimento de energia elétrica para cargas auxiliares.

Sistema A / C

O sistema elétrico a diesel A / C é o sistema elétrico diesel mais tradicional e comum na água hoje. Consiste em uma usina elétrica com vários geradores fornecendo energia para todas as cargas na embarcação; propulsão, auxiliar e hotel. O poder do painel de distribuição é fornecido aos motores de propulsão através de unidades de freqüência variável para permitir que os motores funcionem praticamente em qualquer RPM do eixo.

Sistema D / C

O sistema elétrico a diesel D / C é muito semelhante ao sistema A / C, mas fornece algumas melhorias em certas áreas. A corrente alternada do gerador é retificada em corrente contínua no gerador e distribuída diretamente pelos painéis. A corrente CC é então invertida, conforme necessário, para fornecer energia CA às cargas de propulsão e hotel. Os sistemas de corrente contínua são menores e mais leves em geral, com menos peças dentro dos quadros de distribuição. Os sistemas de propulsão baseados em CC proporcionam o maior benefício quando combinados com algum tipo de armazenamento de energia, em que a rede CC pode permitir que as baterias forneçam resposta instantânea de energia ao sistema elétrico do navio.

Diesel elétrico com armazenamento de energia

Quando os sistemas elétricos a diesel são combinados com o armazenamento de energia, os benefícios dos sistemas elétricos a diesel continuam a melhorar. Para aplicações marinhas típicas, o uso de baterias de iões de lítio (Li-ion) pode ajudar a adicionar reservas de giro, pico de barbear e zero para aumentar a eficiência geral dos vasos.

Como Diesel elétrico se encaixa no mercado interno

Até o momento, a maior parte do foco no diesel elétrico ultrapassou o mercado de reboque interior. No entanto, a TSGI tem trabalhado com engenheiros da ABB para desenvolver e aperfeiçoar o conceito de projeto de rebocadores elétricos a diesel. O ímpeto para este esforço de design é o perfil operacional típico do rebocador. Quando pedimos aos proprietários como operam seus navios, a maioria acredita que estão entre 80% a 100% de carga quase 100% do tempo. Na realidade, descobrimos que os dados reais do motor dos navios que operavam nos rios eram bastante diferentes.

Em vez de operar em mais de 80 por cento de carga na maior parte do tempo (como se pensava anteriormente), descobrimos que o perfil operacional dos vasos que investigamos gastou muito menos tempo acima de 80% de carga do que se pensava originalmente. Para uma série de operadores em várias partes dos rios interiores, o reboque real passa a maior parte do tempo abaixo de 50 por cento de potência total, com picos curtos acima de 80 por cento. Isso convida a uma oportunidade para que o diesel elétrico apresente impactos positivos nos custos operacionais associados à operação de um rebocador nos rios do interior.

Os perfis de operação do navio são muito importantes para determinar a adequação de um sistema elétrico a diesel para um navio específico. Ambos os perfis de amostra representam dados operacionais reais ao longo de 365 dias de operação para diferentes embarcações.

A propulsão elétrica a diesel fornece essas economias a partir de uma variedade de benefícios. Máquinas de propulsão para cada rebocador de 2.400 HP estão listadas abaixo:

Maquinaria típica de 2.400HP:

-Prime Mover: 2 x 1.200HP Tier IV Engines

Gerador: 2 x 200kW Tier III Geradores

Máquinas elétricas a diesel 2,400HP:

-Geração de energia: 4 x 800hp Tier III Generators

Para o rebocador mecânico, em qualquer carga do motor, desde a marcha lenta até 100%, você está executando no mínimo três motores para manter a manobra completa, além da carga elétrica da casa. O diesel elétrico, no entanto, está executando um número otimizado de motores. De marcha lenta a cerca de 25% da carga, apenas um motor é necessário para funcionar, a fim de fornecer propulsão a dois eixos, além da carga elétrica da casa para a embarcação. Somente em cargas muito maiores (tipicamente> 80%), o diesel eletrico perde alguns dos seus ganhos de eficiência em relação ao sistema de propulsão mecânica.

Além das economias de combustível

Os sistemas de propulsão elétrica a diesel também oferecem benefícios além da economia de combustível. Durante o processo de design, deve-se considerar itens como redundância de sistemas de propulsão, consumo e armazenamento de uréia e manutenção do motor.

O diesel elétrico também brilha com relação à redundância e segurança. Com qualquer motor capaz de fornecer energia para qualquer motor de propulsão, um operador pode minimizar o impacto de uma falha do motor primário. Em um sistema mecânico, a perda de um motor primário resulta na perda de 50% da propulsão e de um eixo inteiro. No rebocador elétrico a diesel, a perda de um grupo gerador resulta apenas na perda de 25% da potência máxima disponível enquanto ainda é capaz de fornecer energia a ambos os eixos. Da mesma forma, com a perda de um gerador em um sistema mecânico, o navio agora não possui back-up para cargas domésticas e auxiliares. O sistema elétrico a diesel pode continuar fornecendo energia com múltiplos back-ups para a geração elétrica.

O uso de múltiplos geradores Tier III elimina a necessidade de motores Tier IV, que usam tecnologia SCR ou EGR para atender aos requisitos de emissões. Se um navio estiver usando ureia para SCR, com uma taxa de dosagem típica de DE de 5 por cento, um novo projeto de vaso deve acomodar um tanque de ureia, o SCR e a tubulação de exaustão adicional.

Outro benefício envolve cronogramas de manutenção do motor. Ao reduzir o número de motores que correm para um número ótimo, a propulsão elétrica a diesel reduz o número de horas do motor gasto em cargas parciais. Uma embarcação que gasta 40% de seu tempo de operação com menos de 50% da carga de propulsão pode manter horas em dois motores, em vez de três, quando comparada a um sistema acionado mecanicamente. E, como o navio possui apenas um tipo de motor a bordo, o número de peças sobressalentes para o suporte do lado da embarcação e da costa pode ser reduzido.

Diesel elétrico é para você?

O diesel elétrico, assim como os movimentos azimuthing, pode ou não ser a melhor solução para todos os perfis operacionais no rio. No entanto, oferece vantagens distintas em muitos cenários e deve ser considerado como parte do processo geral de tomada de decisões ao projetar uma embarcação. Os benefícios se estendem para além de apenas economias de custos operacionais, além de proporcionar maior segurança operacional e redundância para rebocadores.

O autor

Joshua Slade Sebastian, PE, é gerente de engenharia do The Shearer Group, Inc. (TSGI). A TSGI gostaria de agradecer à Divisão de Fuzileiros Navais da ABB pela assistência com o projeto elétrico do conceito de rebocador elétrico a diesel e fornecer algumas das informações técnicas para este artigo .

(Conforme publicado na edição de março de 2018 da Marine News )