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METODOLOGIA PARA REDUÇÃO DE CONSUMO DE … · iii metodologia para reduÇÃo de consumo de...
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Universidade Federal do Rio de Janeiro
METODOLOGIA PARA REDUÇÃO DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL DE NAVIOS
MERCANTES
Thiago Tofani Mello Moraes
2017
ii
METODOLOGIA PARA REDUÇÃO DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL DE NAVIOS
MERCANTES
Thiago Tofani Mello Moraes
Projeto de Graduação
apresentado ao Curso de
Engenharia Naval e Oceânica da
Escola Politécnica, Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro
Naval e Oceânico.
Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto
Rio de Janeiro
Setembro de 2017
iii
METODOLOGIA PARA REDUÇÃO DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL DE NAVIOS
MERCANTES
Thiago Tofani Mello Moraes
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO NAVAL E
OCEÂNICO.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Luiz Antônio Vaz Pinto, D. Sc.- Professor Orientador
________________________________________________
Prof. Luiz Felipe Assis, D. Sc.
________________________________________________
Prof. Jean-David Job Emmanuel Marie Caprace, Ph. D.
________________________________________________
Prof. Ulisses A. Monteiro, D. Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
Setembro de 2017
iv
Moraes, Thiago Tofani Mello
Metodologia para Redução de Consumo de Combustível
de Navios Mercantes / Thiago Tofani Mello Moraes - Rio de
Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2017.
XI, p. 88 :Il.; 29,7 cm
Orientador: Luiz Vaz Antônio Pinto
Projeto de Graduação - UFRJ / POLI / Engenharia Naval e
Oceânica, 2017.
Referências Bibliográficas: p. 86- 88.
1. Redução do Consumo de Combustível. 2.
Velocidade Constante. 3. Variação da Potência. 4. Slow
Steaming. 5. Algoritmo de Dijkstra. Pinto, Luiz. II Universidade
Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Escola Politécnica, Curso de
Engenharia Naval e Oceânica. III. Titulo.
v
AGRADECIMENTOS
Não poderia ter chegado ao final dessa jornada sem o apoio de pessoas importantes
presentes na minha vida. Agradeço à minha mãe Andrea que sempre esteve ao meu
lado me apoiando e incentivando. Ao meu avô Ezio que sempre foi meu companheiro
em todos os momentos. Às minhas avós Alice, Juracy, e minha tia avó Graça por
cuidarem de mim na minha infância ensinando os caminhos corretos da vida. Ao meu
pai Antônio que mesmo longe, eu sabia que podia contar. À minha namorada Fabiana
que esteve comigo na maior parte dos bons momentos e me aturou nos difíceis. E a
minha grande família. Não podia deixar de mencionar meus amigos de dentro e fora
da faculdade e aos meus orientadores deste projeto, Luiz Vaz e Luiz Felipe.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica / UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e
Oceânico.
Metodologia para Redução de Consumo de Combustível de Navios Mercantes
Thiago Tofani Mello Moraes
Setembro / 2017
Orientador: Luiz Antônio Vaz Pinto
Curso: Engenharia Naval e Oceânica
A redução do consumo de combustível é um desafio diário de engenheiros desde a
criação de máquinas a combustão. Na navegação, o combustível tem um potencial
muito grande para aumentar significantemente o custo de uma viagem. Por isso,
armadores em épocas de alta dos preços optam por reduzir a velocidade de serviço
abaixo da velocidade de projeto a fim de economizar combustível. Por outro lado, a
economia pode ser auxiliada pela escolha de uma rota que proporcione um menor
consumo ao levar em consideração o estado de mar de uma região. Com o intuito de
desvendar rotas que minimizem o consumo, neste projeto será considerado um
algoritmo de otimização de rota que retorne aquela de menor consumo para uma
embarcação navegando em velocidade constante segundo um cenário climático
favorável. A função de consumo será extraída ao se projetar o motor do sistema
propulsivo considerando a margem de mar variável em cada ponto da rota pela qual a
embarcação navegará, sendo essa a tradução da perda involuntária de velocidade em
resistência adicional que será somada a resistência em águas calmas para formar a
resistência total ao avanço. Ao final, reduções sucessivas de velocidade serão
simuladas, com o objetivo de verificar a melhor velocidade de operação segundo
cenários econômicos envolvendo indicadores de preço de combustível,
principalmente.
Palavras-Chave: Redução do Consumo de Combustível, Velocidade Constante,
Variação da Potência, Slow Steaming, Algoritmo de Dijkstra
vii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for the degree of Naval Architecture and Marine Engineering.
Methodology for Reducing Fuel Consumption of Merchant Ships
Thiago Tofani Mello Moraes
September / 2017
Advisor: Luiz Antônio Vaz Pinto
Course: Naval Architecture and Marine Engineering
Reducing fuel consumption is a daily challenge for engineers since the creation of
combustion engines. In navigation, fuel has a very large potential to significantly
increase the cost of a trip. Therefore, ship owners in times of high prices choose to
reduce the speed of service below the design speed in order to save fuel. On the other
hand, the economy can be aided by the choice of a route that provides a lower
consumption when taking into account the sea state of a region. In order to discover
routes that minimize consumption, in this project will be considered a route optimization
algorithm that returns the one of the lowest consumption for a vessel sailing at constant
speed according to a favorable climatic scenario. The consumption function will be
extracted when designing the engine of the propulsive system considering the variable
sea margin in each point of the route by which the boat will sail, being this the
translation of the involuntary loss of speed in added resistance that will be added to the
resistance in still water to form the total resistance. At the end, successive reductions
of speed will be simulated, in order to verify the best speed of operation according to
economic scenarios involving fuel price indicators, mainly.
Keywords: Reduction of Consumption, Constant Velocity, Power Variation, Slow
Steaming, Dijkstra Algorithm
viii
Índice Geral
1. Introdução .............................................................................................................. 1
2. Slow Steaming ....................................................................................................... 3
2.1. Histórico ......................................................................................................... 3
2.2. As Vantagens do Slow Steaming .................................................................... 4
2.2.1. Redução no Consumo de Combustível.................................................... 4
2.2.2. Redução de Emissões de Gases Poluentes ............................................ 4
2.2.3. Absorção do Excesso de Capacidade ..................................................... 5
2.3. Desvantagens do Slow Steaming ................................................................... 6
3. Metodologia ........................................................................................................... 7
3.1. Obtenção da Resistência Adicional ................................................................ 7
3.2. Projeto do Sistema Propulsivo ...................................................................... 11
3.3. Consumo de Combustível ............................................................................. 26
3.4. Algoritmo de Dijkstra e Aplicação na Navegação .......................................... 26
3.5. Avaliação Econômica ................................................................................... 33
4. Estudo de Caso ................................................................................................... 37
4.1. Rota e Consumo para Quinze Milhas Náuticas por Hora .............................. 46
4.2. Rota e Consumo para Quatorze Milhas Náuticas por Hora ........................... 49
4.3. Rota e Consumo para Treze Milhas Náuticas por Hora ................................ 52
4.4. Rota e Consumo para Doze Milhas Náuticas por Hora ................................. 55
4.5. Rota e Consumo para Onze Milhas Náuticas por Hora ................................. 58
4.6. Rota e Consumo para Dez Milhas Náuticas por Hora ................................... 61
4.7. Rota e Consumo para Nove Milhas Náuticas por Hora ................................. 64
4.8. Rota e Consumo para Oito Milhas Náuticas por Hora ................................... 67
4.10. Resumo após encontrar as rotas .............................................................. 70
4.11. Cenários Econômicos ............................................................................... 71
4.11.1. Cenário Econômico 1 ......................................................................... 74
4.11.2. Cenário Econômico 2 ......................................................................... 76
ix
4.11.3. Cenário Econômico 3 ......................................................................... 78
4.11.4. Cenário Econômico 4 ......................................................................... 80
5. Análise de Resultados ......................................................................................... 82
6. Conclusão ............................................................................................................ 85
7. Referências Bibliográficas ................................................................................... 86
x
Índice de Figuras
Figura 1 - Motor MAN Two Strokes ME-C Application ................................................ 11
Figura 2- Exemplo de como obter os coeficientes ....................................................... 14
Figura 3 - Catálogo de motores MAN .......................................................................... 18
Figura 4- Exemplo de rota A para B ............................................................................ 19
Figura 5- Exemplo de grade da rota A-B ..................................................................... 20
Figura 6 - Exemplificação de resistência adicional (W, E, N e S) ................................ 21
Figura 7-Exemplificação de resistência adicional (NW, NE, SW e SE) ....................... 21
Figura 8-Exemplificação de resistência adicional (W, E, N e S) .................................. 22
Figura 9-Exemplificação de resistência adicional (NW, NE, SW e SE) ....................... 22
Figura 10-Coeficientes Interpoladores Série B ............................................................ 24
Figura 11- Exemplificação para a primeira etapa da rotina do algoritmo ..................... 28
Figura 12- Exemplificação para a segunda etapa da rotina do algoritmo .................... 29
Figura 13- Exemplificação para a terceira etapa da rotina do algoritmo ...................... 30
Figura 14- Exemplificação para a quarta etapa da rotina do algoritmo ........................ 30
Figura 15- Exemplificação para a quinta etapa da rotina do algoritmo ........................ 31
Figura 16- Custos e contratos do transporte marítimo ................................................ 34
Figura 17- Oceano Atlântico ....................................................................................... 37
Figura 18-Oceano Índico ............................................................................................ 38
Figura 19- Vista da região de ré da forma do capesize objeto de projeto .................... 39
Figura 20- Interseções no Mapa ................................................................................. 41
Figura 21-Grade representando as Interseções .......................................................... 42
Figura 22- Rota otimizada para 15 nós ....................................................................... 46
Figura 23- Rota otimizada traduzida no mapa ............................................................ 47
Figura 24-Rota otimizada para 14 nós ........................................................................ 49
Figura 25- Rota otimizada para 13 Nós ...................................................................... 52
Figura 26-Rota otimizada para 12 nós ........................................................................ 55
Figura 27- Rota otimizada para 11 nós ....................................................................... 58
Figura 28- Rota otimizada para 10 nós ....................................................................... 61
Figura 29- Rota otimizada para 9 nós ......................................................................... 64
Figura 30- Rota otimizada para 8 nós ......................................................................... 67
xi
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Escala Beaufort............................................................................................ 9
Tabela 2- Tabela para a primeira etapa do exemplo ................................................... 28
Tabela 3- Tabela para a segunda etapa do exemplo .................................................. 29
Tabela 4- Tabela para a terceira etapa do exemplo .................................................... 30
Tabela 5- Tabela para a quarta etapa do exemplo ...................................................... 31
Tabela 6- Tabela para a quinta etapa do exemplo ...................................................... 31
Tabela 7-Tabela IMO [24] ........................................................................................... 35
Tabela 8 - Características principais da embarcação de projeto ................................. 38
Tabela 9- Resistência ao avanço X velocidade ........................................................... 40
Tabela 10- Dados de entrada da varredura ................................................................ 40
Tabela 11- Propulsores classificados .......................................................................... 40
Tabela 12 - Empuxos por nós existentes nas 8 direções ............................................ 42
Tabela 13-Pontos operacionais de projeto para os 3 propulsores classificados .......... 43
Tabela 14-Pontos de operação para os 3 propulsores ................................................ 44
Tabela 15- Hélice e motor MAN selecionado .............................................................. 45
Tabela 16- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
15 nós ......................................................................................................................... 46
Tabela 17- Resultados da rota a 15 nós ..................................................................... 48
Tabela 18 - Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
14 nós ......................................................................................................................... 49
Tabela 19-Resultados da rota para 14 nós ................................................................. 51
Tabela 20- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
13 nós ......................................................................................................................... 52
Tabela 21- Resultados da rota para 13 nós ................................................................ 54
Tabela 22- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
12 nós ......................................................................................................................... 55
Tabela 23- Resultados da rota para 12 nós ................................................................ 56
Tabela 24- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
11 nós ......................................................................................................................... 58
Tabela 25- Resultados para 11 nós ............................................................................ 59
Tabela 26- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para
10 nós ......................................................................................................................... 61
Tabela 27- Resultados para 10 Nós ............................................................................ 62
xii
Tabela 28- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 9
nós .............................................................................................................................. 64
Tabela 29-Resultados para 9 nós ............................................................................... 65
Tabela 30- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 8
nós .............................................................................................................................. 67
Tabela 31- Resultados da rota para 8 nós .................................................................. 68
Tabela 32- Tempo e consumo nas oito velocidades ................................................... 70
Tabela 33- Valores de Combustível e Crédito de Carbono ......................................... 72
Tabela 34-Descrição dos cenários .............................................................................. 73
Tabela 35-Cenário 1/Análise 1: Máximo valor de combustível; máximo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 74
Tabela 36-Cenário 1/Análise 2: Máximo valor de combustível; médio crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 74
Tabela 37-Cenário 1/Análise 3: Máximo valor de combustível; mínimo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 74
Tabela 38-Cenário 2/Análise 1: Médio valor de combustível; máximo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 76
Tabela 39-Cenário 2/Análise 2: Médio valor de combustível; médio crédito de carbono;
máximo valor da carga $76,00 por tonelada. .............................................................. 76
Tabela 40-Cenário 2/Análise 3: Médio valor de combustível; mínimo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 76
Tabela 41-Cenário 3/Análise 1: Mínimo valor de combustível; máximo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 78
Tabela 42-Cenário 3/Análise 2: Mínimo valor de combustível; médio crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 78
Tabela 43-Cenário 3/Análise 3: Mínimo valor de combustível; mínimo crédito de
carbono; máximo valor da carga $76,00 por tonelada. ................................................ 78
Tabela 44-Cenário 4/Análise 1: Máximo valor de combustível; máximo crédito de
carbono; e mínimo valor da carga $45,00 por tonelada. ............................................. 80
Tabela 45-Cenário 4/Análise 2: Médio valor de combustível; máximo crédito de
carbono; e mínimo valor da carga $45,00 por tonelada. ............................................. 80
Tabela 46-Cenário 4/Análise 3: Mínimo valor de combustível; máximo crédito de
carbono; e mínimo valor da carga $45,00 por tonelada. ............................................. 80
xiii
Índice de Gráficos
Gráfico 1- Emissões globais de CO2 ............................................................................ 5
Gráfico 2- Exemplo de diagrama Série B com 5 pás e razão de área 0,50 ................. 12
Gráfico 3- Diagrama de Burril ..................................................................................... 16
Gráfico 4-Interseção da Curva de Operação com a Curva kt do Propulsor ................. 25
Gráfico 5- Resistência ao avanço X velocidade .......................................................... 39
Gráfico 6- Burril com pontos dos hélices ..................................................................... 41
Gráfico 7- Pontos de operação de projeto dos 3 propulsores ...................................... 43
Gráfico 8- Motores e pontos operacionais para cada hélice ........................................ 44
Gráfico 9- Incidências ................................................................................................. 45
Gráfico 10-Pontos operacionais da rota para 15 nós .................................................. 47
Gráfico 11-Pontos operacionais da rota para 14 nós .................................................. 50
Gráfico 12-Pontos operacionais da rota para 13 nós .................................................. 53
Gráfico 13-Pontos operacionais da rota para 12 nós .................................................. 57
Gráfico 14- Pontos de operação da rota para 11 nós .................................................. 60
Gráfico 15-Pontos de operação da rota para 10 nós ................................................... 63
Gráfico 16 -Pontos de operação da rota para 9 nós .................................................... 66
Gráfico 17-Pontos de operação da rota para 8 nós ..................................................... 69
Gráfico 18- Pontos operacionais das rotas nas oito velocidades ................................ 70
Gráfico 19 - Preço do combustível marítimo ............................................................... 72
Gráfico 20 - Velocidade X Custo Total - Combustível: $700,00/ton; Carga: $76,00/ton
................................................................................................................................... 75
Gráfico 21 - Velocidade X Custo Total - Combustível: $552,78/ton; Carga: $76,00/ton
................................................................................................................................... 77
Gráfico 22 - Velocidade X Custo Total - Combustível: $250,00/ton; Carga: $76,00/ton
................................................................................................................................... 79
Gráfico 23- Velocidade X Custo Total – Cred. carbono:$18,6 /ton; Carga: $45,0/ton .. 81
Gráfico 24- Comparação entre cenários segundo variações do preço da carga ......... 83
1
1. Introdução
O transporte aquaviário em especial de cargas a granel é um dos mais competitivos ao
redor do mundo. Isso se deve ao fato de existir muitos operadores e donos de carga. A
necessidade de ganhar a concorrência estimula o estudo de minimização de custos do
transporte na tentativa de diminuir as taxas de frete no intuído de mostra-se mais
atrativo. Essa busca por redução de custos nem sempre é bem sucedida, uma vez que
por trás das parcelas de custo estão variáveis de comportamento complexo.
Entretanto, é sabido que o custo de combustível é uma parcela significativa associada
ao custo total que está suscetível a oscilações de preço devido a políticas econômicas
e a demanda por este produto.
A minimização do custo total através da redução do consumo de combustível iniciou-
se durante a primeira crise do petróleo na década de 70/80, no qual muitos armadores
na tentativa de diminuir o consumo reduziam a velocidade de serviço da embarcação.
Essa prática ficou conhecida mais tarde como slow steaming por ter sido adotado
novamente no início do século XXI durante o período de recessão e a crise mundial
financeira pela qual o mundo passou culminando no aumento generalizado dos preços
do combustível.
No entanto, outros meios podem ser adotados com o propósito de redução do
consumo através da diminuição do tempo de navegação ao otimizar uma rota por
onde a embarcação navega para chegar ao seu destino. Para tal, alguns algoritmos
como o de DIJKSTRA [1] foram criados com essa finalidade. À primeira vista, o tempo
de navegação soa como algo que possa abreviar o consumo ao associar este apenas
à quantidade de horas no mar levando em consideração uma menor distância,
contudo, a navegação envolve fatores de clima que são inerentes ao comportamento
da embarcação no mar. O que significa que o mau tempo pode colaborar para o
aumento da resistência ao avanço do navio contribuindo para a elevação da potência
requerida na manutenção da velocidade e, por conseguinte, o crescimento do
consumo de combustível. Nessa linha descobrir uma rota ótima de maneira a
minimizar o consumo seria o melhor dos mundos para o armador.
As condições climáticas são tão determinantes na navegação que alguns autores
classificam a influência dos efeitos do mau tempo em perdas de velocidade
involuntária e voluntária. A primeira origina-se na ocorrência de pequenos efeitos de
mau tempo em regiões com influência de correntes, ventos e ondas, os quais
2
proporcionam uma redução da velocidade da embarcação quando navegando a
potência constante devido a uma resistência adicional atribuída a esses efeitos. Essa
redução involuntária pode ser relacionada à margem de mar associada à seleção do
motor para uma embarcação. A outra se designa a uma atitude tomada por
comandantes em meio a tempestades a fim de resguardar a embarcação evitando o
naufrágio.
Pretende-se com este projeto, obter uma rota marítima para um graneleiro navegando
a velocidade constante minimizando o consumo de combustível segundo um cenário
climático favorável, sem muitas regiões de tempestades. Para isso, será usado o
programa na linguagem VBA desenvolvido por RODRIGUES [2] em que está
implementado o algoritmo de Dijkstra com a finalidade de encontrar rotas otimizadas
tomando um ponto de origem e outro de destino em função do menor tempo de
percurso para vários cenários climatológicos. O programa reconhece uma malha que
representa uma região no oceano englobando uma rota marítima composta por linhas
de latitude e longitude as quais a interseção delas são os nós ou vértices onde se
atribui os pesos, que possuem um valor de tempo.
No presente trabalho, os nós terão valores de consumo de combustível em toneladas
que serão possíveis de ser encontrados ao se projetar um sistema propulsivo ótimo
para um cenário climático. O motor do sistema será selecionado considerando uma
margem de mar variável em cada nó da rota pela qual a embarcação navegará, sendo
essa a tradução da perda involuntária de velocidade em resistência adicional que será
somada a resistência em águas calmas para formar a resistência total ao avanço.
Assim, após a escolha do sistema propulsivo e da descoberta de uma rota otimizada
em função do consumo na velocidade de serviço de projeto, será simulada a prática
de slow steaming, ao realizar reduções sucessivas de velocidade, com a finalidade de
descobrir rotas otimizadas para essas outras velocidades e verificar a melhor
velocidade de operação segundo cenários econômicos envolvendo variações de preço
de combustível, crédito de carbono e preço de comercialização da carga, além de
descobrir a real influência desses indicadores.
3
2. Slow Steaming
O Slow steaming é uma prática utilizada pela indústria marítima de embarcações
mercantes que consiste na redução da velocidade de navegação da embarcação, a
fim de diminuir o consumo de combustível pelo navio e com isso reduzir os custos com
combustível.
2.1. Histórico
O slow steaming não é um conceito inovador para a navegação. Surgiu pela primeira
vez nos anos 1970,durante a crise mundial do petróleo, ZANNE et al. [3]. Nesta época,
o óleo combustível sofreu com uma escassez de oferta e um aumento exorbitante para
os moldes da época que impactou diretamente na indústria marítima de navegação
obrigando os armadores a navegar a velocidades mais baixas a fim de economizar
combustível.
No período pós-crise do petróleo até o início do século XXI, os preços do óleo
combustível se mantiveram baixos com poucas oscilações, porém, a partir desta data
houve um novo crescimento que foi acentuado com o período de recessão econômica
e crise financeira que afetou o mundo em 2008, motivando novamente a redução na
velocidade de navegação das embarcações mercantes existentes a fim de reduzir o
consumo. Nesta nova fase do slow steaming quem liderou o movimento foi a empresa
de navegação Maersk com sua frota de embarcações do tipo porta container e assim o
faz até os dias de hoje nos períodos de alta nos preços de combustível.
4
2.2. As Vantagens do Slow Steaming
2.2.1. Redução no Consumo de Combustível
A redução do consumo de combustível está diretamente ligada à diminuição dos
custos atribuídos ao combustível, e é o principal objetivo que os armadores desejam
alcançar com o slow steaming para a redução dos custos.
Quando se reduz a velocidade, automaticamente se reduz a injeção de combustível
nos cilindros de combustão dos motores diesel a cada milha náutica. Sendo isso
explicado pelo fato da velocidade não possuir uma relação linear com a potência, mas
sim, uma relação cúbica. Ou seja, se a velocidade for reduzida em 20%, a potência
nominal de saída do motor seria reduzida em aproximadamente 45%, o que significa
uma redução de 60% de combustível queimado por hora de operação [4].
2.2.2. Redução de Emissões de Gases Poluentes
O consumo de combustível está intimamente relacionado com as emissões nocivas,
embora o transporte marítimo seja um meio de transporte limpo e econômico, as
emissões do crescente setor de transporte marítimo representam uma fonte
significativa e crescente de poluição atmosférica [3]. Isso se deve ao fato de que as
embarcações utilizam combustíveis provenientes do petróleo, como o óleo residual,
que ao serem queimados produzem grandes quantidades de poluente ambientais [3].
Os produtos de combustão dos navios são muitos e podem ser classificados em
diversas categorias, dentre elas: os gases que contribuem para o aquecimento global
que são conhecidos em inglês, como, Green house gases (GHGs); e os que não
contribuem para o aquecimento global, Non-Green House Gases; e outros como
compostos orgânicos voláteis (VOC). Os GHGs incluem o dióxido de carbono ( ),
metano ( ), óxido nitroso ( ). Já os Non-Green House Gases incluem
principalmente o óxido sulfúrico ( ) e o óxido nitroso ( ), segundo PSARATIS et.
al.[5].
A emissão desses gases e principalmente de gás carbônico, que tanto contribui para o
efeito estufa e é responsável por 2,7% das emissões no transporte marítimo de acordo
com estudo de emissões da IMO (Gráfico 1), é proporcional à quantidade de
combustível queimado. Portanto, tendo em vista que para uma tonelada de
combustível usado no processo de combustão, três toneladas de gás carbônico são
5
formadas conforme relatou SILVA [6], pode-se dizer que o meio mais rápido e
instantâneo de diminuir as emissões é sim diminuir a combustão através do slow
steaming, já que quanto menor for a velocidade, menor será o consumo de
combustível e assim menos gases são emitidos na atmosfera terrestre.
2.2.3. Absorção do Excesso de Capacidade
Os períodos de alta demanda por capacidade devem ser investigados quanto à
viabilidade do slow steaming, pois a tendência é de aumentar a velocidade da
embarcação para ganhar capacidade mais rapidamente, tal como menciona ZANNE et
al. [3]. Entretanto, em épocas de baixa demanda, o uso do slow steaming age como
um ótimo benefício para o armador, de modo a absorver o excesso de capacidade da
frota disponível ao navegar por mais tempo, sendo mais vantajoso que deixar a
embarcação em lay up, possibilitando o ajuste do tempo de chegada num porto de
modo a evitar o congestionamento ou a espera em regiões abrigadas [7].
Gráfico 1- Emissões globais de CO2
Fonte: PSARATIS et. al. [4]
6
2.3. Desvantagens do Slow Steaming
Não somente vantagens o slow steaming proporciona, como também pode ocasionar
alguns problemas no motor e máquinas adjacentes; hélice; e casco.
Uma embarcação mercante ao ser projetada deve-se levar em consideração o seu
perfil operacional. O que significa que é de fundamental importância saber a rota que
se deseja operar, os portos que se deseja atracar e a velocidade imaginada que se
deseja alcançar para a execução da operação. Pois, os motores que as equipam são
dispositivos que trabalham em regime de carga contínua, sendo assim, todas as
máquinas e dispositivos auxiliares são projetados considerando os requisitos de
projeto (ex: velocidade de serviço) de maneira a otimizar o motor e os sistemas
auxiliares respeitando esta faixa de carga máxima.
Conforme o navio é projetado, o seu motor e sistemas auxiliares são ótimos para a
finalidade da embarcação, e qualquer alteração no regime de operação como a
redução da velocidade de serviço, pode causar alterações no desempenho dos
sistemas (motor e sistemas auxiliares), de forma que já não podem ser considerados
ótimos para o novo regime de operação. Sendo assim, se a carga cair abaixo de 60%
do MCR alguns problemas pode surgir comprometendo o desempenho e a vida útil
das máquinas [8].
Dessa maneira, BRANDÃO [9] citou problemas que podem ocorrer ao se adotar a
prática do slow steaming, dentre eles:
Redução do fluxo de ar nos cilindros de combustão;
Incrustações nos sistemas de exaustão e nos turbo carregadores
(turbochargers);
Excesso de óleo lubrificante nos cilindros de combustão dos motores;
Desgaste das camisas dos cilindros;de combustão dos motores
Falhas nos sopradores auxiliares;
Corrosão fria;
Redução da vida útil e problemas com as caldeiras de recuperação;
Trinca nos Flaps.
Além dos problemas com o motor e os sistemas auxiliares, se podem notar algumas
implicações no casco e no hélice devido a operação em slow steaming, como:
incrustações que podem comprometer o desempenho do casco ao aumentar a
resistência ao avanço; e a operação fora do ponto de operação do hélice projetado na
velocidade de serviço do projeto, o que pode acarretar em perdas de eficiência ou até
mesmo problemas de cavitação.
7
3. Metodologia
3.1. Obtenção da Resistência Adicional
A resistência ao avanço de uma embarcação é a força necessária para rebocá-la em
águas calmas sem considerar a interferência causada pelo reboque, HARVALD [10].
Segundo RAWSON et al.[11] essa resistência é a soma de outras parcelas, como:
resistência friccional; de pressão viscosa; de onda (wave making); do ar e de
apêndices, e pode ser obtida por diferentes meios, os quais baseiam-se em
experimentos, simulação numérica, e métodos estatísticos ou sistemáticos,
RODRIGUES [2].
Dessa forma, um dos métodos para estimar a resistência ao avanço em águas calmas
que foi criado e possui resultados de alta confiabilidade para a aplicação em navios de
deslocamento e utilizado no projeto em questão (eq. 3.1) é o método estatístico criado
por HOLTROP et al.[12]. Este e outros métodos estatísticos são fundamentados num
banco de dados de embarcações com características semelhantes.
(3.1)
Onde, a estimativa da resistência total em águas calmas é dividida em resistência dos
apêndices ( ), resistência de geração de onda (Rw), de pressão gerada pelo bulbo
( ), devido à imersão do espelho de popa ( ), de correlação do modelo com a
embarcação ( ), e a resistência friccional ajustada pelo fator de forma (1+k1).
Contudo, não existe somente a resistência em águas calmas. A embarcação quando
navegando em regiões desabrigadas está suscetível a efeitos causados por ondas,
correntes e ventos que contribuem para o aumento da resistência. À consequência
desses efeitos de mau tempo no casco se dá o nome de resistência adicional.
Portanto, a resistência total da embarcação é a soma das resistências em águas
calmas ( com a resistência adicional devido a onda ( , corrente ( e vento
( , conforme as equações abaixo:
(3.2)
(3.3)
8
O referido mau tempo proporcionado por eventos de ondas, correntes e ventos pode
provocar alterações no plano de navegação de uma embarcação, à medida que uma
resistência extra, demanda uma força maior do sistema propulsor para vencer esta
resistência adicional. Isso pode ser notado quando uma embarcação navegando a
uma potência constante reduz involuntariamente a velocidade ao passar por regiões
de incidência desses eventos, ou até mesmo quando as tempestades são tão severas
ao ponto do comandante ter que tomar a atitude de diminuir o avanço para garantir a
integridade da tripulação, carga e embarcação. Essas reduções de velocidade de
forma involuntária e voluntária devido ao mau tempo foram assim classificadas por
LEWIS ([13], apud KWON [14]).
Em situações em que os eventos de mau tempo são mais brandos, a redução
involuntária da velocidade pode ser contornada aumentando a potência da
embarcação à proporção que a velocidade tender a ser reduzida devido a uma
resistência adicional, possibilitando, com isso, a manutenção da velocidade de serviço.
Contudo, isso nem sempre está fadado a acontecer, já que a resistência
proporcionada pelo mau tempo pode requerer uma potência muito maior que o motor
pode fornecer, obrigando o comandante a reduzir de qualquer forma.
Estudos direcionados a encontrar métodos de previsão de redução de velocidade
involuntária são classificados segundo KWON [14] em: método de análise de dados
em escala total de embarcação; método de análise de dados baseados em testes de
modelos; e aproximações teóricas baseadas parcialmente análises de dados obtidas
por advento de testes de modelos. Todavia, nenhum deles é totalmente acurado
devido à associação de problemas sujeitos a acontecer como: falha em instrumentos
de medição, erros de procedimento, dificuldade de cobrir todas as condições de
tempo, etc [14].
TOWSIN et. al. [15] e VAN BERLEKOM ([16], apud KWON [14]) propuseram dois
métodos simples de se prever a redução involuntária de velocidade. O primeiro deles,
TOWSIN et. al. [15], traduziu a resistência adicional devido ao tempo em perda de
velocidade involuntária criando um procedimento para um percentual de perda de
velocidade baseado em dados estatísticos de viagens para embarcações graneleiros e
petroleiros conforme a equação 3.4 [2]. Esta formulação é baseada num coeficiente
direcional de onda ( ), em três coeficientes de Towsin ( , , ), no volume deslocado
9
( da embarcação em análise, e no número de Beaufort ( ) retirado da escala do
almirante Francis BEAUFORT [17], tal como indicado na Tabela 1.
(3.4)
Tabela 1 - Escala Beaufort
Assim como TOWSIN et. al. [15], VAN BERLEKOM ([16], apud KWON [14]) também
desenvolveu uma formulação para a redução da velocidade involuntária devido aos
efeitos causados pelo mau tempo, em forma de variação de velocidade. Nela a
variação de velocidade ( ) é dada a partir da resistência adicional ( ), da
resistência em águas calmas ( ) e da velocidade de serviço da embarcação ( ). A
expressão pode ser vista a seguir:
(3.5)
Haja vista que os eventos de redução involuntária de velocidade em condições de mar
grosso são insignificantes perto da redução voluntária, a formulação em especial de
VAN BERLEKOM ([16], apud KWON [14]) não deve ser usada em mares com muitas
tempestades. Ao ponto que nas experiências de KWON [14] para números de Beaufort
maiores que seis, a redução involuntária de velocidade pela formulação de VAN
10
BERLEKOM ([16], apud KWON [14]) devido à resistência adicional tomou resultados
abaixo da formulação usada para comparação.
Tendo em vista as duas formulações para a redução da velocidade involuntária devido
ao estado de mar, neste trabalho usou-se a formulação de TOWSIN et. al. [15] para
descobrir o percentual de perda de velocidade e a subsequente perda em forma de
variação de velocidade segundo um cenário climatológico sem grandes tempestades,
e a partir dessa variação a resistência adicional pôde ser encontrada ao usar a
formulação de VAN BERLEKOM ([16], apud KWON [14]).
11
3.2. Projeto do Sistema Propulsivo
As embarcações mercantes, objeto deste projeto, em geral, possuem um sistema
propulsivo com um hélice de passo fixo e um motor diesel dois tempos de baixa
rotação. Estes motores são projetados para operar em carga continua com ponto
ótimo de operação aproximadamente em 80% do seu MCR (Maximum Continous
Rating) [4].
Figura 1 - Motor MAN Two Strokes ME-C Application
Fonte: MAN [18]
A seleção do sistema propulsivo é iniciada após a estimativa da resistência ao avanço
da embarcação na velocidade de projeto pelo método HOLTROP et al.[12]. Nela os
propulsores são os primeiros a serem selecionados e os da Série sistemática B são os
mais indicados para navios mercantes. Nesta série estão contidos propulsores de
características diferentes presentes num intervalo de razão de área ( ), razão
passo-diâmetro ( ), diâmetro ( ) e número de pás ( ). E cada um dos propulsores
têm suas características representadas à partir de curvas do coeficiente de empuxo
( ), de torque ( ) e da eficiência ( ), todos eles em função do adimensional de
coeficiente de avanço ( ), reunidas no diagrama de águas abertas da Gráfico 2. As
equações estão expressas abaixo:
12
Gráfico 2- Exemplo de diagrama Série B com 5 pás e razão de área 0,50
Fonte: BERNITSAS et al. [19]
(3.6)
(3.7)
(3.8)
(3.9)
Nelas, é o empuxo gerado (em KN), o peso específico da água do mar (em
ton/m³), é a rotação do propulsor (em hertz); é o diâmetro do propulsor (em m);
é o torque (em KN.m); é a velocidade de serviço (em m/s); e é a velocidade de
avanço (em m/s); e é o coeficiente de avanço.
13
O coeficiente de esteira ( ), o qual HOLTROP et al.[12], quantifica a perda de
velocidade do escoamento quando este chega ao propulsor, devido à interação do
fluido com o casco no momento em que este se desloca no meio fluido, e a velocidade
com a qual o escoamento encontra-se no fluido é chamada de velocidade ao avanço
( ). A representação numérica deste fenômeno é mostrada à seguir:
(3.10)
Entretanto, além desses parâmetros existe outro que não consta nas formulações
adimensionais, mas é de extrema importância para a seleção da propulsão, que é
designado por coeficiente de redução da força propulsiva ( ), também estimado por
HOLTROP et al.[12]. Este quantifica as alterações de pressões na região em que se
localiza o propulsor, produzindo como consequência a necessidade de gerar um
empuxo ( ) que é maior que a resistência ao avanço estimada para satisfazer a
demanda de velocidade.
(3.11)
Onde, relaciona-se que é a resistência ao avanço em águas calmas (em KN).
Embarcações mercantes com somente um hélice devem ter a forma do casco
projetada para que o coeficiente de avanço ( ) esteja dentro do intervalo [0.20, 0.45],
e coeficiente de redução da força propulsiva dentro de [0.12, 0.30], [20].
Dessa maneira tendo esses parâmetros conhecidos, o primeiro passo na obtenção do
hélice é calcular o valor do adimensional de velocidades (J), arbitrando valores de
rotações (em rotações por segundo) ou diâmetro ( ). E para todo caso quando um dos
coeficientes de avanço ( ) é conhecido, o processo se desenrola de maneira que é
possível traçar uma reta perpendicular ao eixo dos “J” no diagrama e assim obter os
adimensionais de empuxo (Kt), de torque (Kq) e eficiência ( ) à medida que esta reta
cruza cada curva de razão passo/diâmetro, conforme (Figura 2). Assim, obtido o e o
consegue-se encontrar o empuxo (eq. 3.13) e o torque (eq. 3.12) gerado pelo
propulsor naquela rotação.
14
Figura 2- Exemplo de como obter os coeficientes
(3.12)
(3.13)
Portanto, à medida que o procedimento é executado, as características de cada
propulsor são armazenadas num banco de dados, onde o primeiro critério de seleção
pauta-se na verificação do empuxo. Pois caso o empuxo (em KN) gerado pelo
propulsor não seja igual ou pouco maior que o requerido (em KN), este propulsor
será imediatamente descartado, restando apenas aqueles com empuxos próximos ao
requerido. Este método é conhecido como da varredura e foi utilizado neste projeto
para obtenção dos propulsores.
Já o segundo critério de seleção é designado pela eficiência propulsiva, a qual
representa a porcentagem de energia que o propulsor transforma em trabalho para
que a embarcação navegue.
Assim sendo, para que o propulsor a ser selecionado seja ótimo, ele deve atender ao
empuxo requerido e também necessitar de menos potência na operação, ou seja,
aquele que possua maior eficiência possível. Mas, além disso, o propulsor deve
atender ao critério de cavitação, de cujo fenômeno pauta-se no colapso de bolhas que
são formadas no momento em que a pressão do escoamento na superfície do mar fica
menor que a pressão de vaporização da água do mar. E o colapso fica iminente
quando a pressão do escoamento volta a subir, devido à diminuição da velocidade do
escoamento na região de popa.
15
Portanto o critério para analisar a cavitação que deve ser seguido é o de Burril, o qual
sugere a avaliação de dois parâmetros adimensionais calculados em um ponto
distando 70% do raio em relação ao Bosso do hélice por ser a região mais suscetível á
cavitação.
O primeiro adimensional avaliado é o (eq. 3.14) que relaciona a área projetada do
hélice , massa específica e .
(3.14)
Sendo que, pode ser aproximada pela equação 3.15; e é obtido através da
equação 3.16.
(3.15)
(3.16)
Já o segundo adimensional da análise da cavitação por Burril é o :
(3.17)
Em que, é a pressão atmosférica na superfície do mar (em Pa); é a massa
específica da água (em , é a aceleração da gravidade (em e h é a
profundidade do centro do hélice (em m); e é a pressão de vaporização da água do
mar (em Pa).
Após o cálculo dos dois adimensionais, deve-se plotá-los como par ordenado ( , )
no diagrama de Burril do Gráfico 3, se o par para o propulsor ficar abaixo da curva
correspondente ao tipo de embarcação do projeto, o propulsor passa do critério de
cavitação, do contrário, não, sendo descartado do banco de dados. No caso de navios
mercantes, a curva é da 5%.
16
Gráfico 3- Diagrama de Burril
Assim, os melhores propulsores quanto a eficiência e que passam no critério de
cavitação de Burril acumulam-se no banco de dados. O nome dado ao ponto para o
qual o propulsor gera o empuxo requerido ( é o ponto de operação de projeto do
propulsor, que se divergem para cada propulsor, apesar o empuxo requerido ser o
mesmo.
Assim, à partir dos pontos de operação de projeto do propulsor deve-se encontrar o
ponto operacional do motor. Desse modo, segundo HARVALD [10], encontra-se
que é a potência efetiva (em Kw), potência entregue pelo propulsor (em Kw) ,
correspondente a potência entregue ao propulsor (em Kw), e finalmente, que é a
potência requerida pelo motor (em Kw), de cujas equações seguem abaixo:
(3.18)
(3.19)
(3.20)
(3.21)
17
Em que, é a eficiência rotativa relativa e é a eficiência mecânica, a qual é
recomenda ser 0.99 [20].
Muito embora, tenha-se chegado à potência requerida pelo motor , que também é
conhecida por BHP, existe a necessidade de se aplicar margens de rotação e margem
de operação, que são margens de segurança que levam em consideração o desgaste
dos elementos do sistema propulsivo pelo tempo de uso.
De maneira que o ponto de operação do motor antes da margem é o par ordenado da
potência em quilowatts chamada por BHP e a rotação referida ao hélice em rotação
por minuto designada por RPM, as margens são aplicadas. A margem de rotação
recebe o valor de 5% e é aplicada na própria rotação transformando a rotação anterior
RPM em RPM1 e pela relação cúbica da potência com a rotação, a potência anterior
BHP é traduzida em BHP1, como mostrado pelas equações 3.24 e 3.25.
(3.22)
(3.23)
(3.24)
(3.25)
Já a margem de operação recebe o valor de 15%, e diferentemente do que acontece
com a margem de rotação, essa se aplica na potência transformando a potência com o
atributo da margem de rotação BHP1 em BHP2, e pela relação cúbica descrita o
RPM1 é transcrito em RPM2, equações 3.28 e 3.29.
(3.26)
(3.27)
(3.28)
18
(3.29)
Portanto, o ponto de operação do motor é conhecido pelo par ordenado da rotação
com a potência (RPM2, BHP2). Sendo que este par e calculado e, obviamente, possui
valores distintos para cada hélice do banco de dados. E como consequência, busca-se
em catálogos de fabricantes de motores, como o da MAN [21](Figura 3), aqueles
motores que englobam o ponto de operação entre 70% e 85% da carga e escolhe-se
aquele conjunto hélice e motor mais eficiente.
Figura 3 - Catálogo de motores MAN
Fonte: MAN [21]
Entretanto, neste projeto os pontos operacionais (RPM2, BHP2) provenientes dos
pontos operacionais de projeto do hélice para cada hélice do banco de dados não são
determinantes para definir a escolha do conjunto. Nota-se que além da margem de
rotação e operação existe uma margem de mar que deveria ser incluída na obtenção
do próprio ponto operacional de projeto do motor, mas neste caso não foi, porque ela é
simulada através da resistência adicional para cada ponto do mar em uma rota pré-
estabelecida. Pois bem, foi escolhido um ponto de origem e destino para a navegação
de uma embarcação mercante e a região oceânica pela qual a embarcação pode
passar foi dividida por linhas de latitude e longitude em que os pontos de interseção
delas representam nós de uma grade que simula este espaço oceânico. Para cada nó
existente, um atributo de resistência adicional devido ao estado de mar, obtido pela
equação 3.5, é somado a resistência ao avanço em águas calmas formando
19
resultando uma resistência total naquele nó, através dessa resistência total, encontra-
se o empuxo, em seguida o ponto operacional dos hélices do banco de dados e os
pontos operacionais do motor. Tendo em vista que a embarcação pode navegar em
oito direções, sendo elas definidas neste projeto por nomes de coordenadas
geográficas: oeste ( ); leste ( ); norte ( ); sul ( ); sudeste ( ); sudoeste ( );
nordeste ( ); e noroeste ( ), cada nó pode possuir até oito pontos operacionais do
motor para cada hélice analisado.
Com isso, considerando todos os nós pelos quais a embarcação pode navegar e todas
as direções, tem-se uma quantidade de pontos de operação do motor para cada
hélice, os quais devem estar dentro da margem de operação do motor. Assim, aquele
motor que englobar o ponto operacional de projeto do hélice e a maior quantidade de
pontos operacionais devido a resistência adicional, é escolhido e por consequência o
hélice também.
Para melhor entender o raciocínio descrito nestes parágrafos, assim como o
procedimento de cálculo de todas as etapas, um exemplo considerando uma
embarcação que deseja navegar de um ponto A para um ponto B (Figura 4) foi feito.
Figura 4- Exemplo de rota A para B
Tendo em vista que cada interseção da linha de latitude com longitude pode ser um
ponto de operação, foi considerado cada uma delas como um nó da grade (Figura 5).
20
Figura 5- Exemplo de grade da rota A-B
Considerando a altura de onda e a direção de onda em relação ao navio para cada nó,
além do volume deslocado da embarcação, foi possível aplicar a formulação de
TOWSIN et. al. [15] (eq. 3.4) para descobrir a redução de velocidade em cada nó. Em
posse das velocidades reduzidas, a formulação de VAN BERLEKOM ([16], apud
KWON [14]) (eq. 3.5) foi usada para encontrar as resistências adicionais em cada nó
devido à redução.
Contudo, é sabido que a embarcação não só navega em uma direção, como pode
navegar por inúmeras, sendo assim, neste trabalho foi adotado oito direções através
das quais a embarcação pode se locomover, como já descrito. Com isso em cada nó
da grade pode existir até oito resistências adicionais diferentes (número de direções
multiplicado pelo nó), e como no exemplo são dezesseis nós por direção, totalizam-se
cento e vinte oito resistências adicionais, tal como pode ser visto nas Figura 6 e Figura
7.
21
Figura 6 - Exemplificação de resistência adicional (W, E, N e S)
Figura 7-Exemplificação de resistência adicional (NW, NE, SW e SE)
Em posse das resistências adicionais é possível obter a resistência total somando-as
com a resistência ao avanço para a velocidade de projeto
(3.30)
22
Onde, representa a identificação do nó; simula as oito direções que a embarcação
pode navegar; é a resistência ao avanço em águas calmas (em KN); é a
resistência adicional em cada nó considerando as oito direções (em KN); e é a
resistência total em cada nó considerando as direções (em KN).
Em seguida, é possível encontrar o empuxo (Figura 8 e Figura 9) de cada nó através
da equação 3.11, que é adaptada para os nós e direções (eq. 3.31).
(3.31)
Onde, é o coeficiente de redução da força propulsiva na velocidade de projeto.
Figura 8-Exemplificação de resistência adicional (W, E, N e S)
Figura 9-Exemplificação de resistência adicional (NW, NE, SW e SE)
23
Embora a embarcação não navegue em todas as direções na rota A-B ou mesmo não
necessite passar por todos os pontos de interseção, no procedimento de seleção do
motor foram considerados todos os empuxos referentes a todas as interseções da
grade. Com os melhores propulsores do banco de dados, tomam-se todos os empuxos
e com eles deve-se encontrar o ponto de operação dos propulsores. Para esta análise
é necessário conhecer a curva dos propulsores e também uma curva K de
operação designada por cada um dos empuxos. Assim com as duas curvas, o ponto
em que a curva de operação do empuxo analisado interceptar a curva do propulsor
é o ponto de operação do propulsor para o empuxo analisado.
A curva de operação é construída com base na equação 3.6 para o coeficiente de
avanço ( ) e na equação 3.7 para o coeficiente de empuxo ( ), onde reformulando e
substituindo a equação 3.6 na 3.7, tem-se:
(3.32)
(3.33)
Tendo em vista a equação acima, basta substituir os valores do peso específico da
água salgada (em ton/m³), velocidade de avanço (em m/s), diâmetro do propulsor (em
m)e o valor do empuxo que se quer ser analisado que uma equação de segundo grau
em função do coeficiente de avanço é formada.
(3.34)
Portando, para encontrar a curva de operação é necessário atribuir valores ao
coeficiente de avanço. Já, a curva dos propulsores pode ser obtida a partir dos
diagramas de águas abertas do propulsor manualmente ou pode ser construída
através dos polinômios interpoladores de (eq. 3.35) e (eq. 3.36) dos propulsores
série B e seus respectivos coeficientes (que formam o diagrama de águas abertas)
contidos na produção de BERNITSAS et al. [19], tal como ilustrado na Figura 10.
24
Figura 10-Coeficientes Interpoladores Série B
Fonte: BERNITSAS et al. [20]
(3.35)
(3.36)
Desse modo, substituindo os coeficientes, e os parâmetros dos propulsores como
razão passo diâmetro ( ), razão de áreas ( ) e número de pás ( ), no
polinômio interpolador de (eq. 3.35) e variando o coeficiente de avanço ( ), pode-se
construir a curva do propulsor. O Gráfico 3 mostra um exemplo da curva de
operação em azul para um dos empuxos e a curva do propulsor em vermelho, e o
momento em que elas se cruzam. O ponto de interseção das mesmas é o ponto de
operação do hélice no empuxo analisado.
(3.37)
25
Onde, é a identificação dos melhores propulsores segundo a eficiência do banco de
dados.
Gráfico 4-Interseção da Curva de Operação com a Curva kt do Propulsor
Após a intercepção, o ponto de operação de par ordenado (
pode ser
encontrado, então o valor de é substituído na equação 3.5 e é possível achar a
rotação ( ) do propulsor no ponto de operação analisado.
Posteriormente, o valor de pode ser substituído no polinômio interpolador de
para que seja possível encontrar o , de operação referente ao empuxo
analisado, e finalmente substitui-se os valores encontrados na equação 3.8 e a
eficiência do propulsor ( ) naquele empuxo pode ser encontrado.
O procedimento é repetido para todos os empuxos nas oito direções em cada nó, e
então aplicando as equações 3.19 até 3.29 chega-se ao ponto de operação do motor
(eq. 3.38) nas mesmas oito direções e nos mesmos nós para cada um dos
propulsores. Assim, com os motores pré-selecionados pelos pontos de operação de
projeto para cada hélice, se verifica qual deles abrange a maior quantidade de pontos
operacionais para cada um dos hélices. Portanto, aquele que englobar a maior
quantidade de pontos operacionais de um hélice do banco de dados é aquele
selecionado, assim como o hélice.
(3.38)
26
Na realidade, o ideal é que todos os pontos operacionais possíveis do cenário
analisado estejam dentro da margem de operação do motor, porém caso algum
ultrapasse a margem superior, a embarcação é obrigada a reduzir a velocidade, pois o
motor não é capaz de fornecer a potência necessária para ela se manter na mesma
velocidade naquele nó.
3.3. Consumo de Combustível
Uma vez escolhido o sistema propulsivo, deve-se analisar o consumo de combustível.
Este pode ser tanto deduzido por dados do fabricante do motor como através de
formulações. NUNES [22] em seu projeto aplicou um polinômio desenvolvido com o
intuito de se descobrir a eficiência global para qualquer ponto operacional do motor
através de variáveis de torque e rotação. Os Coeficientes do polinômio são obtidos por
regressões múltiplas, que nada mais são que regressões com pelo menos duas
variáveis, os quais são ajustados para o modelo do motor que se deseja analisar
através dos dados do fabricante.
(3.39)
Em que, b1, b2,b3, b4, b5, b6 são os coeficientes; w é a rotação em radiano; e é o
torque.
E pela eficiência é possível encontrar o fluxo de massa de combustível (
consumida (em kg/s).
(3.40)
Onde, é a potência que o motor deve fornecer BHP2 (em Kw); e LHV é o lower
heating value (em KJ/Kg). Portanto, neste projeto o consumo de combustível para
cada ponto operacional (nós) foi calculado usando esta formulação.
3.4. Algoritmo de Dijkstra e Aplicação na
Navegação
O algoritmo do holandês Edsger DIJKSTRA [1] criado nos anos 50 e tem por finalidade
solucionar o problema do caminho mais curto entre dois vértices num grafo X(V,A)
27
com uma certa quantidade de vértices (V) e arestas (A) de cujos pesos não devem ser
negativos.
A versão original do algoritmo envolve a determinação do caminho mais curto entre
dois nós (vértices), conforme já mencionado, contudo com o passar dos anos algumas
variações foram criadas, surgindo assim a versão a qual fixa um nó escolhido como nó
de origem e a partir dele obtêm-se caminhos mais curtos para os outros vértices do
grafo, RODRIGUES [2].
Assim sendo, considerando um grafo X(V, A), as arestas podem ser representadas por
pares ordenados de vértices ou nós (i,j), por exemplo, aos quais associam-se pesos
responsáveis pela tomada de decisão do caminho a se seguir. Sendo que, esses
pesos podem possuir valores de: tempo, distância, consumo, custo, etc, ou seja,
qualquer valor que se deseja minimizar.
Em cada um dos vértices da malha atribuem-se três informações: a primeira delas diz
se o vértice em questão já foi visitado; a segunda computa a menor soma de peso da
origem até o vértice atual; e a última o vértice anterior ao vértice atual.
Dito isso, assumindo o vértice de origem como t e o peso para chegar ao vértice i ser
, ao dar início ao algoritmo, é importante saber que é atribuído peso zero ( )
para o vértice de origem e infinito ( para os demais, além de assumir valor
indefinido para todos os vértices anteriores. Então, o procedimento a seguir é
realizado:
1. O nó t recebe peso de zero:
2. O mesmo nó t recebe o valor visitado
3. Todos os nós i recebem peso infinito:
4. Para cada nó/vértice i adjacente a t, faz-se:
4.1. O valor de é calculado
4.2. Caso seja maior que alt, o valor de será substituído pelo valor de
alt, o que significa dizer que um caminho com peso menor até i será
encontrado.
4.3. Mas se o receber valor distinto, o nó anterior de i passa a ser t e o nó
i será analisado.
5. Para cada nó u adjacente a i, faz-se:
5.1. O valor de alt= é calculado.
28
5.2. Da mesma maneira, caso seja maior que alt, o valor de será
substituído pelo valor de alt, e assim o caminho com o menor peso até
u será encontrado.
5.3. Mas se receber valor distinto, o nó anterior a u passa a ser i e o nó u
será analisado.
6. Este procedimento faz parte de um loop em que só terá uma parada no
momento em que todos os vértices ou nós forem visitados.
7. Assim, o caminho de menor peso até o vértice de destino é encontrado
perseguindo os seus anteriores até o vértice de origem.
Com a finalidade de deixar mais claro o entendimento da rotina do algoritmo toma-se o
exemplo da Figura 11 e da Tabela 2 que demonstra a primeiro etapa da rotina do
programa. Nele é dado um grafo com os vértices A, B, C e D e a intenção é encontrar
um caminho otimizado pelo menor peso das arestas tendo início no nó A e fim no D.
dessa maneira, o primeiro etapa na otimização da rota segundo o algoritmo de Dijkstra
envolve a atribuição do valor zero para o nó de origem e infinito para os restantes.
Figura 11- Exemplificação para a primeira etapa da rotina do algoritmo
Tabela 2- Tabela para a primeira etapa do exemplo
29
A etapa seguinte (Tabela 3 e Figura 12) é estabelecer o nó atual A como o nó de
origem e definir como não visitados os outros três nós. Então, os nós adjacentes B e C
ao nó de origem recebem os pesos em relação ao próprio, de maneira que B recebe o
valor de 7 e C o valor de 10.
Figura 12- Exemplificação para a segunda etapa da rotina do algoritmo
Tabela 3- Tabela para a segunda etapa do exemplo
A próxima etapa (Figura 13 e Tabela 4) é visitar o nó que possui o menor peso em
relação ao nó de origem, assim sendo, o segundo nó a ser visitado é o nó B. A partir
dele um novo peso temporário é atribuído ao nó C por ele em relação ao nó atual B
ser menor que o peso anterior que era em relação ao nó A, e também, um peso é
atribuído ao outro nó adjacente D, com valores de 9 e 14, respectivamente.
30
Figura 13- Exemplificação para a terceira etapa da rotina do algoritmo
Tabela 4- Tabela para a terceira etapa do exemplo
Dando continuidade ao procedimento, a etapa seguinte (Figura 14 e Tabela 5) é visitar
o nó C e se os nós adjacentes apresentarem pesos atuais menores que os anteriores,
eles devem ser atualizados. Como pode ser visto na Figura 14, isso acontece para o
vértice D que possuía peso 14 em relação a B, e agora foi atualizado para 13.
Figura 14- Exemplificação para a quarta etapa da rotina do algoritmo
31
Tabela 5- Tabela para a quarta etapa do exemplo
Assim, a última etapa (Figura 15 e Tabela 6) é visitar o próximo e último nó e então o
algoritmo encontra o caminho otimizado pelo menor peso.
Figura 15- Exemplificação para a quinta etapa da rotina do algoritmo
Tabela 6- Tabela para a quinta etapa do exemplo
Logo, para o exemplo o caminho ótimo é: A-B-C-D.
A aplicação do algoritmo de Dijkstra neste projeto consiste na associação do mesmo a
navegação com o intuito de otimizar uma rota comercial para um menor consumo de
combustível. Para isso, utilizou-se o programa na linguagem de programação VBA
desenvolvido por RODRIGUES [2] onde o algoritmo está implementado, conforme já
mencionado.
32
O programa consiste na divisão de uma rota marítima em linhas de latitude e
longitude, e a interseção delas são os nós ou vértices simulando os grafos do
algoritmo. RODRIGUES [2] considerou os pesos dos nós como função de tempo, mas
neste projeto o peso considerado é o combustível consumido em toneladas para que a
partir de um ponto de origem e outro de destino o algoritmo trace um trajeto que
retorne o menor consumo de combustível pela embarcação.
Como explicado anteriormente, cada vértice da grade que foi criada possui oito pontos
operacionais associados a ele, consequentemente para cada ponto operacional é
possível calcular a eficiência global do motor e o fluxo de massa de combustível. De
maneira que, para cada aresta ligando dois vértices (i,j), ou interseções de latitude e
longitude como no caso real, é atribuído como constante o ponto operacional do
vértice j pela aresta e, por conseguinte, o fluxo de massa de combustível também
será, portanto o consumo de combustível pode ser encontrado através da
multiplicação do fluxo de massa pelo tempo do percurso.
O tempo é calculado dividindo-se a distância entre os vértices pela velocidade da
embarcação, já o peso que é o atributo do consumo é obtido multiplicando o fluxo de
massa de combustível consumida pelo tempo.
(3.41)
(3.42)
Em que, é o tempo (em horas); é a distância do vértice i ao j (em milha
náutica); V é a velocidade da embarcação (em milhas náuticas por hora); é o fluxo
de massa de combustível consumida (em Kg/s); é o peso que é a tomada de
decisão do algoritmo, este, como explicado, recebe o valor do consumo de
combustível (em toneladas).
Neste projeto, uma rota é otimizada para a velocidade de projeto e outras tantas
quantos forem as velocidades de slow steaming analisadas.
33
3.5. Avaliação Econômica
O transporte marítimo de cargas a granel é composto por linhas não regulares,
predominando operações no mercado de afretamento.
O afretamento de navios por viagem é considerada especulativa do ponto de vista
econômico devido ao fato das taxas de frete possuir um comportamento volátil e
cíclico justificado pela oferta e demanda que a todo o momento sofrem alterações
motivadas pelo crescimento do comercio, surgimento de novas encomendas, além de
fatores aleatórios como modificações nas políticas econômicas, fechamento de canais,
entre outros STOPFORD [23].
O mercado de afretamento tem suas particularidades e existem outros modelos de
afretamento, além do afretamento por viagem (Voyage charter): frete a casco nú
(Bareboat); por período (Time Charter). As diferenças dizem respeito, basicamente, a
responsabilidade dos custos.
Nos fretes a casco nú (Bareboat), o armador é responsável pelo custo de capital
enquanto que ao afretador cabe a incumbência de arcar com os custos operacionais e
de viagem, além de pagar por uma taxa de frete estabelecida pelo proprietário da
embarcação; naqueles por período de tempo (Time Charter) o armador fornece a
embarcação para o afretador por um período em troca de uma taxa de frete e se
responsabiliza pelos custos de capital e operacional, enquanto que o afretador arca
com os custos de viagem; e nos fretes por viagem (Voyage Charter) o armador
fornece a embarcação em troca de uma taxa de frete estipulada e fica encarregado
por arcar com os custos de capital, operacional e de viagem.
Haja vista que os contratos de frete são inerentes aos custos associados à
embarcação, faz-se necessário entendê-los. Por consequência, no transporte de carga
a granel os custos mais importantes restringem-se aos custos de capital, operacional e
de viagem, como é mostrado na Figura 16 da empresa de consultoria marítima inglesa
Drewry, a qual correlaciona os custos aos contratos.
34
Figura 16- Custos e contratos do transporte marítimo
Fonte: Drewry
Os custos de capital são aqueles relacionados à compra do navio, o que significa que
são diretamente ligados aos custos que envolvem o projeto, construção e aquisição de
equipamentos. Esse custo acompanha a vida útil da embarcação, sendo assim em sua
composição são adicionadas as amortizações e juros anuais.
Já os custos operacionais são correlacionados às despesas da embarcação para
torná-la em condições de operar e durante a operação. Esses custos podem ser
divididos nas categorias de custos com a tripulação; seguro; administração; materiais
e lubrificantes; e manutenção e reparos.
E Finalmente, os custos de viagem, como o nome já indica, são constituídos na
realização de uma viagem e diferentemente dos outros custos (capital e operacional)
este, pode variar. Esses custos são compostos principalmente pelos custos com
combustível no porto e no mar; despesas portuárias com rebocadores, práticos,
movimentação da carga; e despesas, eventuais, de travessia de canais, etc.
Além desses, há custos ligados ao tempo que a carga fica embarcada sem
comercialização, conhecidos como custos de imobilização da carga. Esses começam
a ser contabilizados a partir do momento em que a embarcação fica mais tempo no
mar do que era esperado para a velocidade de projeto, resultando num possível
aumento no custo final.
Entretanto, valores monetários relacionados ao crédito de carbono podem reduzir o
custo total e por consequência a taxa de frete. Segundo SILVA [6], o crédito de
carbono que também é conhecido como redução certificada de emissões (RCE) nada
mais é do que um certificado emitido por proprietários de máquinas à combustão com
a intenção de comprovar a redução de emissões de gases poluentes que colaboram
35
com o efeito estufa. Portanto, a quantificação para o crédito de carbono é realizada
assumindo como um crédito o correspondente a uma tonelada de dióxido de carbono
( ) que se deixa de emitir, e este crédito pode ser negociado.
Neste trabalho o procedimento de avaliação dos custos pautou-se em relacionar os
custos fixos (capital e operacional), variáveis (viagem), custo com a imobilização da
carga e os ganhos com crédito de carbono em análises de viagem em uma pernada
apenas. Tendo em vista as velocidades de slow steaming em conjunto com os
respectivos consumos de combustível e tempo de viagem, a análise foi feita no sentido
de verificar diante de cenários econômicos em que se simula um preço máximo, médio
e mínimo de combustível em um período, qual seria a melhor velocidade para se
navegar do ponto de vista financeiro. Como a análise envolve apenas uma pernada da
viagem, os custos extras relacionados à manutenção e reparos do motor ou máquinas
adjacentes devido à operação em slow steaming não foram considerados.
Para isso é necessário calcular os custos fixos ( , os custos variáveis ( ,
que se resumirá ao custo com o combustível, e um custo de imobilização
( da carga no porto, além de fazer uma dedução por créditos de carbono
( , a fim de reduzir o custo total.
O custo de imobilização da carga é estimado através de uma taxa diária; pelo preço de
comercialização da carga, que geralmente é dado por unidade de peso devendo-se
multiplicar pela capacidade de carga da embarcação; e pelo tempo de viagem. Já o
crédito de carbono seria uma dedução dos custos, seu cálculo é realizado a partir de
um valor estabelecido para a não emissão de uma tonelada de . A quantidade de
emissões de dióxido de carbono pode ser estimada por um coeficiente [24],Tabela
7.
Tabela 7-Tabela IMO [24]
36
(3.43)
(3.44)
(3.45)
(3.46)
Em que, o custo operacional e custo de capital são dados em dólar por dia ($/dia); o
tempo de viagem é dado em dias; é o preço da comercialização da carga
(em $/tonelada de carga); é a quantidade de carga transportada;
é o valor de uma tonelada de que se deixa de emitir (em $/tonelada de ); Q é
a quantidade de que não se emite (em tonelada); é o tempo de uma viagem
mais longa (dias); e é o tempo de uma viagem mais curta (dias).
Assim, nos cenários de estudo, aquela velocidade que representar o menor custo total
foi a escolhida.
(3.47)
37
4. Estudo de Caso
O carvão mineral foi uma das primeiras fontes de energia utilizadas em grande
quantidade pelo ser humano e no presente momento é o combustível fóssil com maior
disponibilidade do mundo [25]. Diferentemente do que acontece com o petróleo, de
cujas jazidas são privilégios de poucos países, o carvão está distribuído em grandes
quantidades a nível mundial, e no Brasil isso não é diferente. O Brasil detém reservas
de carvão em sua maioria na região sul do território, porém o minério presente é de
baixa qualidade do ponto de vista energético, o que significa que o poder calorífico
dele é baixo e com elevado teor de impurezas, portanto, a função de produção de
energia que é a principal para o qual é designado fica comprometida. Diante disso, o
Brasil importa cerca de 50% deste minério que é consumido em território nacional de
países como Estados unidos, Austrália, Canadá e África do Sul [26], os quais são
grandes produtores e exportadores, para suprir a demanda nacional de carvão
mineral.
Assim, com base nos principais países que exportam carvão para o Brasil, tomou-se
como objeto de estudo uma rota comercial de importação pelo Brasil de carvão
mineral da África do Sul, um dos maiores produtores desse mineral no mundo, no
presente trabalho. Com isso, o principal terminal da África do Sul de escoamento de
carvão para o exterior, terminal de Richard Bay, foi adotado como terminal de origem
da análise; enquanto o porto de Itaguaí na Cidade do Rio de Janeiro no Brasil foi tido
como terminal de destino da carga.
O cenário climatológico indicado baseado no dia 15 de julho de 2017 às 00h de cujas
alturas significativas de onda e direções foram retiras de CPTEC [27] ilustradas pelas
Figura 17 e Figura 18.
Figura 17- Oceano Atlântico
38
Figura 18-Oceano Índico
A embarcação usada foi um graneleiro capesize com porte bruto aproximado em cento
e setenta mil toneladas com velocidade de projeto de quinze nós e de características
principais contidas na Tabela 8. A forma foi gerada partir do software de modelação
computacional de forma do casco Freeship (Figura 19).
Tabela 8 - Características principais da embarcação de projeto
Tipo do Navio Graneleiro: Capesize
Comprimento Total: (m) 289,00
Comp. perpendiculares: (m) 278,00
Comp. Linha D'água: (m) 284,77
Boca Moldada: (m) 45,00
Calado Moldado : (m) 17,80
Vol. Desloc. Moldado: (m3) 194615
LCB rel. à PR: (m) 145,625
Coef. Seção Mestra: 0,9952
Coef. Linha D'água: 0,9148
Coef. Bloco: 0,841
Área Transom: (m2) 0,996
Área Transv. do Bulbo (m2): 80,966
Altura Centro Área Bulbo: (m) 6,65
Velocidade de serviço: (nós) 15,00
39
Figura 19- Vista da região de ré da forma do capesize objeto de projeto
Possuindo a forma e por consequência as características e dimensões principais, o
método estatístico de HOLTROP et al.[12] foi utilizado para estimar a resistência ao
avanço. Dessa forma, para ilustrar, uma curva presente no Gráfico 5 e uma tabela
(Tabela 9) com as resistências proporcionadas por todas as velocidades que a
embarcação pode navegar foram criadas.
Gráfico 5- Resistência ao avanço X velocidade
40
Tabela 9- Resistência ao avanço X velocidade
Velocidade (nós) Resistência (Kn) t w nrr
1,0 7,6 0,185 0,391 1,020
2,0 28,1 0,185 0,388 1,020
3,0 60,2 0,185 0,386 1,020
4,0 103,5 0,185 0,385 1,020
5,0 157,6 0,185 0,385 1,020
6,0 222,5 0,185 0,384 1,020
7,0 297,8 0,185 0,384 1,020
8,0 383,5 0,185 0,383 1,020
9,0 479,3 0,185 0,383 1,020
10,0 585,4 0,185 0,382 1,020
11,0 701,9 0,185 0,382 1,020
12,0 829,6 0,185 0,382 1,020
13,0 969,7 0,185 0,382 1,020
14,0 1124,6 0,185 0,382 1,020
15,0 1297,8 0,185 0,381 1,020
Com a resistência ao avanço e o coeficiente de redução da força propulsiva na
velocidade de projeto foi possível aplicar a equação 3.11 para encontrar o empuxo
requerido ( ) para se navegar na referida velocidade, e então se pôde iniciar a
seleção do hélice ótimo da série B para a embarcação.
(4.1)
O método da varredura foi escolhido para a análise e como pré-requisito, o propulsor
deveria possuir um diâmetro de 9,5 metros, já que os fabricantes ainda não produzem
hélices com diâmetros superiores a 10 metros. Portanto a busca foi iniciada varrendo 3
números de pás (z) possíveis, 3 razões de área e 5 números de rotação em rpm,
Tabela 10.
Tabela 10- Dados de entrada da varredura
Z: 4 5 6
Ae/A0: 0,5 0,55 0,6
N (RPM): 59 60 61 62 63
Após a aplicação do método da varredura, classificaram-se 3 propulsores com
melhores eficiências, com pequenas porcentagens de erro (quanto menor a
porcentagem de erro, mais próximo o empuxo de operação do hélice é do empuxo
requerido) e que passaram nos critérios de cavitação de Burril (Gráfico 6) para a etapa
de seleção do motor.
Tabela 11- Propulsores classificados
Identificação z Ae/A0 n
(Hz) J Treq T KTreq Ktdiagrama P/D Kq N0 Erro
1 5 0,5 61 0,494 1593,3407 1593,90 0,185 0,185 0,8 0,0260 0,55855 0,04%
2 4 0,5 63 0,478 1593,3407 1661,99 0,173 0,181 0,8 0,0246 0,53502 4,31%
3 4 0,55 63 0,478 1593,3407 1659,09 0,173 0,180 0,8 0,0247 0,53425 4,13%
41
Gráfico 6- Burril com pontos dos hélices
Desse modo os próximos passos dados na escolha do motor tiveram início na criação
da grade com os possíveis pontos da rota que a embarcação poderia navegar. Ela foi
concebida através dos cruzamentos das linhas espaçadas em 2° de longitude com as
linhas de 1° de latitude, resultando em 585 interseções, tendo como origem da rota a
interseção da latitude 29° Sul com a longitude 32° leste e como destino o ponto
refrente à latitude 23° Sul com a longitude 44° oeste, Figura 20. Em seguida, nos 585
nós, Figura 21, formados à partir das interseções foram considerados as alturas
significativas e direções de onda para a aplicação da formulação de TOWNSIN [15]
nas 8 direções possíveis e posteriormente a de VAN BERLEKOM ([16], apud KWON
[14]) no sentido de se obter a resistência adicional.
Figura 20- Interseções no Mapa
42
Figura 21-Grade representando as Interseções
Somando-se as oito direções, 3952 nós de resistência adicional foram encontrados, já
excluindo aqueles pontos referentes às interseções no domínio do território africano, e
então a mesma quantidade de empuxo é encontrada.
Como a margem de operação do motor a ser escolhido deve abranger boa parte
desses pontos realizou-se uma busca por todos os empuxos em cada um desses nós
e verificou-se que eles representam um total de dezessete que se repetem por
diversas vezes (Tabela 12), pelo fato do estado de mar ser considerado o mesmo do
dia 15 de julho de 2017 por toda viagem, embora a cada minuto ele se altere.
Tabela 12 - Empuxos por nós existentes nas 8 direções
Id. Empuxo T (KN) Incidência
1 1585,947 249 2 1593,341 273 3 1619,769 348 4 1654,992 728 5 1687,208 134 6 1735,61 99
7 1754,513 230 8 1767,942 908 9 1802,229 242
10 1949,38 212 11 2070,581 19 12 2072,284 300 13 2129,379 48 14 2475,832 102 15 2766,823 40 16 3026,825 18 17 3783,425 2
43
Com o empuxo requerido que neste trabalho foi chamado de empuxo de projeto, um
ponto de operação do motor (RPM2, BHP2) referente a cada um dos três propulsores
classificados foi calculado.
Tabela 13-Pontos operacionais de projeto para os 3 propulsores classificados
E com eles iniciou-se a busca pelo motor. No catálogo da MAN, apenas os motores
7G70ME-C9.5 e 8G70ME-C9.5 seriam passives de serem selecionados, com a
ressalva de que somente o de sete cilindros englobou os pontos de projeto dos três
propulsores enquanto que o de oito cilindros apenas um, como mostra o Gráfico 7.
Gráfico 7- Pontos de operação de projeto dos 3 propulsores
Então, a escolha do conjunto hélice e motor foi definida pelo maior número de pontos
de operação que o motor englobaria em sua margem de operação, considerando a
incidência de cada um desses pontos.
44
Tabela 14-Pontos de operação para os 3 propulsores
Como pode ser visto no Gráfico 8, o motor de oito cilindros comporta o maior número
de pontos operacionais, de cujos empuxos tem as maiores incidências para todos os
três hélices, vide Gráfico 9. Entretanto, dentro da margem de operação deste motor,
somente o ponto de projeto do hélice 1 fora envolvido, o que significa que os hélices 2
e 3 foram descartados, enquanto que o hélice 1 e o motor de oito cilindros 8G70ME-
C9.5 foram escolhidos para a continuidade do projeto. As características pertinentes
ao hélice e ao motor selecionados constam na Tabela 15.
Gráfico 8- Motores e pontos operacionais para cada hélice
45
Gráfico 9- Incidências
Tabela 15- Hélice e motor MAN selecionado
Finalmente, após a seleção do motor e do hélice, as análises de consumo horário de
combustível puderam se iniciar. Elas foram realizadas para a velocidade de projeto de
quinze milhas náuticas por hora (nós) e para velocidades de slow steaming de
quatorze, treze, doze, onze, dez, nove e oito milhas náuticas por hora. Para cada uma
das velocidades, um trajeto otimizado em função do consumo em cada nó da grade foi
gerado e a partir dele puderam ser extraídas informações de tempo de viagem e
consumo de combustível total.
46
4.1. Rota e Consumo para Quinze Milhas
Náuticas por Hora
O motor tendo sido selecionado, foi calculado o consumo horário de combustível em
cada ponto de operação para que fosse possível calcular os pesos que serviram de
entrada no programa de otimização da rota.
Tabela 16- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 15 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 67,0 17825,87 2,946482 2 67,1 17926,19 2,959646 3 67,5 18285,74 3,007312 4 67,9 18767,27 3,072444 5 68,4 19209,97 3,133792 6 69,0 19879,12 3,229558 7 69,2 20143,83 3,268665 8 69,4 20332,85 3,296997 9 69,9 20817,17 3,371125
10 71,7 22922,85 3,724459 11 73,2 24704,34 4,072075 12 73,2 24729,64 4,077398 13 73,9 25581,13 4,264151 14 77,9 30918,38 5,903044 15 81,1 35624,91 8,745251 16 83,9 39988,32 15,50443 17 91,3 51602,72 -
Em seguida, o programa de otimização baseado no algoritmo de Dijkstra é executado
e uma rota otimizada em função do consumo de combustível para o estado de mar de
quinze de julho de dois mil e dezessete é criada, conforme a Figura 22 ilustra e
traduzida na Figura 23, possuindo como origem o nó 273 e destino o nó 1 em amarelo.
Figura 22- Rota otimizada para 15 nós
47
Figura 23- Rota otimizada traduzida no mapa
Assim, através da Tabela 17 é possível verificar os pontos operacionais do motor
referente aos nós pelos quais a embarcação passa, e também, o consumo
proporcionado por eles. Além do consumo total e o tempo de viagem. Já no Gráfico
10, é possível ver a localização dos pontos perante a margem de operação do motor.
Gráfico 10-Pontos operacionais da rota para 15 nós
48
Tabela 17- Resultados da rota a 15 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2
273 - - - 312 17,1 69,0 19879,12 351 17,1 69,0 19879,12 389 38,1 69,0 19879,12 427 38,1 69,0 19879,12 465 38,1 69,0 19879,12 503 38,1 69,0 19879,12 502 26,4 73,2 24729,64 540 26,4 67,5 18285,74 500 29,5 69,4 20332,85 460 29,5 69,4 20332,85 459 26,4 69,4 20332,85 419 29,5 69,4 20332,85 379 29,5 69,4 20332,85 378 26,4 69,4 20332,85 338 27,4 69,4 20332,85 298 27,4 67,9 18767,27 258 27,4 67,9 18767,27 257 24,6 67,9 18767,27 256 24,6 67,9 18767,27 255 24,6 67,9 18767,27 254 26,4 67,9 18767,27 253 24,6 69,4 20332,85 213 27,4 67,9 18767,27 173 26,3 69,2 20143,83 133 26,3 68,4 19209,97 93 26,9 68,4 19209,97 53 26,9 69,9 20817,17 13 26,9 67,1 17926,19 12 24,1 71,7 22922,85 11 24,1 69,9 20817,17 10 24,1 69,9 20817,17 9 23,6 69,9 20817,17 8 23,6 68,4 19209,97 7 23,6 68,4 19209,97 6 23,6 68,4 19209,97 5 23,6 68,4 19209,97 4 23,6 68,4 19209,97 3 23,6 67,1 17926,19 2 23,6 67,1 17926,19 1 23,6 67,1 17926,19
consumo total: (ton) 1061,9 tempo: (dias) 13,7
Nota-se que os pontos operacionais da embarcação na rota estão dentro da margem de operação do motor.
49
4.2. Rota e Consumo para Quatorze Milhas
Náuticas por Hora
Conforme realizado no tópico anterior, o mesmo foi feito para as velocidades de slow
steaming. Dessa maneira, os possíveis pontos operacionais para quatorze nós e seus
respectivos consumos horários podem ser visto na Tabela 18.
Tabela 18 - Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 14 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 62,4 14399,21 2,42702 2 62,5 14480,22 2,437706 3 62,9 14770,59 2,47612 4 63,3 15159,47 2,527911 5 63,7 15517,00 2,575962 6 64,3 16057,40 2,649582 7 64,5 16270,21 2,679043 8 64,7 16422,85 2,700439 9 65,1 16813,96 2,755796
10 66,8 18514,44 3,00804 11 68,2 19951,85 3,240814 12 68,2 19972,28 3,244273 13 68,9 20659,89 3,363641 14 72,6 24968,30 4,280294 15 75,6 28766,87 5,487837 16 78,1 32287,79 7,305418 17 85,0 41657,99 19,71822
A rota otimizada para a velocidade de quatorze nós, pode ser vista na Figura 24, além
dos nós pelos quais a embarcação passa, e por consequência os pontos operacionais
do motor para que seja possível navegar pelo trajeto.
Figura 24-Rota otimizada para 14 nós
50
Na Tabela 19, encontram-se os pontos operacionais do motor referente a cada nó
pelos quais a embarcação navega e o respectivo consumo. Já no Gráfico 11 é
possível ver a localização desses pontos na margem de operação do motor.
Gráfico 11-Pontos operacionais da rota para 14 nós
51
Tabela 19-Resultados da rota para 14 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2 (Kw)
273 - - - 312 14,4 64,3 16057,4 351 14,4 64,3 16057,4 389 32,2 64,3 16057,4 427 32,2 64,3 16057,4 465 32,2 64,3 16057,4 503 32,2 64,3 16057,4 502 23,1 68,2 19972,3 540 23,3 62,9 14770,6 500 25,8 64,7 16422,8 460 25,8 64,7 16422,8 459 23,1 64,7 16422,8 419 25,8 64,7 16422,8 379 25,8 64,7 16422,8 378 23,1 64,7 16422,8 338 24,2 64,7 16422,8 298 24,2 63,3 15159,5 258 24,2 63,3 15159,5 257 21,7 63,3 15159,5 256 21,7 63,3 15159,5 255 21,7 63,3 15159,5 254 23,1 63,3 15159,5 253 21,7 64,7 16422,8 213 24,2 63,3 15159,5 173 23,2 64,5 16270,2 133 23,2 63,7 15517,0 93 23,7 63,7 15517,0 53 23,7 65,1 16814,0 13 23,7 62,5 14480,2 12 21,2 66,8 18514,4 11 21,2 65,1 16814,0 10 21,2 65,1 16814,0 9 20,8 65,1 16814,0 8 20,8 63,7 15517,0 7 20,8 63,7 15517,0 6 20,8 63,7 15517,0 5 20,8 63,7 15517,0 4 20,8 63,7 15517,0 3 20,8 62,5 14480,2 2 20,8 62,5 14480,2 1 20,8 62,5 14480,2
Consumo Total: (ton) 928,8 Tempo (dias): 14,68 Percebe-se que a embarcação navegando nesta velocidade já apresenta pontos
operacionais fora da margem de operação do motor, em compensação o consumo
apresenta sinais de redução.
52
4.3. Rota e Consumo para Treze Milhas
Náuticas por Hora
Analogamente ao que foi feito para as outras velocidades, tem-se os pontos
operacionais e o consumo horário proporcionado por eles para a velocidade de treze
milhas náuticas por hora na Tabela 20.
Tabela 20- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 13 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 58,0 11526,77 1,971763
2 58,0 11591,62 1,980777
3 58,4 11824,07 2,013052
4 58,8 12135,38 2,056233
5 59,1 12421,6 2,095936
6 59,7 12854,21 2,15606
7 59,9 13024,69 2,17992
8 60,0 13146,89 2,197161
9 60,4 13459,99 2,241448
10 62,0 14821,29 2,437185
11 63,3 15972,16 2,609727
12 63,3 15988,51 2,612236
13 63,9 16538,97 2,69775
14 67,4 19988,25 3,297746
15 70,2 23029,43 3,968455
16 72,5 25848,42 4,794731
17 79,0 33350,75 7,922364
A rota e os nós pelos quais a embarcação navega pode ser identificado pelo caminho
verde na Figura 25. A partida é representada pelo nó 273 e a chegada pelo nó 1 em
amarelo.
Figura 25- Rota otimizada para 13 Nós
53
Na Tabela 21 se pode observar os pontos operacionais da rota e os respectivos
consumos para cada nó. Além disso, pode-se notar o tempo total em dias e o
consumo total. Já no Gráfico 3, pode-se identificar a localização dos pontos
operacionais diante do motor.
Gráfico 12-Pontos operacionais da rota para 13 nós
54
Tabela 21- Resultados da rota para 13 nós
Rota Toneladas de Combustível RPM2 BHP2 (KW)
273 - - - 312 12,5 59,7 12854,2
351 12,5 59,7 12854,2
389 27,8 59,7 12854,2 427 27,8 59,7 12854,2
465 27,8 59,7 12854,2 503 27,8 59,7 12854,2
502 20,3 63,3 15988,5
540 20,4 58,4 11824,1
500 22,6 60,0 13146,9 460 22,6 60,0 13146,9 459 20,3 60,0 13146,9
419 22,6 60,0 13146,9 379 22,6 60,0 13146,9
378 20,3 60,0 13146,9 338 21,2 60,0 13146,9 298 21,2 58,8 12135,4
258 21,2 58,8 12135,4 257 19,0 58,8 12135,4
256 19,0 58,8 12135,4
255 19,0 58,8 12135,4
254 20,3 58,8 12135,4
253 19,0 60,0 13146,9 213 21,2 58,8 12135,4
173 20,3 59,9 13024,7 133 20,3 59,1 12421,6
93 20,7 59,1 12421,6
53 20,7 60,4 13460,0
13 20,7 58,0 11591,6
12 18,6 62,0 14821,3 11 18,6 60,4 13460,0
10 18,6 60,4 13460,0
9 18,2 60,4 13460,0
8 18,2 59,1 12421,6 7 18,2 59,1 12421,6
6 18,2 59,1 12421,6
5 18,2 59,1 12421,6 4 18,2 59,1 12421,6
3 18,2 58,0 11591,6 2 18,2 58,0 11591,6
1 18,2 58,0 11591,6
Consumo Total: (ton) 811,4 Tempo: (dias) 15,8 À treze nós todos os pontos operacionais estão em sua maioria fora da margem de
operação do motor.
55
4.4. Rota e Consumo para Doze Milhas Náuticas
por Hora
Da mesma maneira, os pontos operacionais possíveis e os respectivos consumos
horários para doze nós apresentam-se na Tabela 22.
Tabela 22- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 12 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 53,6 9108,178 1,5716 2 53,6 9159,436 1,579196 3 53,9 9343,157 1,606355 4 54,3 9589,204 1,64258 5 54,6 9815,414 1,675758 6 55,1 10157,33 1,725733 7 55,3 10292,69 1,745633 8 55,5 10389,28 1,759841 9 55,8 10636,75 1,796205
10 57,3 11712,7 1,954255 11 58,5 12623,14 2,089819 12 58,5 12636,06 2,091759 13 59,1 13071,16 2,157384 14 62,3 15798,54 2,590884 15 64,9 18203,7 3,024459 16 67,1 20433,6 3,496993 17 73,0 26369,25 4,957514
A rota e os nós pelos quais a embarcação navega à doze nós pode ser identificado
pelo caminho verde na Figura 26.
Figura 26-Rota otimizada para 12 nós
Os pontos operacionais e consumo em cada nó por onde navega a embarcação,
tempo total e consumo total podem ser vistos na Tabela 23.
56
Tabela 23- Resultados da rota para 12 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2 (Kw)
273 - - - 312 10,8 55,1 10157,3
351 10,8 55,1 10157,3
389 24,1 55,1 10157,3 427 24,1 55,1 10157,3
465 24,1 55,1 10157,3 503 24,1 55,1 10157,3
502 17,6 58,5 12636,1
540 17,6 53,9 9343,2
500 19,7 55,5 10389,3 460 19,7 55,5 10389,3 459 17,6 55,5 10389,3
419 19,7 55,5 10389,3 379 19,7 55,5 10389,3
378 17,6 55,5 10389,3 338 18,3 55,5 10389,3 298 18,3 54,3 9589,2
258 18,3 54,3 9589,2 257 16,4 54,3 9589,2
256 16,4 54,3 9589,2
255 16,4 54,3 9589,2
254 17,6 54,3 9589,2
253 16,4 55,5 10389,3 213 18,3 54,3 9589,2
173 17,5 55,3 10292,7 133 17,5 54,6 9815,4
93 17,9 54,6 9815,4
53 17,9 55,8 10636,8
13 17,9 53,6 9159,4
12 16,1 57,3 11712,7 11 16,1 55,8 10636,8
10 16,1 55,8 10636,8
9 15,7 55,8 10636,8
8 15,7 54,6 9815,4 7 15,7 54,6 9815,4
6 15,7 54,6 9815,4
5 15,7 54,6 9815,4 4 15,7 54,6 9815,4
3 15,7 53,6 9159,4 2 15,7 53,6 9159,4
1 15,7 53,6 9159,4
Consumo Total: (ton) 702,2 Tempo: (dias) 17,1
57
Gráfico 13-Pontos operacionais da rota para 12 nós
Navegando a doze nós, os pontos operacionais da embarcação se distanciam mais da
margem de operação do motor, de modo a não haver mais nenhum ponto dentro da
margem.
58
4.5. Rota e Consumo para Onze Milhas
Náuticas por Hora
Os pontos operacionais possíveis e os respectivos consumos horários para onze nós
apresentam-se na Tabela 24.
Tabela 24- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 11 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 49,2 7072,906 1,225865 2 49,3 7112,725 1,232102 3 49,5 7255,446 1,254404 4 49,9 7446,581 1,284147 5 50,2 7622,307 1,311375 6 50,7 7888,498 1,35249 7 50,8 7993,862 1,368796 8 51,0 8068,898 1,38039 9 51,3 8261,157 1,410027
10 52,7 9097,03 1,538036 11 53,8 9805,351 1,646514 12 53,8 9815,391 1,648052 13 54,3 10153,43 1,699846 14 57,2 12273,69 2,030256 15 59,6 14144,05 2,337947 16 61,6 15878,71 2,647319 17 67,1 20497,44 3,516674
A rota parra a navegação a onze milhas náuticas por hora é dada pela Figura 27.
Figura 27- Rota otimizada para 11 nós
Os pontos operacionais e consumo em cada nó, tempo total e consumo total podem
ser vistos na Tabela 25.
59
Tabela 25- Resultados para 11 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2 (Kw)
273 - - - 312 9,3 50,7 7888,5 351 9,3 50,7 7888,5 389 20,7 50,7 7888,5 427 20,7 50,7 7888,5 465 20,7 50,7 7888,5 503 20,7 50,7 7888,5 502 15,1 53,8 9815,4 540 15,0 49,5 7255,4 500 16,8 51,0 8068,9 460 16,8 51,0 8068,9 459 15,1 51,0 8068,9 419 16,8 51,0 8068,9 379 16,8 51,0 8068,9 378 15,1 51,0 8068,9 338 15,6 51,0 8068,9 298 15,6 49,9 7446,6 258 15,6 49,9 7446,6 257 14,0 49,9 7446,6 256 14,0 49,9 7446,6 255 14,0 49,9 7446,6 254 15,1 49,9 7446,6 253 14,0 51,0 8068,9 213 15,6 49,9 7446,6 173 14,9 50,8 7993,9 133 14,9 50,2 7622,3 93 15,3 50,2 7622,3 53 15,3 51,3 8261,2 13 15,3 49,3 7112,7 12 13,7 52,7 9097,0 11 13,7 51,3 8261,2 10 13,7 51,3 8261,2 9 13,4 51,3 8261,2 8 13,4 50,2 7622,3 7 13,4 50,2 7622,3 6 13,4 50,2 7622,3 5 13,4 50,2 7622,3 4 13,4 50,2 7622,3 3 13,4 49,3 7112,7 2 13,4 49,3 7112,7 1 13,4 49,3 7112,7
Consumo Total: (ton) 599,6 Tempo: (dias) 18,7
60
Gráfico 14- Pontos de operação da rota para 11 nós
Analogamente à navegação a doze nós, não existe mais nenhum ponto operacional da
rota que esteja dentro da margem de operação do motor. Todos estão abaixo e se
distanciam cada vez mais.
61
4.6. Rota e Consumo para Dez Milhas Náuticas
por Hora
Os pontos operacionais possíveis e os respectivos consumos horários para dez nós
apresentam-se na Tabela 26.
Tabela 26- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 10 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 44,9 5371,108 0,935336 2 44,9 5401,36 0,940263 3 45,2 5509,792 0,957892 4 45,5 5655,006 0,981433 5 45,8 5788,51 1,003007 6 46,2 5991,515 1,03576 7 46,4 6071,573 1,048659 8 46,5 6128,587 1,057832 9 46,8 6274,668 1,081292
10 48,0 6910,167 1,182706 11 49,0 7448,947 1,268273 12 49,0 7456,576 1,269481 13 49,5 7713,433 1,310129 14 52,2 9325,811 1,565435 15 54,4 10748,71 1,794202 16 56,2 12068,96 2,01338 17 61,2 15585,56 2,600097
A rota para a navegação a dez milhas náuticas por hora é dada pela Figura 28.
Figura 28- Rota otimizada para 10 nós
Os pontos operacionais e consumo em cada nó por onde a embarcação navega,
tempo total e consumo total podem ser vistos na Tabela 27.
62
Tabela 27- Resultados para 10 Nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM BHP
273 - - - 312 7,9 46,2 5991,5 351 7,9 46,2 5991,5 389 17,6 46,2 5991,5 427 17,6 46,2 5991,5 465 17,6 46,2 5991,5 503 17,6 46,2 5991,5 502 12,7 49,0 7456,6 540 12,6 45,2 5509,8 500 14,2 46,5 6128,6 460 14,2 46,5 6128,6 459 12,7 46,5 6128,6 419 14,2 46,5 6128,6 379 14,2 46,5 6128,6 378 12,7 46,5 6128,6 338 13,2 46,5 6128,6 298 13,2 45,5 5655,0 258 13,2 45,5 5655,0 257 11,8 45,5 5655,0 256 11,8 45,5 5655,0 255 11,8 45,5 5655,0 254 12,7 45,5 5655,0 253 11,8 46,5 6128,6 213 13,2 45,5 5655,0 173 12,5 46,4 6071,6 133 12,5 45,8 5788,5 93 12,8 45,8 5788,5 53 12,8 46,8 6274,7 13 12,8 44,9 5401,4 12 11,5 48,0 6910,2 11 11,5 46,8 6274,7 10 11,5 46,8 6274,7 9 11,2 46,8 6274,7 8 11,2 45,8 5788,5 7 11,2 45,8 5788,5 6 11,2 45,8 5788,5 5 11,2 45,8 5788,5 4 11,2 45,8 5788,5 3 11,2 44,9 5401,4 2 11,2 44,9 5401,4 1 11,2 44,9 5401,4
Consumo Total: (ton) 504,8 Tempo: (dias) 20,6
63
Gráfico 15-Pontos de operação da rota para 10 nós
Como pode ser visto, os pontos operacionais se distanciam mais da margem de
operação do motor e a rota otimizada apresenta o mesmo caminho que as anteriores.
64
4.7. Rota e Consumo para Nove Milhas
Náuticas por Hora
Assim como feito para as outras velocidades, os pontos operacionais possíveis e os
respectivos consumos horários podem ser vistos na Tabela 28.
Tabela 28- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 9 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 40,5 3965,726 0,6990125 2 40,6 3988,075 0,7027376 3 40,8 4068,179 0,7160783 4 41,1 4175,453 0,7339188 5 41,3 4274,077 0,7502954 6 41,7 4424,715 0,7752543 7 41,9 4483,865 0,7850399 8 42,0 4525,988 0,7920038 9 42,2 4633,916 0,8098283
10 43,4 5104,252 0,8872129 11 44,3 5502,352 0,9523692 12 44,3 5507,989 0,95329 13 44,7 5697,771 0,9842669 14 47,2 6890,221 1,1780765 15 49,1 7943,044 1,3490923 16 50,8 8920,418 1,5091611 17 55,3 11526,14 1,9271164
A rota para a navegação a dez milhas náuticas por hora é dada pela Figura 29.
Figura 29- Rota otimizada para 9 nós
Os pontos operacionais e consumo em cada nó pelos quais a embarcação navega,
tempo total e consumo total podem ser vistos na Tabela 29.
65
Tabela 29-Resultados para 9 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2 (Kw)
273 - - - 312 6,6 41,7 4424,7 351 6,6 41,7 4424,7 389 14,7 41,7 4424,7 427 14,7 41,7 4424,7 465 14,7 41,7 4424,7 503 14,7 41,7 4424,7 502 10,6 44,3 5508,0 540 10,5 40,8 4068,2 500 11,8 42,0 4526,0 460 11,8 42,0 4526,0 459 10,6 42,0 4526,0 419 11,8 42,0 4526,0 379 11,8 42,0 4526,0 378 10,6 42,0 4526,0 338 10,9 42,0 4526,0 298 10,9 41,1 4175,5 258 10,9 41,1 4175,5 257 9,8 41,1 4175,5 256 9,8 41,1 4175,5 255 9,8 41,1 4175,5 254 10,6 41,1 4175,5 253 9,8 42,0 4526,0 213 10,9 41,1 4175,5 173 10,4 41,9 4483,9 133 10,4 41,3 4274,1 93 10,7 41,3 4274,1 53 10,7 42,2 4633,9 13 10,7 40,6 3988,1 12 9,5 43,4 5104,3 11 9,5 42,2 4633,9 10 9,5 42,2 4633,9 9 9,3 42,2 4633,9 8 9,3 41,3 4274,1 7 9,3 41,3 4274,1 6 9,3 41,3 4274,1 5 9,3 41,3 4274,1 4 9,3 41,3 4274,1 3 9,3 40,6 3988,1 2 9,3 40,6 3988,1 1 9,3 40,6 3988,1
Consumo Total: (ton) 419,8 Tempo: (dias) 22,8
66
Gráfico 16 -Pontos de operação da rota para 9 nós
Seguindo a tendência presente os resultados anteriores, os pontos operacionais se
distanciam mais da margem de operação do motor e a rota otimizada apresenta o
mesmo caminho.
67
4.8. Rota e Consumo para Oito Milhas Náuticas
por Hora
Por fim, os pontos operacionais possíveis e os respectivos consumos horários para a
navegação á oito nós podem ser vistos na Tabela 30.
Tabela 30- Consumo horário de combustível nos possíveis pontos operacionais para 8 nós
Pontos de Operação
Identificação RPM 2 BHP2 (kw) Consumo Horário (ton/h)
1 36,1 2826,451 0,51325 2 36,2 2842,389 0,515943 3 36,4 2899,515 0,525595 4 36,6 2976,017 0,53852 5 36,9 3046,853 0,550448 6 37,2 3154,327 0,568514 7 37,4 3196,515 0,575604 8 37,5 3226,559 0,580653 9 37,7 3303,537 0,593587
10 38,7 3639,669 0,649936 11 39,5 3923,638 0,697374 12 39,5 3927,658 0,698045 13 39,9 4063,026 0,720651 14 42,1 4915,189 0,862254 15 43,8 5666,682 0,986687 16 45,3 6365,377 1,10231 17 49,4 8230,408 1,399978
A rota para a navegação a dez milhas náuticas por hora é dada pela Figura 30- Rota
otimizada para 8 nós.
Figura 30- Rota otimizada para 8 nós
Os pontos operacionais e consumo em cada nó, tempo total e consumo total podem
ser vistos na Tabela 31.
68
Tabela 31- Resultados da rota para 8 nós
Rota Toneladas de Combustível
RPM2 BHP2 (Kw)
273 - - - 312 5,4 37,2 3154,3 351 5,4 37,2 3154,3 389 12,1 37,2 3154,3 427 12,1 37,2 3154,3 465 12,1 37,2 3154,3 503 12,1 37,2 3154,3 502 8,7 39,5 3927,7 540 8,6 36,4 2899,5 500 9,7 37,5 3226,6 460 9,7 37,5 3226,6 459 8,7 37,5 3226,6 419 9,7 37,5 3226,6 379 9,7 37,5 3226,6 378 8,7 37,5 3226,6 338 9,0 37,5 3226,6 298 9,0 36,6 2976,0 258 9,0 36,6 2976,0 257 8,1 36,6 2976,0 256 8,1 36,6 2976,0 255 8,1 36,6 2976,0 254 8,7 36,6 2976,0 253 8,1 37,5 3226,6 213 9,0 36,6 2976,0 173 8,6 37,4 3196,5 133 8,6 36,9 3046,9 93 8,8 36,9 3046,9 53 8,8 37,7 3303,5 13 8,8 36,2 2842,4 12 7,9 38,7 3639,7 11 7,9 37,7 3303,5 10 7,9 37,7 3303,5 9 7,7 37,7 3303,5 8 7,7 36,9 3046,9 7 7,7 36,9 3046,9 6 7,7 36,9 3046,9 5 7,7 36,9 3046,9 4 7,7 36,9 3046,9 3 7,7 36,2 2842,4 2 7,7 36,2 2842,4 1 7,7 36,2 2842,4
Consumo Total: (ton) 346,4 Tempo: (dias) 25,7
69
Gráfico 17-Pontos de operação da rota para 8 nós
Comprova-se uma tendência nessas análises: à medida que a velocidade da
embarcação diminui, os pontos de operação se distanciam cada vez mais da margem
de operação do motor. E obviamente, o consumo de combustível cai enquanto que o
tempo do percurso aumenta.
70
4.10. Resumo após encontrar as rotas
Após encontrar as rotas para todas as velocidades, os pontos operacionais da rota de
navegação para cada nó encontram-se resumido no Gráfico 18. Já o consumo e o
tempo para todas as velocidades estão na Tabela 32.
Gráfico 18- Pontos operacionais das rotas nas oito velocidades
Tabela 32- Tempo e consumo nas oito velocidades
71
4.11. Cenários Econômicos
Com os resultados das rotas marítimas otimizadas para a velocidade de projeto e
velocidade de slow steaming que abrangem não só o trajeto propriamente dito, mas
também, o consumo total e o tempo gasto nos trajetos, foi possível dar início a análise
econômica.
Mas para que pudesse ser realizada é importante ressaltar que as análises em
questão foram consideradas para o caso de um armador dono da própria carga num
contrato do tipo Voyage charter, e assim, para que o cálculo pudesse ser efetuado,
algumas informações de custo para um navio graneleiro capesize foram necessárias
para a análise, tais como: custo de capital diário, operacional, preço do combustível
por tonelada, preço da comercialização do carvão transportado e valor do crédito de
carbono por tonelada, além da estimativa da capacidade de carga.
Dessa maneira para o custo de capital adotou-se uma média dada pela empresa de
consultoria Clarkson para o período compreendido entre 2006 e 2016, de $17.339,26
por dia. O custo operacional diário foi assumido como $7.650,00, por uma estimativa
realizada pela empresa de contabilidade e consultoria britânica conhecida por Moore
Stephens.
Já o preço do combustível foi deduzido do Gráfico 19 dado por Bunker World, onde foi
considerado os preços compreendidos entre os anos de 2011 e 2015, encontrou-se os
máximos e mínimos e fez-se uma média, sendo que o mesmo foi feito para o crédito
de carbono [28]. Os valores foram reunidos na Tabela 33.
Para o preço de comercialização do carvão adotou-se $76,00/ton para um valor
máximo e $45,00/ton para um valor mínimo dentro do mesmo período [29]. E a taxa
relacionada a esse é a taxa anual da Libor (5,24% a.a.) que é largamente utilizada em
operações de comércio externo. Por fim, a capacidade de carga da embarcação foi
estimada por LAMB [30] resultando em um valor de 150.819,5 toneladas.
72
Gráfico 19 - Preço do combustível marítimo
Fonte: Bunker World
Tabela 33- Valores de Combustível e Crédito de Carbono
O estudo pautou-se em quatro cenários econômicos (Tabela 34), os quais se
diferenciaram pelos custos de combustível em situações de oscilações no crédito de
carbono e variações no preço de comercialização do carvão.
74
4.11.1. Cenário Econômico 1
O cenário em questão representou os custos correspondentes a cada velocidade
mantendo-se constante e máximo o valor do combustível e o preço de comercialização
da carga, enquanto se varia o crédito de carbono por valores máximo (Tabela 35),
médio (Tabela 36) e mínimo (Tabela 37). As velocidades correspondentes ao menor
custo total em cada uma das três análises estão assinaladas em vermelho.
Tabela 35-Cenário 1/Análise 1: Máximo valor de combustível; máximo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 36-Cenário 1/Análise 2: Máximo valor de combustível; médio crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 37-Cenário 1/Análise 3: Máximo valor de combustível; mínimo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Neste cenário a velocidade que proporcionou um menor custo total nas três diferentes
análises foi a velocidade de nove milhas náuticas por hora. Essa constatação pode ser
observada mais claramente no Gráfico 20.
76
4.11.2. Cenário Econômico 2
Este cenário representou os custos correspondentes a cada velocidade mantendo-se
constante o valor médio do combustível e o preço máximo de comercialização da
carga, enquanto se varia o crédito de carbono por valores máximo (Tabela 38), médio
(Tabela 39) e mínimo (Tabela 40). Analogamente ao cenário 1, as velocidades
correspondentes ao menor custo total em cada uma das três análises estão
assinaladas em vermelho.
Tabela 38-Cenário 2/Análise 1: Médio valor de combustível; máximo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 39-Cenário 2/Análise 2: Médio valor de combustível; médio crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 40-Cenário 2/Análise 3: Médio valor de combustível; mínimo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Como pode ser observado tanto nas tabelas quanto no Gráfico 21, a velocidade de
dez milhas náuticas por hora foi a que gerou um menor custo total nas três análises
deste cenário.
78
4.11.3. Cenário Econômico 3
O cenário 3 representou os custos correspondentes a cada velocidade mantendo-se
constante e o valor mínimo do combustível e o preço máximo de comercialização da
carga, enquanto se varia o crédito de carbono por valores máximo (Tabela 41), médio
(Tabela 42) e mínimo (Tabela 43). Da mesma maneira que foi feito no cenário 1 e 2,
as velocidades correspondentes ao menor custo total em cada uma das três análises
estão assinaladas em vermelho.
Tabela 41-Cenário 3/Análise 1: Mínimo valor de combustível; máximo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 42-Cenário 3/Análise 2: Mínimo valor de combustível; médio crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Tabela 43-Cenário 3/Análise 3: Mínimo valor de combustível; mínimo crédito de carbono; máximo
valor da carga $76,00 por tonelada.
Todas as três análises deste cenário indicaram um menor custo total quando a
embarcação navega à treze milhas náuticas por hora.
80
4.11.4. Cenário Econômico 4
Diferentemente dos outros cenários, neste visou-se verificar a real influência do preço
da comercialização da carga ao adotar um preço mínimo nas três análises. Assim,
manteve-se constante o valor máximo do crédito de carbono, enquanto que o preço do
combustível variou entre máximo (Tabela 44), médio (Tabela 45) e mínimo (Tabela
46).
Tabela 44-Cenário 4/Análise 1: Máximo valor de combustível; máximo crédito de carbono; e
mínimo valor da carga $45,00 por tonelada.
Tabela 45-Cenário 4/Análise 2: Médio valor de combustível; máximo crédito de carbono; e mínimo
valor da carga $45,00 por tonelada.
Tabela 46-Cenário 4/Análise 3: Mínimo valor de combustível; máximo crédito de carbono; e mínimo
valor da carga $45,00 por tonelada.
A análise de preço máximo de combustível indicou uma velocidade de nove milhas
náuticas por hora; a de médio preço de combustível, uma velocidade de dez nós; e a
de mínimo preço, de treze nós, como pode ser comprovado nas tabelas e no Gráfico
23.
82
5. Análise de Resultados
Após a obtenção dos resultados, algumas avaliações podem ser feitas e conclusões
podem ser tiradas. A primeira delas, diz respeito à escolha do hélice propulsor. Como
pode ser visto, a sua escolha acabou se direcionando para aquele de maior eficiência
(Hélice 1), mas não por esse simples fato, e sim pelo fato do propulsor de maior
eficiência em análise conjunta com a escolha do motor abranger o ponto de operação
de projeto e o maior número de pontos operacionais dentro da margem de operação
do motor disponível.
Ao rodar o programa para a velocidade de projeto e as velocidades de slow steaming,
foi possível notar que todas as oito rotas otimizadas geradas seguiram por caminhos
semelhantes buscando os nós correspondentes aos menores consumos de
combustível, os quais foram àqueles representados pelos pontos operacionais mais
baixos do motor nas respectivas velocidades. Á medida que a velocidade é reduzida
constata-se que o consumo em cada nó e o consumo global são reduzidos, enquanto
que o tempo de percurso é ligeiramente estendido.
Ao passo que o programa procurou uma rota de cujos pontos representam menores
consumos de combustível, é essencial ressaltar que, ele indiretamente esta buscando
uma rota que faça com que a embarcação desvie das condições de mar menos
favoráveis, pois quanto mais desfavorável for o mar, maior será a potência que o
motor deve fornecer e, por consequência, o consumo.
Os nós visitados pelo programa na otimização do trajeto para a velocidade de 15 nós
foram aqueles de cujos pontos operacionais correspondentes estavam dentro da
margem de operação do motor e por isso não houve a necessidade de se reduzir a
velocidade em nenhum deles, mantendo-se assim a velocidade constante. O mesmo
acontecendo para as outras velocidades, com a ressalva de que os respectivos nós do
trajeto otimizado pelos quais a embarcação navega nas demais velocidades que não
sejam a de projeto (14, 13, 12, 11, 10, 9 e 8 milhas náuticas por hora) representam
alguns pontos operacionais que estão abaixo da margem inferior de operação do
motor, entretanto isso não significa que o motor não opere, mas sim, opera em baixa
carga podendo comprometer seu bom funcionamento e sua vida útil.
Do ponto de vista econômico, o objetivo primário de realizar as análises pautou-se em
descobrir a melhor velocidade de navegação minimizando o custo total segundo
alguns cenários econômicos; já o secundário, foi verificar a real influência dos custos
83
de combustível, de imobilização da carga e o desconto por crédito de carbono no
custo final.
Verificando-se os resultados das três análises dos três primeiros cenários (cenário 1, 2
e 3) identificou-se que a velocidade ótima não se modificou em nenhuma das análises
dentro dos cenários, ou seja, as três análises do cenário 1 convergiram para uma
velocidade de 13 nós; as três do cenário 2 confluíram para 10 nós; e as três do cenário
3, para 9 nós. Investigando globalmente os três cenários conclui-se que à medida que
o preço de combustível marítimo diminui, a tendência é de aumentar a velocidade de
navegação. Já averiguando as três análises de cada um dos três cenários percebe-se
que o preço o desconto no custo total proporcionado pelos créditos de carbono não
são determinantes para a tomada de decisão de modificar a velocidade, pois à medida
que o preço tabelado do crédito diminui (da primeira análise para a terceira dentro de
cada cenário), a velocidade ótima não se altera.
Gráfico 24- Comparação entre cenários segundo variações do preço da carga
Agora, examinado os três análises do cenário 4 comparando a primeira análise com a
primeira análise do cenário 1, a segunda análise com a primeira do cenário 2, e a
terceira análise com a primeira do cenário 3, pode-se concluir que o preço de
comercialização da carga relacionada ao custo de imobilização não é determinante na
tomada de decisão da velocidade ótima, tampouco influencia no custo final total. Como
pode ser visto no Gráfico 24, as velocidades se mantêm constante quando feitas as
comparações mencionadas, além disso, a diferença monetária do custo final é
irrelevante quando se diminui o preço da carga. A razão para que o valor da carga não
84
tenha tal interferência consiste no fato dela apresentar um baixo valor agregado, ao
ponto que se ela possuísse um valor um pouco mais alto, a história poderia ser outra.
Portanto, após as análises, a conclusão que se tira é que à medida que o custo de
combustível aumenta, deve-se diminuir a velocidade da embarcação com o propósito
de economizar combustível para reduzir os custos, enquanto que se o preço do
combustível diminuir pode-se aumentar a velocidade.
Entretanto, existem outros motivos sem ligação com esses custos que a embarcação
pode aumentar ou diminuir a velocidade. Um deles acontece quando a embarcação se
aproxima de uma região onde se limita as emissões de CO2, logo ela deve reduzir a
velocidade sobre imposição, do contrário será multada. Outra situação acontece
quando o cenário econômico é de alta demanda. Nesse caso, a tendência é de
aumentar a velocidade para que se possam fazer mais viagens. Embora possa existir
o caso do preço de combustível estar em alta no mesmo período, na maioria das
vezes é melhor aumentar a velocidade, pois os ganhos com o aumento do número de
viagens pode compensar a perda proporcionada pelo custo de combustível.
85
6. Conclusão
Ao final do projeto, pode-se dizer que os resultados encontrados não fugiram do que
se esperava ao seu início. Entretanto, como boa parte dos estudos ao redor do
mundo, este há de ser aprimorado.
Embora o cenário climático em questão apresente regiões onde o mar possua altura
significativa de onda elevada e direções desfavoráveis à navegação, ele não é dos
mais grossos existentes, tampouco apresenta inúmeras áreas de temporais, o que
tornou possível a utilização das formulações para a obtenção da resistência adicional,
e contribuiu significativamente para a otimização da rota no sentido de evitar que a
velocidade da embarcação fosse reduzida voluntariamente ao passar por esses nós,
de cujos pontos operacionais passam do limite superior da margem de operação do
motor.
Com isso, uma proposta de aprimoramento seria implementar no programa uma
redução voluntária da velocidade para um limite nos casos em que a embarcação
fosse obrigada a passar por regiões muito desfavoráveis a navegação e com isso não
conseguisse manter a velocidade original por questões de ter que aumentar a potência
para além do que o motor pode proporcionar ou até mesmo por questões de
segurança.
Além disso, foi notório que em nenhum dos cenários econômicos houve uma análise
que o resultado remetesse a velocidade de projeto de 15 nós. Dessa maneira, se a
tomada de decisão for baseada somente nos custos das análises para uma pernada
de uma viagem, a escolha por uma velocidade de projeto mais baixa e, por
conseguinte, uma nova seleção do sistema propulsivo seria algo que poderia ser feito.
86
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