Eficiência Energética de Navios como o fator chave para decidir entre renovar ou desmantelar

Muitos navios têm sido desmantelados tendo em consideração a sua eficiência energética, que se tornou um problema ambiental e que contribuiu para a não sustentabilidade dos materiais. A renovação de navios existentes com o objectivo de melhorar os seus custos operativos pode ser vista como uma abordagem sustentável.

Este artigo foca-se no uso de procedimentos específicos para determinar e avaliar as ações de melhoria da energia do navio e a sua avaliação técnica e económica, permitindo assim apoiar a decisão de renovar ou desmantelar. Este artigo tem como referência vários navios existentes.

Introdução

A eficiência energética está intimamente ligada com os custos do combustível e estes com a competição de Mercado do navio assim como com o ambiente. Em 2007 a indústria naval foi responsável por aproximadamente 3.3% das emissões globais de dióxido de carbono (1 bilião de toneladas). Se a indústria naval fosse uma nação, esta quantidade faria dela a sexta maior emissora de dióxido de carbono no mundo, sendo apenas ultrapassada pela China, os Estados Unidos, Rússia, Índia e Japão.

A indústria naval internacional, excluindo a parte doméstica e das pescas, emitiu 2.7% das emissões globais (870 milhões de toneladas) no mesmo ano. A maioria vem de navios de carga, que conta com 89% de tonelagem bruta da frota global.

As emissões de navios não se limitam apenas ao dióxido de carbono, outros poluentes como o SO_x, NO_x, PM, VOCs e CO são também emitidos e responsáveis por impacto nas sociedades, tais como doenças cardio-respiratórias e oncológicas.

Em media a indústria naval global tem crescido em cerca de 3% por ano, nas últimas três décadas e as emissões têm sido estimadas em aumentar mais de 20% até 2020 e 50% até 2030, acima dos níveis de 2007. Na ausência de políticas de redução de emissões, os cenários prevêem de uma duplicação para uma triplicação dos níveis de emissões até 2050.

No entanto, uma parte considerável da atual frota é relativamente jovem e irá estar potencialmente ao serviço muitos mais anos. Aproximadamente metade da frota mundial tem 20 anos de idade ou até menos. No entanto, por tonelagem bruta metade da frota tem 10 anos ou menos.

Em média a vida de um navio ronda entre os 30 e os 40 anos, previsivelmente estes navios estarão na água nas próximas décadas. Por conseguinte, a redução das emissões resultantes da supressão de navios mais eficientes será muito lenta. Dito isto, o que é que a indústria pode fazer para ultrapassar este problema?

A resposta não é simples uma vez que existe um número de fatores limitantes que podem ser contrários em várias direções, não sendo fácil encontrar uma solução.

Apesar das técnicas avançadas dos sistemas de navios de hoje em dia, a maioria dos armadores ainda estão a encomendar navios com o mínimo de sistemas de poupança de energia, normalmente eles procuram o mais barato e não necessariamente o mais eficiente. Na verdade, os custos de não investir em sistemas de energia de navios pode ser tanto como os investimentos que fazem ao longo da vida inteira do navio.

Figura 1 – Segregação de energia de um pequeno navio de carga, Beaufort 6.
(Segundo Estudo de GEE da IMO 2009)

Por outro lado, as taxas de frete do mercado não estão a ajudar a indústria naval a implementar navios mais eficientes energeticamente, pelo contrário, estas taxas empurram os armadores para navios mais baratos, uma vez que reduzem o dinheiro de sobra, deixando quase nada para os investimentos.

Por fim, apesar dos avanços da tecnologia na maquinaria principal e auxiliar, a eficiência térmica de motor de dois tempos de velocidade lenta está apenas a 50%, o que significa que 50% do combustível está a ser desperdiçado. A eficiência térmica global de um pequeno navio de 6000 TDW é apenas 33% eficiente, o que significa que 67% da energia está a ser desperdiçada.

Sintetizando, é possível dizer-se que a solução não cai apenas sob os armadores, mas também sob as autoridades e as taxas do mercado que podem implementar um esquema de mercado de CO₂, idêntico ao que existe na indústria terrestre.

Durante os anos recentes, os navios têm sido desmantelados devido à alegação de não serem suficiente eficientes em termos energéticos, e têm sido substituídos por navios que infelizmente apenas são ligeiramente mais eficientes energeticamente. De facto, desde à um século e meio que a eficiência energética dos navios tem sido apenas à volta dos 25 a 35%, isto significa que no seu melhor 65% da energia está a ser desperdiçada na forma de calor. Apenas uma fração da energia do combustível utilizada pelo motor principal do navio está realmente a gerar impulso de propulsão.

Isto está ilustrado na Figura 1, que representa um pequeno cargueiro com uma boa manutenção a mover-se a 15 nós em condições meteorológicas Beaufort 6. A barra de baixo neste diagrama representa a entrada de energia do motor principal vinda do combustível para cada um dos que necessitam de energia utilizada em geradores e caldeiras auxiliares. Neste caso, 43% da energia do combustível é convertida em potência do eixo e o restante é energia perdida em sistemas de exaustão ou de refrigeração e radiação.

Devido a perdas na hélice e em sistemas de transmissão, apenas 28% da energia vindo do combustível que alimenta o combustível principal gera impulso de propulsão neste exemplo. A restante energia acaba como calor, gases escape e perdas de transmissão e da hélice. A maioria destes restantes 28% é gasto a superar o atrito do casco, enquanto que a restante energia é gasta em superar a resistência do ar e das condições meteorológicas, como perdas residuais e para a geração de ondas. Adicionalmente a isto existe a energia do combustível para o funcionamento dos motores auxiliares.

Porque é que as empresas estão a considerar o problema de substituição de um navio?

Em particular, nos dias de hoje, os navios são ativos que precisam de gerar um retorno de investimento mais alto do que as taxas de juro que os bancos ofereceram. Apenas quando um navio não está a gerar as taxas previstas de rentabilidade é que o investidor pode pensar em substituir a unidade. Os custos de um navio podem ser agrupados em três tipos principais: custos capital, custos fixos e custos operacionais, e os quatro principais parâmetros para investir num navio são o Cash Flow gerado, custos para manter o navio em operação, a duração do investimento e a taxa de retorno do capital investido.

Assim, o rendimento do navio depende fortemente dos seus custos fixos (tripulação, manutenção e seguros, e da gestão do navio de forma proporcional) e os custos operacionais (combustível, óleos lubrificantes e taxas de portos). Portanto, a variação das taxas de rendimento é controlada maioritariamente pelos custos fixos e operacionais do navio, de uma forma que a manutenção depende da idade do navio assim como o seu seguro, mas também a sua eficiência do combustível.

No entanto, o mercado está constantemente a lançar novas taxas de frete, baseado nas ofertas de transporte e do desempenho económico das várias sociedades e mercados. Considerando que os custos da tripulação estão otimizados assim como a gestão do navio e as taxas de porto, então as únicas variáveis que são otimizáveis são o consumo de combustível e a manutenção. Tipicamente os armadores pesam as seguintes possibilidades:

a) A primeira possibilidade é manter o navio por um período de tempo adicional, mas para isso é necessária uma renovação de tal forma que se torne lucrativo no mercado existente durante os próximos N anos;

b) Aquisição de um navio substituto que irá assegurar nos próximos X anos o lucro desejado, isto significa que o navio tem de ser muto eficiente. No entanto, na maioria das vezes isto irá requerer um investimento extra em sistemas de otimização de recuperação de energia. Esta decisão é difícil de suportar tendo em conta a volatilidade e o risco aumentado, pelo menos em alguns setores de transporte marítimo.

Navios Existentes

A duração e a magnitude dos Cash Flows são caracterizadas pelos custos de Baixo capital e pelos altos custos de operação. Estes navios necessitam de ter uma vida restante suficientemente longa para recuperar o investimento da renovação. A decisão de investir num projeto de renovação deve considerar os seguintes aspetos:

a) O navio existente em serviço está em condições satisfatórias em termos de cascos e maquinaria, e a maquinaria pode ser melhorada;
b) Identificar quais os requisitos que uma renovação traz ao navio que sejam aceitáveis em termos de normas internacionais, ambientais e operacionais;
c) Os custos do projeto de renovação;
d) A taxa de retorno expectável do investimento da renovação do navio;
e) Requisitos futuros do Mercado que garantam a ocupação desejada;
f) A imagem de cargueiros;
g) O valor do navio tal como ele é, e o seu valor depois de renovado.

Novos Navios

Assumindo que os armadores conseguem investir num navio novo em termos de eficiência energética para reduzir custos operacionais e uma especificação de projeto mais adequada para o mercado pretendido onde funcionará, tal como o volume da carga, draft, tipo de casco mais adequado. Para esta decisão de investimento devem ser considerados os seguintes aspetos:

a) Altos Custos de Capital e baixos Custos Operacionais;
b) O valor real do navio a ser substituído (no limite do valor da demolição);
c) c) A imprevisibilidade do mercado atual.

É importante esclarecer a diferença de qual é a situação durante a substituição – reformular o estudo do navio. É importante identificar claramente se estamos perante um caso de obsolência ou de deficiência física.

Por definição, a obsolência é utilizada para descrever os efeitos das mudanças no ambiente externo do navio. Tal ocorre como um resultado contínuo de melhoria da ciência e da tecnologia do equipamento abordo, ou do navio. Normalmente, quando um navio não é mais capaz de operar ou preencher os requisitos do Mercado.

Por exemplo, estruturais de petroleiros foram substituídos pelo dobro do casco de petroleiros. Considerando que, a deficiência física por definição refere-se apenas a alterações na condição física do navio em si. Isto pode levar a uma diminuição do valor dos serviços prestados, aumentando o custo operacional, ou uma combinação.

Navios de passageiros podem ser remodelados ou melhorados e tornarem-se muito rentáveis, uma vez que este tipo de navios tem um tipo particular de cliente. Este é o exemplo do S.S. DELPHINE, que foi lançado em 1921, e ainda está operacional. O S.S. DELPHINE (figura 2), depois de ter sido otimizado energeticamente pela TecnoVeritas teve uma redução de 29% do consumo de combustível, cortando drasticamente em custos fixos e recendo uma vertente mais verde em melhoramentos técnicos.

Para os critérios de análise do investimento não é usual considerar que a vida física do navio coincida com o período de investimento, pois normalmente é assumido que o período de investimento é suficientemente pequeno para negligenciar mudanças possíveis no Mercado que habitualmente são consideradas antes do investimento no navio, apesar de tal já não ser aceite em determinados tipos comércios.

Considerando que um navio tem T anos e é esperado que a sua vida útil seja E, então é recomendado estabelecer um tempo para o investimento:

n = E – T

Mas, E precisa de ser estabelecido tendo por base motivos técnicos de pessoal técnico especializado, uma vez que este valor varia com o tipo de navio, as dimensões, a sofisticação técnica, os cenários de operação, etc.

Figure 2 – S.S. DELPHINE at Navalria shipyard Aveiro Portugal

Como avaliar a tomada de decisão?

Em referência às figuras 3 e 4, um armador precisa de saber exatamente o que fazer para otimizar os custos operacionais (combustível e lubrificantes) e em quanto é possível reduzir os custos do combustível para tornar o navio mais competitivo no mercado novamente.

Figura 3 – A Exclusão do Mercado de navios com excesso de custos.

Figura 4 – A aceitação de navios remodelados pelo Mercado.

Depois de uma auditoria energética detalhada de um navio existente, um número de ações de poupanças de energia pode ser prescrito e simulado, e pode ser desenvolvido um orçamento. Tal orçamento precisa de ser preparado cuidadosamente, uma vez que tem de ser realista e olhar para um número de anos futuros.

Um outro fator é o valor do navio tal como ele é, e o lucro que o armador pode fazer, investindo noutro navio, por exemplo.

O que pode ser feito

Apesar da introdução do EEDI (Energy Efficiency Design Index), a decisão de investir num novo navio é baseada em razões económicas. O novo navio deve ir de encontro a certas especificações, por exemplo, o comprador está à procura de comprar um navio pelo mais baixo preço possível, que satisfaça todas as necessidades em termos de negócio e regulamentos.

Embora as ofertas tenham de incluir um pacote compreensível, não apenas de maquinaria, mas também um pacote de sistemas de recuperação de energia. De facto, considerando a figura 1 é possível dizer que 57% da energia do combustível é gasta na forma de calor através de gases de escape e sistemas de arrefecimento (água e óleo).

Se o navio é considerado no total, ou seja, é considerado não apenas o sistema principal de propulsão, mas também os geradores auxiliares e a caldeira, então no geral a eficiência do navio é ainda menor. Considerando que o casco, bem como outros equipamentos/partes do navio, estão em condições aceitáveis, então o navio pode ter um Mercado ainda por um número de anos e assumindo que todas as boas práticas operacionais estão a ser executadas, permite-nos concentrar em alguns exemplos de otimização e recuperação de energia abordo.

Tabela 1 – Comparação entre novo e um navio remodelado.

Ao inspecionar a figura 1, parece evidente que todos os esforços devem ser postos em prática para recuperar a energia disponível como desperdício do motor principal e dos motores auxiliares, maioritariamente derivados de gases de escape e sistemas de arrefecimento, que ascendem a mais de 57% do total de energia do combustível.

Ajuste do motor principal para a operação do navio. Uma ação de otimização de baixo custo.

Uma das formas mais eficientes de poupar combustível é a implementação slow steaming. Apesar de a maioria dos motores não estarem sincronizados para o fazer, é importante fazer uma caracterização apropriada das condições de operação do motor, para verificar se o motor está a ser operado nas suas melhores condições.

Dos livros de registo e em referência ao protocolo de compra do motor ou das provas de mar, o gráfico mostra o SFOC como a função da carga do motor está traçada, em conjunto com as horas de funcionamento, tal como pode ser visto na figura 5, o motor funciona a maioria do tempo a 85% da carga, no entanto, a SFOC otimizado está a 75% de carga, assim sendo os ajustes do motor devem ser feitos de forma a que o SFOC otimizado coincida com a carga do motor que ocorra durante um maior número de horas de operação. Neste caso, é possível alcançar poupanças de 4g/kWh.

Para os geradores diesel, o mesmo procedimento aplica-se, mínimo da curva do SFOC (g/kWh) deve coincidir com a carga do motor que é operada a maioria do tempo de funcionamento do motor. No caso ilustrado na figura 5, o mínimo da curva deve corresponder a 85% MCR em vez de 90% MCR, poupando assim 3g/kWh. Se possível a curva do SFOC deve ser otimizada para outros pontos de carga.

Figura 5 – Gráfico que mostra SFOC (g/kWh) e as horas funcionamento de um ano em função da carga do motor.

Figura 6 – Otimização de Geradores Diesel.

Disponibilidade de Calor & Eficiência Térmica como função de carga e SFOC

Similarmente, a combinação dos economizadores com o motor é absolutamente crucial para otimizar a recuperação de calor numa planta. A Figura 7 representa a disponibilidade do calor para recuperação (área abaixo da curva azul) e o calor usado para a produção de energia corresponde à área entre a linha vermelha e a linha azul, e finalmente a resultante da eficiência termal do motor diesel.

O Gráfico da figura 7 representa a disponibilidade do calor para recuperação, apesar de baixas temperaturas de gases de escape são impostas para evitar a condensação de ácido sulfúrico, e isto limita a função do enxofre no combustível.

Figura 7 – A Correspondência de Caldeiras de Gás de Escape e Economizadores.

Otimização do Sistemas de arrefecimento de água

Neste Sistema os variantes de velocidade são controlados por um sensor de temperatura inserido na entrada no sistema de arrefecimento do motor, assim o fluxo da água do mar é ajustado em função da necessidade do motor.

Um dos consumidores de energia mais importantes a bordo é o Sistema de arrefecimento de água, uma vez que estes sistemas funcionam a maioria do tempo, e muitas vezes, em particular, se estiverem em titânio, têm área reduzida de transferência (menos placas, custos mais baixos) equipados com uma bomba de taxa de fluxo elevada.

Figura 8 – Esquema simplificado de um sistema de arrefecimento retroativo de geradores.

Figura 9 – O Aspeto de Circulação de bombas de arrefecimento SW e os seus respetivos variadores de velocidade (à esquerda).

Um navio porta contentores 5000 TEU com um Sistema convencional de arrefecimento para geradores, baseou-se em duas bombas de água do mar que funcionam o tempo todo em plena capacidade correspondendo a 80 kW de carga elétrica, 340 dias/ano, tendo a regulação da temperatura com base numa válvula termostática. Assumindo que os custos de HFO são de US$350/Ton. O consumo específico de combustível dos geradores é de 0.235kg/kWh. Sabe-se que um VSD quando montado e ajustado adequadamente, irá produzir uma média de poupanças de energia de 20%, e o custo de aquisição, instalação e comissionamento de um duplo VSD (um para cada bomba SW) é US$130.000.

Consumo de combustível evitado: 61.36 ton/ano; Custos anuais de combustível evitados = US$21.477; Emissões de CO₂ anuais evitadas = 196.72 ton CO₂/ano; Retorno do investimento = 6 anos.

Usos de calor abordo.

Particularmente interessante para navios de passageiros, é o uso exaustão de calor do motor principal para produzir água gelada. Utilizando um refrigerador de absorção de Lithium Bromide (BrLi), o uso de refrigeradores mecânicos para ar condicionado pode ser potencialmente minimizado tal como referido no seguinte exemplo:

O uso de desperdício de calor originário de gases de escape de geradores auxiliares para hotéis e para a casa das máquinas de um navio de cruzeiro para 350 passageiros. O navio tem quarto refrigeradores elétricos que operam a uma média de 3 COP, originando água refrigerada a 7ºC.

O projeto considerou o uso de um refrigerador de absorção marítimo com uma média de COP igual a 1. Também do diário de bordo de operação é sabido que dois dos três refrigeradores eletromecânicos estão habitualmente em operação, iniciando a terceira unidade muito frequentemente.

Dois dos quatro geradores diesel estão sempre em operação independentemente de estar em porto ou no mar, deste modo é utilizado caldeiras de gás de escape para os dois geradores, é possível dirigir o refrigerador de absorção usando o calor do gás de exaustão que é adicionado para o tambor da caldeira auxiliar existente. Usando a WHRS (waste heat recovery system) para recuperar o calor de exaustão dos geradores a água quente a 95ºC, é possível executar um refrigerador de absorção tornando possível parar pelo menos um refrigerador eletromecânico de energia elétrica de 130 kW. A solução remete para um trocador de gás para água quente por gerador.

As poupanças atingidas com as ações WHR são na ordem dos US$ 394.000 por ano evitando emissões de 2693 tons de CO₂ e um retorno de investimento de 9 meses.

Trabalho futuro sobre sistemas de recuperação de calor desperdiçado e armazenamento de energia

O uso não convencional de sistemas de recuperação de calor desperdiçado, conversão e acumulação compatíveis com o espaço do navio e o ambiente é altamente desejável, como motor diesel tem uma maior confiabilidade, binário e energia, que são imbatíveis por nenhuma das tecnologias alternativas possíveis.

A captura e o armazenamento de uma forma utilizável da energia desperdiçada de motores diesel, é fundamental para melhorar a eficiência energética do navio, nomeadamente o armazenamento da energia no vetor de energia tal como o hidrogénio, que pode ser utilizado como combustível para motores diesel, portanto pode ser utilizado como combustível em porto, virtualmente sem poluição.

A conversão de sistemas, pode ser um ORC (Organic Rankine Cycle) que converta a energia térmica rejeitada a temperaturas relativamente baixas utilizando fluídos orgânicos como R245fa com baixos pontos de ebulição e expandindo numa turbina, produzindo energia elétrica, que dirigindo um eletrolisador pode produzir hidrogénio, que, após ser armazenado, pode ser utilizado como combustível nos motores diesel a bordo.

Esta solução ORC pode não ser a mais eficiente, mas é uma forma de recuperar cerca de 10% da energia desperdiçada, havendo assim espaço para melhorias.

Outros sistemas de propulsão

Existem outros sistemas que podem provar eficientemente, tais como a onda de propulsão, por exemplo, a instalação de um ou dois hidrofólios que ajudem a reduzir a energia efetiva requerida. Estes sistemas podem contribuir para 30% da energia de propulsão requerida.

Um dos objetivos deste artigo é para fazer as pessoas que tomam decisões pensar nas razões que levam os armadores a descartar navios que ainda têm muitos anos de operação para vir, alguns com menos de metade da sua vida útil. Tais decisões dificilmente conseguem ser suportadas em termos de custos operacionais, uma vez que a maioria dos navios são atualizáveis, tornando-se novamente competitivos no mercado de hoje em dia.

O Mercado atual é extremamente volátil e a compra de novas decisões deve se bem suportada com contratos de longo termo que já não existem, assim aumenta o risco de investir num novo navio, em vez da remodelação de um navio já existente. A maioria dos Eco-navios não trazem uma riqueza de melhoria e por isso não garantem a competição desejada, mas trazem com eles um ótimo negócio de investimento de risco.

O ajuste dos motores principais para o perfil real de energia-velocidade, em particular, se operarem a slow steaming ou a super slow steaming pode reduzir o SFOC em mais de 10%, contribuindo para custos mais baixos de combustível, baixas emissões e baixos custos de manutenção.

Dependendo no tipo de navio, carregamento de cargas elétricas podem ser importantes, isso é o caso do navios porta-contentores. Por isso, é importante que porta-contentores estejam em boa ordem de trabalho no convés, mas também que os sistemas de arrefecimento estejam otimizados em termos de consumos. Isto pode ser assegurado utilizando VSD (Variable speed drives).

O foco na otimização de energia, mas também em recuperação de energia, é fundamental para qualquer tipo de navio, portanto alguns exemplos dados são apenas ilustrativos do que pode ser um sistema de recuperação de energia. O uso da tecnologia de hidrogénio pode ser também uma forma para armazenar a recuperação.

Como conclusão final, um estudo de remodelação detalhado de um navio deve ser baseado numa auditoria energética detalhada e uma caracterização do navio em estudo, baseado não apenas nos sistemas existentes, mas também no diário de bordo. Para uma correta tomada de decisão é fundamental avaliar as vantagens de remodelação de um navio.