A colaboração impulsiona a descarbonização marítima

Como um veterano militar com mais de 30 anos de experiência, que passou sua carreira projetando, construindo, operando, mantendo e consertando embarcações de todos os tipos — de porta-aviões a submarinos — para a Marinha dos EUA, o contra-almirante aposentado Bryant Fuller, que agora lidera os Programas Marítimos Federais da Siemens Energy, sabe uma coisa ou duas sobre como impulsionar um navio.

“Projetar um sistema de energia para um navio é um processo muito colaborativo e iterativo”, disse ele. “Há muita troca de ideias. [Um navio] é um sistema de sistemas, e o que você faz aqui impactará o que acontece lá. Nada é feito no vácuo.”

A Siemens Energy forneceu o sistema de bateria refrigerada a água para esta balsa totalmente elétrica norueguesa, a maior do mundo. (Foto: Siemens Energy)

“Há muitas implicações em optar por um tipo de tecnologia ou um tipo de combustível em comparação a outro”, continuou ele. “Não existe uma única resposta ideal.”

Encontrar a solução ideal para impulsionar uma embarcação exige o trabalho com todas as partes interessadas – o proprietário, o arquiteto naval, os engenheiros, o construtor naval, etc. – para definir parâmetros e prioridades. "Há compensações", disse Fuller. "Não existe uma solução mágica, porque tudo impacta algo."

É necessária colaboração

A Siemens Energy foi desmembrada do conglomerado multinacional alemão de tecnologia Siemens em 2020, formando uma entidade independente focada especificamente no setor de energia. Seu portfólio abrange uma gama diversificada de produtos, desde eletrolisadores e grandes turbinas a gás e a vapor para concessionárias de energia até tecnologias para eletrificação, automação e digitalização de aplicações offshore e marítimas.

A empresa fornece soluções para atender às diferentes necessidades dos clientes com base nos requisitos de energia, tamanho da embarcação, aplicação, tempo no mar, iniciativas de sustentabilidade, etc. Essas soluções incluem geração de energia de baixa tensão, células de combustível PEM, sistemas de armazenamento de energia de bateria, sistemas de recuperação de calor residual e muito mais.

“Fornecemos sistemas elétricos integrados. Pelo menos para o setor marítimo, não fabricamos motores a diesel”, observou Fuller. “Portanto, somos meio agnósticos em relação a motores a diesel… e ao combustível que você queima no seu propulsor principal.

“Agora, estamos muito interessados porque essa é uma parte fundamental no fornecimento do sistema de propulsão de um navio. Os parâmetros do navio são importantes. Mas não somos nós que decidimos que tipo de [motor ou] combustível você vai usar.”

O Departamento de Transportes do Texas está utilizando a tecnologia BlueDrive PlusC e o sistema de armazenamento de energia BlueVault da Siemens Energy para ajudar a balsa Esperanza “Hope” Andrade a reduzir emissões, melhorar o desempenho e otimizar os custos operacionais. A balsa entrou em operação em 8 de março de 2024. (Foto: Siemens Energy)

Para garantir que todos os elementos funcionem de forma eficaz em conjunto, a colaboração com o proprietário, o arquiteto naval, a empresa de engenharia e o construtor naval é essencial. "Precisamos entender quais são os requisitos do operador — o que é importante para ele. Esta embarcação precisa ter um determinado alcance? Precisa ter um certo grau de confiabilidade?", ponderou Fuller. "Como é o ciclo de trabalho deles? Quantos dias eles ficarão no mar? Qual o alcance que precisam atingir sem reabastecimento? Há muitos fatores operacionais que determinam todo o projeto."

Tanto os custos de construção quanto os custos operacionais também devem ser levados em consideração. "É preciso entender qual é o orçamento do cliente. Mesmo que se trate de um navio da Marinha ou de um navio de pesquisa operado por [alguma] agência governamental ou quase governamental, ainda há limites para seus orçamentos", enfatizou Fuller.

Ser contratado com antecedência pode fazer toda a diferença. "Às vezes, somos contratados antecipadamente pelas empresas de arquitetura naval e, em seguida, construímos o sistema", disse Fuller. "Às vezes, [eles] pelo menos acham que já sabem o que têm e dizem: 'Ei, vão construir isso'."

Muitas vezes, se não tivessem alguém como nós ou mesmo nossos concorrentes para aconselhá-los, talvez não tivessem acertado em cheio. Mas a maioria deles conhece suas limitações... Eles te dão uma solução básica, e aí você os ajuda a refiná-la e chegar a uma solução melhor.

Vantagens do LVDC

Uma das soluções mais comuns, que vem sendo implementada em um número crescente de embarcações menores, é o sistema de propulsão e energia BlueDrive PlusC da Siemens Energy. Este sistema de corrente contínua de baixa tensão (LVDC) incorpora grupos geradores de velocidade variável, sem escovas e síncronos, especialmente projetados para fornecer uma gama de frequências e tensões para embarcações a diesel, bicombustível ou a gás.

O BlueDrive PlusC utiliza um sistema de gerenciamento de energia para controlar os motores e atingir a velocidade ideal com base na capacidade de torque. De acordo com a Siemens Energy, isso reduz o consumo de combustível ao regular a velocidade, ajustar o conjunto de motores conforme necessário e operar os motores com a menor potência possível.

“A tecnologia LVDC com geradores de velocidade variável foi desenvolvida há mais de uma década, principalmente para embarcações offshore que precisavam de alta confiabilidade e minimizar seus custos operacionais”, disse Fuller. “Estamos usando geradores de velocidade variável para [possibilitar] a saída de energia do diesel suficiente para fornecer a energia necessária.”

O Edda Freya é um navio de construção avançado, com propulsão híbrida, adequado para operações em todo o mundo. Considerado o maior navio offshore híbrido a bateria do mundo, o Edda Freya utiliza o sistema de propulsão BlueDrive PlusC e o sistema de armazenamento de energia BlueVault da Siemens Energy. (Foto: Siemens Energy)

Um gerador a diesel tradicional normalmente opera na velocidade máxima, independentemente da carga. "Então, você está injetando muito combustível nos injetores que não está sendo queimado de forma eficiente", disse ele. Com os geradores de velocidade variável, "se o diesel estiver com 30% de carga, ele estará operando em rpm e potência mais baixos, e você estará injetando menos combustível. Portanto, você estará economizando combustível."

Segundo Fuller, diversos operadores de embarcações estão observando uma redução de 20% a 30% no consumo de combustível com a solução LVDC. Eles também estão observando uma redução no desgaste do motor.

“Alguns dos nossos operadores nos dizem que estão reduzindo em 20% a manutenção de motores a diesel, o que representa uma grande despesa operacional”, observou Fuller. “[Outros] nos dizem que estão eliminando a necessidade de uma revisão completa da parte superior de alguns de seus motores a diesel devido à forma como são operados. Portanto, para eles, isso representa uma enorme economia operacional.”

Outros benefícios citados por Fuller incluem um tamanho menor, menos componentes e um peso mais leve em comparação a um sistema elétrico integrado CA de velocidade constante tradicional.

Além disso, o BlueDrive PlusC pode ser combinado com o Sistema de Armazenamento de Energia BlueVault, que utiliza uma bateria avançada de íons de lítio para armazenar o excedente de energia enquanto a embarcação estiver em operação e distribuí-lo sob demanda. Esse sistema pode fornecer redundância em caso de "acidente" no sistema.

“Você tem uma bateria que pode basicamente substituir um gerador a diesel completo até que você possa ligar outro”, explicou Fuller. “A bateria assume a carga e, alguns minutos depois, você coloca outro gerador a diesel em operação e a vida volta ao normal.”

O primeiro híbrido de hidrogênio do mundo

Atualmente, a Siemens Energy possui cerca de 60 referências de embarcações nos EUA, com uma parcela considerável utilizando a tecnologia LVDC. A empresa também iniciou um projeto com a Guarda Costeira Canadense utilizando LVDC em uma embarcação multifuncional diesel-elétrica.

Mas talvez o projeto mais notável em que a Siemens Energy esteja envolvida seja o da Instituição Scripps de Oceanografia da Universidade da Califórnia em San Diego. A Scripps encomendou um novo navio de pesquisa de classe costeira (CCRV), que se tornará o primeiro navio de pesquisa híbrido de hidrogênio do mundo.

Proposta de renderização conceitual do novo Scripps CCRV, que deverá se tornar o primeiro navio de pesquisa híbrido de hidrogênio do mundo. (Fonte: Glosten)

O sistema de propulsão baseado em células de combustível de hidrogênio do CCRV funcionará em conjunto com uma usina de energia diesel-elétrica de corrente contínua de baixa tensão, que fornecerá energia suplementar para missões mais longas. No entanto, para 75% de suas operações, o CCRV dependerá inteiramente de hidrogênio para propulsão.

“Para eles, era muito importante atingir zero emissões”, disse Fuller. “O hidrogênio é a maneira de fazer isso… Dimensionamos a usina de hidrogênio e os sistemas de energia para que 75% do tempo, pelo menos do tanque até a esteira, sejam livres de carbono.”

O projeto do CCRV híbrido está sendo liderado pela empresa de arquitetura e engenharia naval Glosten, com a Siemens Energy como integradora elétrica e a Ballard Power e a Chart Industries selecionadas como principais fornecedores de equipamentos para o sistema de hidrogênio. O sistema elétrico integrado fornecido pela Siemens Energy inclui o BlueDrive PlusC LVDC e um Sistema de Armazenamento de Energia BlueVault, que proporcionará redução de picos de consumo e geração de energia em ponte, além de operação totalmente elétrica por curtos períodos, se necessário.

“Temos um pequeno pacote de armazenamento de energia lá para que o navio possa partir. Ele tem três pequenos geradores a diesel alimentando o sistema LVDC”, explicou Fuller. “Temos 1,2 MW de células de combustível [fornecidas pela] Ballard, uma empresa europeia de células de combustível, e um tanque de hidrogênio criogênico de 1.200 kg, que a Chart Industries [está fornecendo].”

Com o ciclo de projeto inicial concluído recentemente, uma solicitação está sendo finalizada para convidar licitações de estaleiros para construir o navio, com o objetivo de fazer uma seleção de estaleiro este ano.