PROPULSÃO AUXILIADA POR INSTALAÇÕES EÓLICAS: análise do desempenho de um kite em um navio...
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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS DA TERRA E DO MAR Curso de Tecnologia em Construção Naval PROPULSÃO AUXILIADA POR INSTALAÇÕES EÓLICAS: análise do desempenho de um kite em um navio porta-contêineres RENAN RAUL PEREIRA DA SILVA ITAJAÍ, 2011
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Estimativa preliminar do desempenho de um kite de 320 m² instalado em um navio porta-contêineres. O objetivo do estudo é demonstrar a viabilidade desse sistema que tem como proposta atuar em conjunto com o motor de combustão principal para economizar combustível. Monografia apresentada em junho de 2011 para a obtenção do título de Tecnólogo em Construção Naval, do Curso de Tecnologia em Construção Naval da Universidade do Vale do Itajaí.
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UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DA TERRA E DO MAR
Curso de Tecnologia em Construção Naval
PROPULSÃO AUXILIADA POR INSTALAÇÕES EÓLICAS: análise do desempenho de um kite em um navio porta-contêineres
RENAN RAUL PEREIRA DA SILVA
ITAJAÍ, 2011
UNIVERSIDADE DO VALE DO ITAJAÍ
RENAN RAUL PEREIRA DA SILVA
PROPULSÃO AUXILIADA POR INSTALAÇÕES EÓLICAS:
análise do desempenho de um kite em um navio porta-contêineres
Trabalho desenvolvido para a obtenção do título de Tecnólogo em Construção Naval do Curso Superior de Tecnologia em Construção Naval - Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar da Universidade do Vale do Itajaí.
Professor Orientador: Eng. Naval Arthur Augusto de Andrade Ennes
ITAJAÍ, 2011
RENAN RAUL PEREIRA DA SILVA
PROPULSÃO AUXILIADA POR INSTALAÇÕES EÓLICAS:
análise do desempenho de um kite em um navio porta-contêineres
Esta monografia foi julgada adequada para a obtenção do título de Tecnólogo em
Construção Naval e aprovada pelo Curso de Tecnologia em Construção Naval –
Centro de Ciências Tecnológicas da Terra e do Mar – Universidade do Vale do Itajaí.
Área de Concentração: Equipamentos Auxiliares do Sistema Propulsivo
Itajaí, 14 de junho de 2011.
_______________________________________
Prof. Carlos Frederico da Cunha Teixeira
UNIVALI – CTTMar
Presidente da banca
_______________________________________
Prof. Arthur Augusto de Andrade Ennes
UNIVALI – CTTMar
Orientador
_______________________________________
Prof. Luiz Eduardo Bueno Minioli
UNIVALI – CTTMar
Avaliador
PERMISSÃO PARA PUBLICAÇÃO
ITAJAÍ, 14 de junho de 2011.
Autorizo que este Trabalho de Conclusão de Curso de minha autoria e cujo tema é
Propulsão Auxiliada por Instalações Eólicas, análise do desempenho de um
kite em um navio porta-contêineres, seja publicado na página do curso de
Tecnologia em Construção Naval do site da Universidade do Vale do Itajaí
(www.univali.br) e no Blog da Naval (http://navalunivali.wordpress.com/).
___________________________________________
Renan Raul Pereira da Silva
DECLARAÇÃO DE ISENÇÃO
ITAJAÍ, 14 de junho de 2011.
Declaro, para todos os fins de direito, que assumo total responsabilidade
pelo aporte ideológico conferido ao presente trabalho, estando ciente do disposto no
Art. 60, parágrafo único, do Regulamento de Estágio e na Lei nº 9610 de
18/02/1998, isentando a Universidade do Vale do Itajaí – UNIVALI, o Curso de
Tecnologia em Construção Naval, a Banca Examinadora e o Orientador de TCC, de
toda e qualquer responsabilidade acerca do mesmo.
__________________________________
Renan Raul Pereira da Silva
Para Utibiriçá João da Silva,
meu avô e melhor amigo.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho é resultado de quatro anos e meio de uma caminhada
pontilhada de pessoas importantes, que serão para sempre lembradas como parte
em minha formação, tanto acadêmica, quanto para a vida.
Agradeço ao meu professor orientador, Arthur Ennes, pelo aprendizado que
recebi e pelas conversas construtivas sobre este estudo.
Ao professor Carlos Teixeira, que semeou a ideia para este estudo, ao
abordar a propulsão eólica em suas aulas na disciplina de Máquinas Marítimas I, e,
posteriormente, por me ceder material de grande valor sobre o tema.
A todos os meus amigos, de faculdade ou não, que estiveram comigo em
tantos desafios, e que ouviram com atenção, ficaram entusiasmados e apoiaram
minha ideia.
À minha família, por sempre depositar confiança em minha capacidade e por
todo o afeto dispensado nesses anos.
Em especial, à Karine, pelo apoio, interesse, incentivo, carinho e
compreensão.
Finalmente e principalmente, aos meus pais, Eduardo e Maria Antonieta, e à
minha irmã, Dafne, por moldarem meu caráter, patrocinarem meus estudos, por
todas as reprimendas, conversas, risos, momentos difíceis, e por me terem feito
seguir o caminho certo, sempre com inabalável amor e carinho.
Os que se fizeram ao mar em navios,
mercando nas grandes águas, estes viram as
obras do Senhor e suas maravilhas em alto
mar. Sua palavra levantou tremendo vento, que
impeliu para o alto as suas ondas. Subiam até
os céus, desciam aos abismos, suas almas
definhavam em angústias. Titubeavam e
cambaleavam como ébrios, e toda a sua
perícia se foi. Em sua agonia clamaram então
ao Senhor, e Ele os livrou da tribulação.
Transformou a tempestade em leve brisa, e as
ondas do mar silenciaram. E se alegraram
porque elas amainaram, e os conduziu ao
desejado porto.
Salmos 107, 23-30
RESUMO
Atualmente, a preocupação ambiental com a emissão de gases poluidores e a
crescente alta no preço dos combustíveis pressionam os armadores, que agora
buscam soluções para se adequarem ao contexto atual. A propulsão eólica volta a
ser cogitada, como auxílio à propulsão convencional, de forma a garantir economia
de combustível e redução de emissões. A utilização de kites em alguns navios
mostrou bons resultados para cumprir tais objetivos. O sistema é composto por um
kite, semelhante a um parapente, preso a um cabo na proa do navio. O kite é
controlado eletronicamente, e opera em altitudes de até 300 metros, onde ventos
mais fortes e constantes predominam. As vantagens do uso do kite estão
relacionadas com a facilidade de operação, pouco espaço requerido a bordo, área
vélica pequena e ausência de mastros que possam transmitir forças que adernem o
navio. No presente estudo, uma estimativa para o uso do kite em um navio porta-
contêineres foi realizada. Um modelo de 320 m² pode gerar uma potência de até
2.700 kW, aproximadamente. A economia de combustível chegou a mais de 1.000
toneladas de óleo por ano para o cenário avaliado, o que significa uma economia de
15%. Com o uso de kites maiores, essa economia pode ultrapassar 30%.
Palavras-chave: Propulsão auxiliar eólica. Kite. SkySails.
ABSTRACT
Nowadays, the concerning about air pollution and the growing fuel oil prices
place stresses at ship owners, which are looking for solutions to adequate to the
actual scenario. Wind propulsion appears again, as assistance to the main
propulsion of the ship, to save fuel and reduce emissions. The using of a kite in some
ships showed good results to achieve these goals. The system is formed by a kite,
similar to that of a paraglider, connected to a rope at the bow of the ship. The kite is
electronic controlled, and operates at altitudes up to 300 meters, where more strong
and constant wind prevail. The advantages of using a kite are related to the easy
operation of the system, less space required onboard, small sail area and the
absence of a mast that can transmit a heeling force to the ship. In the present study,
the use of a kite on a container ship is estimated. A kite with 320 m² can produce a
power up to 2.700 kW, approximately. The fuel savings reached more than 1.000
tons of fuel oil on the evaluated case, meaning a save of 15%. For bigger kites, the
savings may reach more than 30%.
Keywords: Wind assisted propulsion. Kite. SkySails.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: nomenclatura para um aerofólio. Fonte: BRUNETTI, 2005 ....................... 21
Figura 2: dispositivo sujeito a uma força propulsiva F e suas componentes Fs
(sustentação) e Fa (arrasto) imerso em um fluido a uma velocidade v0. Fonte:
adaptado de BRUNETTI, 2005. ........................................................................ 22
Figura 3: escoamento viscoso através de um aerofólio. A camada limite foi
exagerada para maior clareza. Fonte: KREITH et al., 1999. ............................ 23
Figura 4: diagrama polar. Fonte: BRUNETTI, 2005. ................................................. 24
Figura 5: tipos de propulsões eólicas auxiliares em navios. Fonte: adaptado de
YOSHIMURA, 2010. ......................................................................................... 25
Figura 6: combinação de propulsão eólica e propulsão do motor principal. Fonte:
adaptado de ASKER, 1985. .............................................................................. 26
Figura 7: navio-tanque Shin-Aitoku-Maru, utilizando velas rígidas; abaixo, esquema
do dispositivo. Fonte: YOSHIMURA, 2010. ...................................................... 27
Figura 8: Super Eco Ship 2030, projeto do armador japonês NYK, usando velas
rígidas. Fonte: NIPPON YUSEN KABUSHIKI KAISHA - NYK LINE, 2011. ...... 28
Figura 9: esquema do wing sail e sua montagem em um pequeno veleiro. Fonte:
ASKER, 1985. ................................................................................................... 30
Figura 10: Efeito Magnus. Fonte: adaptado de MARCHAJ, 1980. ............................ 31
Figura 11: propulsão do rotor de Flettner em função do ângulo de incidência do
vento em relação à embarcação. Fonte: WINDSHIP, 2011. ............................. 32
Figura 12: o Buckau, operando com dois rotores desenvolvidos por Anton Flettner.
Fonte: PORTAL MARÍTIMO, 2011. ................................................................... 33
Figura 13: E-Ship 1. Fonte: Jörn Prestien – SHIPSPOTTING, 2011 ........................ 34
Figura 14: projeto de navio-tanque equipado com rotores de Flettner. Fonte:
WINDAGAIN, 2011. .......................................................................................... 35
Figura 15: vista lateral e superior do Turbosail. Fonte: FONDATION COUSTEAU,
1986. ................................................................................................................. 36
Figura 16: funcionamento do Turbosail. Fonte: THE NEW ZEALAND DIGITAL
LIBRARY, 2010. ................................................................................................ 37
Figura 17: detalhe das entradas de ar e do flap no Turbosail. Fonte: THE
COUSTEAU SOCIETY, 2002. .......................................................................... 37
Figura 18: influência da sucção da camada limite em um aerofólio de perfil
NACA0012, com α 10°. À esquerda, fluxo sem controle; à direita, controle por
sucção. Fonte: FOURNIER; PELLERIN; PHUOC, 2010. .................................. 38
Figura 19: o Alcyone. Fonte: THE COUSTEAU SOCIETY, 2002. ............................ 39
Figura 20: MV Beluga SkySails. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?]. ........ 41
Figura 21: componentes do sistema. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?]. 41
Figura 22: MV "Michel A." Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, 2010. .................... 42
Figura 23: o kite. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?]. ................................. 43
Figura 24: ângulos em relação ao vento possíveis de operação. Fonte: SKYSAILS
GMBH &CO. KG, [200?]. .................................................................................. 43
Figura 25: cabo de reboque. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?]. ............... 45
Figura 26: ponto de transmissão de força. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG,
[200?]. ............................................................................................................... 46
Figura 27: guincho. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?]. ............................. 46
Figura 28: mastro de lançamento e recolhimento. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO.
KG, [200?]. ........................................................................................................ 47
Figura 29: central de controle. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?]. .......... 48
Figura 30: comparação entre as alturas das velas tradicionais e a do SkySails. A
curva indica a intensidade da energia do vento em função da altitude. Fonte:
SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?]. .............................................................. 49
Figura 31: Comparação entre os ângulos de inclinação de uma embarcação com
vela suportada por mastro e com a utilização do kite. Fonte: SKYSAILS GMBH
& CO. KG, [200-?]. ............................................................................................ 49
Figura 32: seção transversal do kite, mostrando como ele é inflado pelo vento e
adquire o formato de aerofólio. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?]. . 50
Figura 33: envelope de vôo. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007. ............................... 51
Figura 34: ângulo de ataque do kite. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007. .................. 52
Figura 35: exemplo de trajetória de voo do kite dentro do envelope de vôo. Fonte:
NAAIJEN; KOSTER, 2007. ............................................................................... 53
Figura 36: exemplo do posicionamento do envelope de vôo em um navio, com o
vento aparente soprando por uma bochecha. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007.
.......................................................................................................................... 53
Figura 37: diagrama polar mostrando a economia de combustível estimada com um
kite instalado em um navio-tanque. Fonte: NAAIJEN, KOSTER, 2007. ............ 56
Figura 38: cenários do uso do kite em duas embarcações, com estimativas de
acréscimo de economia de combustível e lucro, no contexto atual e para os
próximos 10 anos. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, 2011. ........................ 59
Figura 39: Log-In Jacarandá. Fonte: Edson Lucas - SHIPSPOTTING, 2011 ........... 65
Figura 40: rota do Log-In Jacarandá. Fonte: LOG-IN LOGÍSTICA INTERMODAL,
2011 .................................................................................................................. 65
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1: economia estimada para cada modelo de kite no cenário estudado. ....... 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: modelos de kite fornecidos pela SkySails e suas características.............. 44
Tabela 2: potências máximas e mínimas para cada modelo de kite, em kW. ........... 44
Tabela 3: eficiências propulsivas típicas para navios acima de 120m LPP. ............. 55
Tabela 4: Escala Beaufort ......................................................................................... 57
Tabela 5: potências, em kW, para cada modelo de kite, usando como parâmetros as
condições padrão do fabricante. ....................................................................... 61
Tabela 6: parâmetros para cenário 1. ....................................................................... 62
Tabela 7: cenário 1 - potências em kW para cada condição..................................... 63
Tabela 8: parâmetros para cenário 2 ........................................................................ 63
Tabela 9: cenário 2 - potências em kW para cada condição..................................... 63
Tabela 10: estimativa de potências Pk alcançadas pelo kite no navio Log-In
Jacarandá, com velocidade de serviço a 20 nós e ventos a 130° em relação à
embarcação. ..................................................................................................... 66
Tabela 11: estimativa de potências PI-k, em kW, deduzidas do MCP devido ao uso
do kite no navio Log-In Jacarandá . .................................................................. 67
Tabela 12: economia de combustível estimada para o navio Log-In Jacarandá, em
t/ano, para cada modelo de kite no cenário estudado. ..................................... 68
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AB: Arqueação Bruta.
BF: Beaufort Force (Força Beaufort).
CFD: Computational Fluid Dynamics (Fluidodinâmica Computacional).
CG: Centro de Gravidade.
GM: Altura Metacêntrica.
IMO: International Maritime Organization (Organização Marítima Internacional).
MARPOL 73/78: Convenção Internacional para a Prevenção de Poluição por Navios
de 1973, modificada pelo Protocolo de 1978 (MARPOL é a abreviatura em
inglês para marine pollution).
MCP: Motor de Combustão Principal.
NACA: National Advisory Committee for Aeronautics (Comitê Nacional para
Aconselhamento sobre Aeronáutica), extinto órgão do governo dos EUA, é
prefixo de uma série de aerofólios criados pelo mesmo.
NYK: Nippon Yusen Kabushiki Kaisha.
rpm: rotações por minuto.
TEU: Twenty Equivalent Unit (unidade equivalente a 20 pés).
USD: United States Dollar (dólar estadunidense).
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 16
1.1 Objetivos ..................................................................................................... 17
1.1.1 Objetivo geral......................................................................................... 17
1.1.2 Objetivos Específicos ............................................................................ 17
1.2 Justificativa ................................................................................................ 18
1.3 Metodologia ................................................................................................ 19
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 21
2.1 Força de sustentação gerada por um aerofólio ...................................... 21
2.2 Tipos de propulsão eólica auxiliares ........................................................ 25
2.2.1 Velas rígidas .......................................................................................... 26
2.2.2 Rotor de Flettner .................................................................................... 30
2.2.3 Turbosail ................................................................................................ 35
2.3 Kites ............................................................................................................ 40
2.3.1 O kite ..................................................................................................... 42
2.3.2 Cabo de reboque ................................................................................... 45
2.3.3 Guincho ................................................................................................. 46
2.3.4 Sistema de lançamento e recolhimento ................................................. 47
2.3.5 Central de controle ................................................................................ 47
2.4 Como a sustentação é gerada pelo kite ................................................... 50
2.4.1 Envelope de vôo .................................................................................... 51
2.4.2 Força de tração resultante do kite ......................................................... 54
2.5 Interação do kite com o navio ................................................................... 54
2.6 Ventos ......................................................................................................... 56
2.7 Fatores econômicos .................................................................................. 57
2.8 Navios porta-contêineres .......................................................................... 59
3 RESULTADOS OBTIDOS ......................................................................................... 61
3.1 Análise do kite ............................................................................................ 61
3.2 Escolha do navio ........................................................................................ 64
3.3 Estimativa de desempenho do kite no navio selecionado ..................... 66
3.4 Estimativa de economia de combustível ................................................. 67
3.5 Retorno financeiro ..................................................................................... 69
4 CONCLUSÃO ........................................................................................................ 70
REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 73
ANEXO A – FICHA TÉCNICA DO NAVIO LOG-IN JACARANDÁ ............................................ 77
ANEXO B – FICHA TÉCNICA DO MOTOR WÄRTSILÄ RT-FLEX 68 ...................................... 79
ANEXO C – PROGRAMAÇÃO DE NAVIOS DO ARMADOR LOG-IN ........................................ 80
16
1 INTRODUÇÃO
O homem vem usando o vento como força propulsora em embarcações há
pelo menos 5.000 anos. As velas, primeiramente simples, quadradas, e funcionando
somente com ventos pela popa, foram recebendo aprimoramentos em seu formato e
manuseio. As velas triangulares permitiram o avanço da embarcação com ventos
contrários. Nações firmaram seus domínios territoriais e comerciais com poderosas
esquadras, tripuladas por marinheiros habilidosos no uso das cada vez mais
numerosas velas.
O motor a vapor fez sua estréia em uma embarcação no ano de 1805. Ainda
assim, seu mecanismo ainda não era totalmente confiável, e era usado em conjunto
com as velas. Gradativamente, as velas foram perdendo espaço para o motor a
vapor, que ficava menor e mais confiável. Grandes tripulações já não eram mais
necessárias para manejar as velas, os mastros numerosos ocupavam espaço que
poderia ser usado para carga, e, por fim, o aparecimento do hélice, em lugar da roda
de pás, proporcionou um grande incremento de velocidade. Em meados do século
XX, o uso de velas e motor a vapor em conjunto foi praticamente abolido nos navios
de grande porte. Porém, desde o início do século XX, dispositivos que utilizam a
energia do vento, alternativos à vela tradicional, foram inventados e testados em
embarcações. O objetivo de tais sistemas é trabalhar paralelamente com o motor
principal, reduzindo a carga sobre este (assim, reduzindo também o consumo),
ajudando na força propulsiva, se as condições de ventos permitirem. Em
comparação com as velas tradicionais, eles melhoram o aproveitamento do vento
como força propulsiva, por meio do uso de outros materiais, dispositivos mecânicos
e menor área vélica. Estas soluções procuraram satisfazer os requerimentos do
transporte marítimo moderno: grandes velocidades, eficiência, praticidade e maior
espaço para acondicionamento de carga. Porém, até os dias atuais, não haviam
obtido grande apoio da indústria marítima.
Desacreditado durante muitos anos, o uso da propulsão eólica em auxílio ao
motor de combustão volta a ser uma ideia cogitada por alguns armadores, frente à
instabilidade dos preços dos combustíveis e da pressão sobre a indústria marítima
para que emissões de gases poluidores sejam diminuídas.
17
Entre todos os dispositivos existentes, o kite vem obtendo bons resultados.
Basicamente, o dispositivo é composto por uma pipa, semelhante a um parapente,
conectada a um cabo de reboque, preso a um guincho na proa do navio, que atua
dinamicamente nos movimentos do kite. Este tipo de propulsão já está instalado em
alguns navios cargueiros, e pode gerar uma redução de até 35% do consumo de
combustível anualmente (SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?], tradução nossa).
1.1 Objetivos
1.1.1 Objetivo geral
Analisar o sistema de propulsão auxiliado por kite em navios porta-
contêineres.
1.1.2 Objetivos Específicos
Descrever os propulsores eólicos existentes em navios e seu funcionamento;
descrever o sistema de propulsão por kites em navios;
realizar estimativas preliminares da força propulsiva de um kite instalado em
um navio porta-contêineres;
realizar estimativas preliminares da economia de combustível e impactos
financeiros e ambientais do uso do kite em um navio porta-contêineres;
listar as vantagens e limitações do uso do sistema.
18
1.2 Justificativa
O transporte marítimo é o mais eficiente entre todos os outros modais de
transporte, do ponto de vista energético e econômico. Ainda assim, o transporte
marítimo internacional foi responsável pela emissão de 1,024 milhão de tonelada de
CO2 na atmosfera, correspondendo a 2,7% das emissões globais desse gás
(INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION, 2009, tradução nossa). Em vista da
preocupação com o aquecimento global, a IMO, através da convenção MARPOL
73/78, Anexo VI, procura regulamentar a emissão de dióxido de carbono, outros
gases do efeito estufa e gases nocivos à saúde resultantes da queima de
combustíveis. Além disso, vários países, como EUA e nações da União Européia,
possuem restrições à emissão de gases poluidores por navios.
Outro fator causador de pressão para os armadores é o preço dos
combustíveis. A instabilidade do preço do barril de petróleo faz com que os gastos
com a navegação marítima sejam cada vez mais altos. De acordo com o World
Shipping Council (2008, p. 1, tradução nossa), “os gastos com combustíveis
representam por volta de 50 a 60% do total dos custos operacionais de um navio,
dependendo do seu tipo e serviço.” Todo esse custo é repassado ao exportador /
importador no frete, encarecendo toda a cadeia.
A frota mundial de navios mercantes é de aproximadamente 53.000 navios,
dos quais 4.641 são navios porta-contêineres, com média de idade de 10 anos
(INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION, 2009, tradução nossa). Esses
navios transportam por volta de 60% do valor total de mercadorias transportadas no
modal marítimo (WORLD SHIPPING COUNCIL, 2009, tradução nossa). O contêiner
é o padrão mundial de unitização de transporte da maioria dos bens de consumo. É
evidente a alta dependência que comércio global tem dos navios porta-contêineres,
e dos custos envolvidos na operação dessas embarcações. Até 2050, a frota
mundial de navios pode aumentar em até três vezes – reflexo do aumento do
comércio global - e assim aumentariam o consumo de combustíveis, e as emissões
de gases poluidores.
Soluções técnicas e operacionais vêm sendo adotadas para uma adequação
em curto prazo a essa realidade. A prática mais comum atualmente é a redução de
19
velocidade dos navios, que gera bons resultados – uma economia substancial foi
detectada pelos armadores que a adotaram. Porém, a prática só se justifica se o
tempo de viagem não exceda o programado, caso contrário haverá atrasos, e assim,
mais custos. E, geralmente, navios porta-contêineres trabalham em prazos
apertados.
Nesse cenário, soluções que aliam a economia de combustível e redução de
emissões, sem que comprometam o desempenho da embarcação, vêm sendo
perseguidas com mais freqüência na indústria marítima. A propulsão auxiliar eólica
utilizando um kite aparece como uma solução exeqüível em curto prazo em navios
porta-contêineres, por sua simplicidade e eficiência, proporcionando a economia em
combustível necessária aos armadores para reduzir custos e poluir menos, algo de
vital importância para este modal de transporte atualmente.
1.3 Metodologia
Para a fundamentação teórica, foi feita uma revisão bibliográfica em livros e
artigos científicos sobre aerodinâmica e mecânica dos fluidos, de forma a definir
conceitos sobre o tema e explicar o princípio de funcionamento das propulsões
eólicas.
A descrição dos tipos de propulsão eólica usadas em navios, em especial do
kite, demandou a consulta de artigos científicos, estudos publicados por entidades,
patentes registradas, catálogos, papers, artigos de revistas e sites na internet. A fim
de obter mais detalhes sobre o kite, como características técnicas e preço, foi
mantido contato com um representante do fabricante, através de correio eletrônico.
A consulta de estudos publicados por órgãos não governamentais,
disponíveis em meio eletrônico, sobre impactos no meio ambiente e fatores
econômicos do transporte marítimo, permitiram posicionar o estudo no contexto
atual: altos preços dos combustíveis e preocupação com a emissão de gases
poluidores; e a importância que o transporte marítimo, em especial de cargas
conteinerizadas, tem hoje para a economia global. Este último foi decisivo para a
20
escolha do tipo de navio a ser usado no estudo. As particularidades da embarcação
utilizada nas estimativas foram obtidas no site do armador.
Para as estimativas, a metodologia utilizada foi baseada nos estudos de
Shukla e Ghosh (2009), e de Naaijen e Koster (2007). Shukla contribuiu com
materiais enviados por correio eletrônico. O método para as estimativas foi
complementado com a consulta de livros sobre projetos de navios.
21
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 Força de sustentação gerada por um aerofólio
A força de sustentação é a responsável pelo vôo dos aviões e pela propulsão
gerada por uma vela em um barco. Todos os dispositivos de propulsão
apresentados neste estudo, em especial o kite, trabalham como aerofólios e
obedecem, basicamente, ao mesmo princípio de funcionamento.
A teoria abrange conceitos da mecânica dos fluídos, mais especificamente
dentro da fluidodinâmica, que estuda a interação existente entre um fluido (no caso,
o ar) e um corpo nele imerso, quando entre os dois existe um movimento relativo.
Um aerofólio é um corpo aerodinâmico, de formas alongadas, destinado a
prover uma maior força de sustentação com um mínimo de força de arrasto. Um
corpo que não possui essas características, incapaz de gerar sustentação, é
chamado de corpo abrupto (BRUNETTI, 2005, p. 236). A nomenclatura para um
aerofólio é apresentada na Figura 1.
Figura 1: nomenclatura para um aerofólio. Fonte: BRUNETTI, 2005
22
O fluxo de um fluido por um aerofólio provoca o aparecimento de uma força
resultante, que pode ser decomposta em duas componentes: força de arrasto, que
atua paralelo ao fluxo do fluido, e força de sustentação, normal às linhas do fluxo,
conforme apresentado na Figura 2.
O atrito de um fluido viscoso com um aerofólio cria um gradiente de
velocidades junto à superfície, criando uma fina camada de fluido adjacente ao
aerofólio, chamada de camada limite, mostrada na Figura 3. Fora dessa camada,
segundo a teoria de Ludwig Prandtl feita em 1904, o fluido pode ser considerado
como ideal, sem viscosidade, e assim o Teorema de Bernoulli (que relaciona a
velocidade do fluido e sua pressão) pode ser aplicado para determinar as pressões
na superfície, já que essas pressões são praticamente as mesmas do que as
pressões fora da camada limite (FINNEMORE; FRANZINI, 2002, tradução nossa).
A explicação mais elementar para o aparecimento da força de sustentação é
o fato de que a velocidade do fluxo de ar no extradorso do aerofólio é maior do que
no intradorso. Assim, o Teorema de Bernoulli mostra que acima do aerofólio há uma
pressão menor, e abaixo uma pressão maior, resultando em uma força para cima
(FINNEMORE; FRANZINI, 2002, tradução nossa).
De acordo com McDonald (1999, p. 70, tradução nossa), “o Teorema de
Bernoulli para o estudo dos aerofólios é reduzido em”:
p 1
2 v2 constante (1)
Onde p é a pressão do ar na seção ao longe, é a densidade do ar, e v é a sua
velocidade.
Figura 2: dispositivo sujeito a uma força propulsiva F e suas componentes Fs (sustentação) e Fa (arrasto) imerso em um fluido a uma velocidade v0. Fonte: adaptado de BRUNETTI, 2005.
23
Segundo Brunetti (2005, p. 237) “no caso dos aerofólios, as forças de arrasto
e sustentação são dadas, respectivamente, por”:
a Ca v2A
2 (2)
s Cs v2A
2 (3)
Onde Ca e Cs são , respectivamente, os coeficientes de arrasto e sustentação,
e A é a área projetada do aerofólio.
Os coeficientes de sustentação e arrasto são obtidos através de experimentos
práticos em túneis de vento ou por softwares CFD (Computational Fluid Dynamics).
Um dos parâmetros de variação dos coeficientes é ângulo de ataque α. Assim,
conforme o ângulo de ataque aumenta, o coeficiente de sustentação também
cresce, e conseqüentemente, aumenta-se a força de sustentação. Em determinado
ponto, porém, o aumento excessivo do ângulo de ataque faz com que a camada
limite no extradorso do aerofólio descole, e este entra em estol, comportando-se
como um corpo abrupto, e a força de sustentação diminui bruscamente. O diagrama
polar (exemplo na Figura 4) mostra bem as características de um aerofólio, em que
Cs = f(Ca), e o ângulo de ataque é usado como parâmetro.
Figura 3: escoamento viscoso através de um aerofólio. A camada limite foi exagerada para maior clareza. Fonte: KREITH et al., 1999.
24
Figura 4: diagrama polar. Fonte: BRUNETTI, 2005.
O fato de o fluxo de ar ser mais veloz no extradorso do que no intradorso em
um aerofólio é explicado pela circulação de fluido em torno deste. A circulação é
criada no momento do início do fluxo de ar pelo aerofólio. No bordo de fuga, um
vórtice inicial é gerado, girando no sentido anti-horário. Enquanto o vórtice inicial
gira, uma rotação no sentido horário se desenvolve ao redor do aerofólio, ou seja, na
direção oposta ao do vórtice inicial, devido à transferência de forças viscosas
originadas neste (MARCHAJ, 1980, tradução nossa).
Marchaj ainda diz que quando o vórtice inicial cumpre sua função de iniciar e
desenvolver a circulação, ele separa-se do fólio e acompanha o fluxo na esteira
(MARCHAJ, 1980, tradução nossa). Esse comportamento é explicado pela hipótese
de Kutta-Jukowski. Após isso, o fluxo ao redor do aerofólio estabiliza-se e as
magnitudes da circulação e da força de sustentação são mantidas. Quaisquer
mudanças no ângulo de ataque ou na velocidade do fluido vo levam a um diferencial
de velocidades no bordo de fuga, criando um novo vórtice, alterando a intensidade
da circulação aos novos parâmetros, e, assim, a intensidade da força de
sustentação. Conclui-se, então, que não existiria força de sustentação em um
25
aerofólio sem a criação de vórtices (FINNEMORE; FRANZINI, 2002, tradução
nossa).
2.2 Tipos de propulsão eólica auxiliares
Existem vários tipos de dispositivos de propulsão eólica auxiliar que foram
usados ou ainda estão em uso em navios, experimentalmente ou em caráter
definitivo. Eles estão listados na Figura 5. Foram considerados neste estudo apenas
os dispositivos com aplicação prática em navios de grande porte.
Estes dispositivos trabalham em conjunto com o motor principal na propulsão
da embarcação. O princípio é praticamente o mesmo para todos os tipos de
propulsão eólica, e é apresentado na Figura 6. O vento, ao passar pelo dispositivo,
gera uma força F cujas componentes são a força de sustentação Fs e de arrasto Fa,
como mostrado na seção 2.1. O vetor F pode ser dividido em outras duas
componentes, Fb (força que tende a criar um ângulo de banda) e Fpv (força propulsiva
da vela na direção do avanço da embarcação). O vetor Fpv soma-se com a força
propulsiva do motor de combustão principal FMCP (ASKER, 1985, tradução nossa).
Figura 5: tipos de propulsões eólicas auxiliares em navios. Fonte: adaptado de YOSHIMURA, 2010.
Dispositivos de propulsão
eólica
Velas mecânicas
Rotor de Flettner
Turbosail
Velas rígidas
Kite (pipa)
26
Figura 6: combinação de propulsão eólica e propulsão do motor principal. Fonte: adaptado de ASKER, 1985.
2.2.1 Velas rígidas
As velas convencionais não constituem um método ideal para a propulsão de
navios porta-contêineres. O uso de vários mastros, cabos e equipamentos de
regulagem, e a grande área vélica requerida, são incompatíveis com a necessidade
de espaço para a acomodação de cargas, além da pouca eficiência em comparação
com outros dispositivos já existentes.
As velas rígidas apareceram como uma solução às tradicionais. Um exemplo
de aplicação prática de velas rígidas em um navio de grande porte é o navio-tanque
Shin-Aitoku-Maru, de 1.600 toneladas de porte bruto. Em 1980, ele foi equipado com
um modelo de vela rígida comandado por unidades hidráulicas, mostrado na Figura
7 (YOSHIMURA, 2010). Para o futuro, há projetos para grandes navios, como a do
armador japonês NYK, mostrado na Figura 8. Além disso, existem várias
embarcações de pequeno e médio porte que as utilizam.
27
As velas rígidas atuam com o mesmo princípio das velas convencionais,
porém com menor necessidade de equipamentos, como estais, mastros, etc.; e
maior nível de automação, facilitando seu manuseio. Os materiais utilizados em sua
construção (plástico reforçado com fibras, alumínio, e até mesmo madeira) e seu
formato também contribuem para a melhoria de performance em relação às velas
tradicionais. Possuem formato de um fólio, gerando a propulsão com a regulagem do
seu ângulo de ataque em relação ao vento. A regulagem é feita automaticamente,
por meio de motores elétricos ou hidráulicos.
Figura 7: navio-tanque Shin-Aitoku-Maru, utilizando velas rígidas; abaixo, esquema do dispositivo. Fonte: YOSHIMURA, 2010.
28
Figura 8: Super Eco Ship 2030, projeto do armador japonês NYK, usando velas rígidas. Fonte: NIPPON YUSEN KABUSHIKI KAISHA - NYK LINE, 2011.
Nos anos 80, o inventor Gunar Asker desenvolveu um tipo de vela rígida que
chamou de wing sail, ou vela-asa, em português (Figura 9). Este modelo, construído
em madeira e testado em um pequeno veleiro, trata-se de um conjunto de duas
velas montadas no convés da embarcação, e são controladas eletricamente de
acordo com a direção do vento, e a fim de adquirir um formato ideal de fólio para
cada situação. As velas rígidas necessitam de menor área vélica do que as velas
tradicionais, e o estudo feito por Asker demonstrou isso, pela aplicação da fórmula
que determina a área vélica máxima possível para uma embarcação, de acordo com
seu deslocamento:
A/( 2/3 ) (4)
Onde:
K é uma constante, que para velas rígidas é 3,2 e para uma vela Genoa
tradicional é de 16;
29
A é a área vélica, em m2;
é o volume deslocado da embarcação, em m3 (ASKER, 1985, tradução
nossa).
Assim, para um navio de porte médio, com volume deslocado de 30.000 m³,
teremos uma área vélica de 15.448 m² para um velame tradicional, ao passo que
para velas rígidas, essa área seria de apenas 3.090 m².
Em um experimento em um pequeno barco pesqueiro, o Hi-Wind II, durante o
ano de 1984, Asker concluiu que com 50 HP e o wing sail, o barco desenvolveu 8
nós em ventos de 20 nós. Sem o wing sail, a potência necessária para atingir tal
velocidade foi de 70 HP (ASKER, 1985, tradução nossa). A embarcação possuía
comprimento entre perpendiculares de 10 metros, boca na linha d’água de 2,3
metros, deslocamento de 12 t, e foi equipada com um wing sail de 16 m².
Shukla e Ghosh (2009) realizaram estimativas do uso do wing sail em um
navio com 32.992,2 m³ de volume deslocado, 125 m de comprimento total e 25,9 m
de boca, potência instalada de 9501 kW a 111 rpm, e velocidade de serviço de 15
nós, chamado Annapurna. Os estudiosos concluíram que, em uma rota regular entre
Durban e Mumbai, a economia de combustível (no caso, óleo diesel) seria de 61
toneladas / ano, um percentual de 8,3% (ASKER, GHOSH, 2009, tradução nossa).
Com todas as vantagens, e apesar da reduzida área vélica, um conjunto de
velas rígidas montadas em um navio porta-contêineres ainda causaria certa perda
em espaço útil para carga, além de outros transtornos, como na movimentação dos
contêineres em portos, exigindo que as velas sejam retráteis, aumentando o custo
de instalação. Além disso, outro fator complicador é que esse sistema não acaba
definitivamente com a necessidade de grandes mastros, que tendem a elevar o CG
da embarcação, diminuindo GM, conseqüentemente comprometendo a instabilidade
da embarcação. A incidência dos ventos nas velas pode submeter o navio a uma
grande banda, o que torna a navegação perigosa, principalmente em casos de
mudança de lastro, comum em navios de carga como os porta-contêineres.
30
Figura 9: esquema do wing sail e sua montagem em um pequeno veleiro. Fonte: ASKER, 1985.
2.2.2 Rotor de Flettner
O rotor de Flettner foi desenvolvido pelo engenheiro alemão Anton Flettner,
entre os anos de 1925 e 1926. O dispositivo consiste em um cilindro rotativo, que
utiliza o princípio do Efeito Magnus.
O Efeito Magnus consiste na geração de uma força de sustentação através da
passagem do vento por um cilindro em rotação. A rotação do cilindro cria uma
diferença de velocidades do fluxo de ar, gerando uma diferença de pressão,
explicada pelo Teorema de Bernoulli. A circulação é criada pela rotação do cilindro
em contato com o fluido viscoso. O próprio cilindro atua como o centro do vórtice. O
diferencial de pressões cria uma força de sustentação Fs, que tende a puxar o
cilindro para cima, como mostra a Figura 10. A força de sustentação atua
perpendicularmente ao fluxo paralelo de velocidade vo (MARCHAJ, 1980, tradução
nossa).
31
Figura 10: Efeito Magnus. Fonte: adaptado de MARCHAJ, 1980.
A rotação do cilindro é gerada por motores elétricos, e pode ser controlada
conforme a direção e intensidade do vento. O dispositivo pode ser utilizado em
ângulos de 45º a 135º em relação ao vento, sendo atingida a máxima performance a
90º, com ventos de través. A Figura 11 apresenta valores da propulsão do rotor em
função do ângulo de incidência do vento em relação à embarcação. As linhas
representam a velocidade do vento, classificadas de acordo com a Escala Beaufort.
32
Figura 11: propulsão do rotor de Flettner em função do ângulo de incidência do vento em relação à embarcação. Fonte: WINDSHIP, 2011.
Uma característica importante do rotor de Flettner é que a seu coeficiente de
sustentação é diretamente proporcional à razão entre velocidade periférica do
cilindro e velocidade do vento (Vc / Vo). Assim, se a rotação for mantida, a pressão
aumentará até certa magnitude, mesmo se a velocidade do vento aumentar
bruscamente (MARCHAJ, 1980). Isso significa que a embarcação pode funcionar
mesmo em ventos muitos fortes, já que seus efeitos sobre os rotores passam
despercebidos, traduzindo-se em um grande ganho em estabilidade. Experimentos
mostram que o rotor de Flettner é capaz de gerar muito mais força de sustentação
do que aerofólios comuns da mesma área projetada. O coeficiente de sustentação
máximo de um cilindro em rotação pode alcançar valores de até 9, enquanto para
um aerofólio comum esse valor gira em torno de 1,5 (MARCHAJ, 1980, tradução
nossa).
33
O próprio Anton Flettner, no ano de 1925 equipou um barco chamado Buckau
com dois rotores (Figura 12). Eles foram montados sobre o convés principal, tinham
a altura de 18 metros e 2,8 metros de diâmetro. A rotação dos cilindros era gerada
por um motor elétrico, e atingia até 700 rpm; o sentido de rotação era reversível.
Todo o conjunto pesava apenas 7 toneladas, contra as 35 toneladas do antigo
velame do Buckau, além disso, a área vélica projetada dos rotores era dez vezes
menor do que as velas tradicionais. Os rotores também possibilitaram a operação de
todo o sistema por apenas uma pessoa. A pressão nos cilindros pode ser alterada
rotacionando-os a uma velocidade adequada, a apenas um toque de botão. O efeito
é instantâneo. Isso diminuiu consideravelmente a necessidade de grande força de
trabalho para regulagem de velas, em comparação de quando o Buckau as utilizava.
Do ponto de vista técnico, o experimento de Flettner foi um sucesso. Porém, por
razões econômicas, não houve continuidade com o projeto. Os supostos lucros
obtidos com a instalação dos rotores se tornaram ilusórios, perante o alto preço do
equipamento e da crescente confiabilidade da propulsão mecânica convencional.
Além disso, para a época, o preço do óleo combustível ainda era muito baixo para
justificar a instalação dos rotores.
Figura 12: o Buckau, operando com dois rotores desenvolvidos por Anton Flettner. Fonte: PORTAL MARÍTIMO, 2011.
34
Em 2010, a empresa alemã de turbinas eólicas Enercon construiu, em
parceria com estaleiros na própria Alemanha, o navio E-Ship 1, de 130 metros de
comprimento, 22,5 metros de boca, 8,3 metros de calado e porte bruto de 5.000
toneladas. A embarcação, que possui quatro rotores instalados, é do tipo roll-on /
roll-off, e é utilizado pela própria empresa para transportar peças de suas turbinas
eólicas a diferentes partes do planeta. Os rotores deste navio possuem 25 metros de
altura e 4 metros de diâmetro. O arranjo dos rotores pode ser facilmente observado
na Figura 13. O navio E-Ship 1, na realidade atual de preocupações com ajustes no
consumo de combustíveis e emissão de gases do efeito estufa, tem muito mais a
ganhar do que o Buckau no início do século XX.
Figura 13: E-Ship 1. Fonte: Jörn Prestien – SHIPSPOTTING, 2011
Há também atualmente outros projetos para a utilização dos rotores de
Flettner, como o da empresa cingapuriana WindAgain, destinados a navios-tanque
(Figura 14).
Para o uso em navios porta-contêineres, o rotor de Flettner possui alguns
inconvenientes. Para ser eficiente, o cilindro precisa ser de grandes dimensões, e o
espaço requerido a bordo para os rotores diminui a capacidade de acomodação de
contêineres sobre o convés principal. A presença dos rotores também atrapalha a
35
movimentação de contêineres em portos pelos guindastes e portêineres no cais.
Analisando novamente a relação Vc / Vo, é possível observar que, a ventos
constantes, é necessário que a rotação dos cilindros seja aumentada para que haja
mais força de sustentação. Isso se traduz em maior gasto de energia e vibrações,
além de ser negativo no aspecto de segurança a bordo. Apesar de o rotor de
Flettner gerar muito mais propulsão, um aerofólio comum produz sustentação de
forma mais eficiente, sem movimento mecânico de nenhuma de suas peças.
Figura 14: projeto de navio-tanque equipado com rotores de Flettner. Fonte: WINDAGAIN, 2011.
2.2.3 Turbosail
O Turbosail foi idealizado nos anos 80 pelo navegador e ambientalista francês
Jacques Cousteau, e desenvolvido em conjunto com estudiosos da Fundação
Cousteau, os arquitetos navais André Mauric e Jean-Charles Nahon, e com a
empresa francesa especializada em alumínio, a Pechiney. O mecanismo foi
inspirado no rotor de Flettner.
O equipamento, mostrado na Figura 15, é formado por uma torre vertical, em
forma de aerofólio, oca, montada no convés da embarcação, que possui um flap que
é movimentado por meio de comandos eletrônicos conforme a direção do vento.
Além do flap sozinho, todo o conjunto também pode ser movimentado. Na parte
posterior da torre, há entradas de ar que são abertas ou fechadas pelo o flap (Figura
36
17). Dentro da torre, no topo, há um exaustor que suga o ar por entre as entradas e
o expulsa pelo topo. A sucção evita assim o descolamento antecipado da camada
limite, aumentando a velocidade do escoamento a sotavento, e assim diminuindo a
pressão. Isso maximiza a força de sustentação fornecida pelo aerofólio criando mais
força propulsiva (Figura 16).
O efeito da sucção sobre a camada limite pode ser observado na Figura 18.
Ela apresenta um aerofólio de perfil NACA0012, com ângulo de ataque de 10°. A
sucção foi aplicada a 12% da corda do aerofólio. A sucção da camada limite provou
que a força de sustentação pode ser aumentada, além disso, os padrões do fluxo de
ar foram modificados, causando um atraso na separação da camada limite da
superfície do aerofólio (FOURNIER; PELLERIN; PHUOC, 2010).
Figura 15: vista lateral e superior do Turbosail. Fonte: FONDATION COUSTEAU, 1986.
37
Figura 16: funcionamento do Turbosail. Fonte: THE NEW ZEALAND DIGITAL LIBRARY, 2010.
Figura 17: detalhe das entradas de ar e do flap no Turbosail. Fonte: THE COUSTEAU SOCIETY, 2002.
38
Simulações mostraram que a economia de combustível em uma embarcação
equipada com o Turbosail pode chegar a 35% (THE COUSTEAU SOCIETY, 2002).
As vantagens do Turbosail são a eficiência no auxílio à propulsão e a
facilidade de manuseio, totalmente feito por comandos eletrônicos. Além disso, não
há o inconveniente apresentado pelo rotor de Flettner, que deve ser parado
totalmente e ter sua rotação invertida para mudanças de direção, operação que
demanda tempo e gasto excessivo de energia, devido à inércia do cilindro. Além
disso, as partes móveis do Turbosail não são expostas, ao contrário do cilindro em
constante rotação do rotor de Flettner. (FONDATION COUSTEAU, 1986).
Figura 18: influência da sucção da camada limite em um aerofólio de perfil NACA0012, com α 10°. À esquerda, fluxo sem controle; à direita, controle por sucção. Fonte: FOURNIER; PELLERIN; PHUOC, 2010.
Apesar do potencial para uso em grandes embarcações, o Turbosail foi
somente utilizado em embarcações pequenas, para pesquisas da própria Fundação
Cousteau. O primeiro foi o catamarã Moulin à Vent, que utilizou um dispositivo e
serviu como plataforma de testes da invenção. O segundo barco a utilizar o
Turbosail foi o Alcyone (Figura 19), de 30 metros de comprimento e 9 metros de
boca, com deslocamento de 80 toneladas. Totalmente construído em alumínio,
(inclusive as torres do Turbosail), possui um casco que combina o desenho de um
monocasco na proa e de um catamarã na popa. O Alcyone possui duas torres
montadas em seu convés, e que trabalham em conjunto com dois motores diesel.
Cada torre possui uma altura de 10 metros e área vélica de 21 m². Cada torre possui
um gerador hidráulico de 25 HP, que produz eletricidade para operar o exaustor e
39
mudar a posição da torre. Os engenheiros que desenvolveram o Turbosail sugerem
que, para um navio mercante de 30.000 toneladas de peso leve, duas torres de 200
m² cada seriam necessárias (COLLIE, 1985).
Ainda segundo Collie, o sistema tem melhor desempenho quando o vento em
relação ao barco está em um ângulo de 70° a 120°. Ventos a velocidade de 30 nós
permitem que o Alcyone desenvolva uma velocidade de até 12 nós, usando somente
o Turbosail, sem os motores (COLLIE, 1985). O Alcyone ainda continua a serviço da
Fundação Cousteau.
Figura 19: o Alcyone. Fonte: THE COUSTEAU SOCIETY, 2002.
O Turbosail teve eficiência prática comprovada, mas não passou de modelos
usados em testes em túneis de vento, e do seu uso no Moulin à Vent e no Alcyone.
Seu desempenho no uso em navios é meramente uma estimativa. Assim como o
rotor de Flettner, o espaço requerido a bordo é incompatível com as necessidades
de um navio porta-contêineres de acomodar contêineres sobre o convés principal e
de manuseio dos mesmos em portos.
40
2.3 Kites
Basicamente, o dispositivo é composto por uma pipa (kite), semelhante a um
parapente, de perfil aerodinâmico, conectada a um cabo preso a um guincho e a um
sistema de lançamento e recolhimento, e uma central de controle para operação
automática (Figura 21). Assim como os outros dispositivos apresentados nesse
trabalho, a proposta do kite é trabalhar em conjunto com a propulsão principal do
navio, visando diminuir gastos com combustíveis e emitir menos gases nocivos ao
ambiente.
Vários experimentos com kites foram realizados para a propulsão de
embarcações. Algumas empresas vêm investindo em pesquisa nesta área, e já
disponibilizam alguns modelos de kite no mercado. No presente estudo, decidiu-se
por usar como referência os kites fornecidos pela SkySails GmbH & Co. KG,
empresa baseada em Hamburgo, Alemanha. A escolha deve-se pelo fato de que
recentemente a empresa instalou kites em navios de grande porte, obtendo bons
resultados, além de certo espaço na mídia. Em 2007, um kite de 320 m² foi instalado
no navio de uso misto (para cargas conteinerizadas e cargas-projeto) MV Beluga
SkySails (Figura 20), de 132 metros de comprimento e 9.747 toneladas de porte
bruto. Outros casos do uso do kite são os dos navios MV Theseus, MV “Michael A.”
(Figura 22) e Maartje Theadora. Para 2011, está prevista a instalação de um kite de
320 m² em um navio-tanque de produtos com capacidade de 30.000 toneladas de
porte bruto, tornando-se assim o maior navio do mundo a usar o auxílio do kite à
propulsão convencional (CARGILL, 2011).
O kite fornecido pela SkySails atua gerando uma força de sustentação, como
um aerofólio. Sua instalação pode ser feita em navios que já estão em operação, ou
em projetos novos.
Em comparação com a propulsão a vela tradicional, o kite pode gerar até 25
vezes mais força propulsiva por metro quadrado (SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-
?]).
41
Figura 20: MV Beluga SkySails. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
Figura 21: componentes do sistema. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
42
Figura 22: MV "Michel A." Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, 2010.
2.3.1 O kite
O kite (Figura 23) é feito com uma dupla camada de tecido de fibras de
polietileno de ultra-alto peso molecular, um plástico de engenharia com excelentes
propriedades mecânicas, sendo altamente resistente ao impacto, abrasão, e com
baixo coeficiente de atrito. Sua aparência é similar aos kites usados como parapente
e kitesurfing.
43
Figura 23: o kite. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?].
A parte frontal do kite possui portas que permitem a entrada do ar, inflando-o,
moldando assim um perfil aerodinâmico, possibilitando seu uso não somente com
vento pela popa, mas também para ângulos de até 50º na direção do vento (Figura
24). Experiências práticas com o kite fornecido pela SkySails montado em navios
mostraram que a eficiência máxima é atingida com ventos de través, e arribando até
navegar com vento pela popa – entre 90° a 270° (SKYSAILS GMBH & CO. KG,
[200-?], tradução nossa).
Figura 24: ângulos em relação ao vento possíveis de operação. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?].
44
Atualmente, a SkySails fornece três modelos de kite, com áreas entre 160 m²
a 320 m². Eles são mostrados com detalhes na Tabela 1. O modelo SKS 640 está
previsto para 2014. Um kite com uma carga efetiva de 130 toneladas também está
em desenvolvimento,e é apresentado a título de informação.
Tabela 1: modelos de kite fornecidos pela SkySails e suas características.
Modelo Carga de projeto kite (t)
Área (m²) Carga efetiva kite (t)
Carga efetiva
kite (kN)
SKS 160 16 160 8 78,45
SKS 320 32 320 16 156,91
SKS 640 64 640 32 313,81
130 t (projeto) ... ... 130 1.274,86
Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200?]
Os dados da Tabela 1 referentes à carga efetiva são para as condições
padrão definidas pelo fabricante: velocidade do navio a 10 nós, velocidade do vento
a 25 nós e direção do vento a 130° em relação à embarcação (ventos de alheta). As
cargas efetivas da Tabela 1 são as componentes na direção do rumo da
embarcação (SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200?], tradução nossa). As condições
padrão definidas pelo fabricante são usadas como referência neste estudo.
Para este estudo, a empresa forneceu também os respectivos valores
máximos e mínimos de potência para cada modelo. Eles são apresentados na
Tabela 2. A potência é o produto da força de tração pela velocidade do vento
aparente que passa pelo kite.
Tabela 2: potências máximas e mínimas para cada modelo de kite, em kW.
Modelo do kite Potência (kW)
SKS 160 600 – 1000
SKS 320 1200 – 2000
SKS 640 2400 - 4000
Fonte: KUEHL, 2011
45
2.3.2 Cabo de reboque
A força gerada pelo kite é transmitida por meio do cabo de reboque (Figura
25) também feito em fibras de polietileno de ultra-alto peso molecular. O material
também garante o baixo peso necessário ao cabo. O suprimento de energia para a
central de controle é garantido por meio de um cabo elétrico especialmente
desenvolvido e integrado ao cabo de reboque. O ponto de conexão do cabo de
reboque com o navio é chamado de “ponto de transmissão de força”, ou de “ponto
de reboque”, que atua no alinhamento do kite para qualquer situação de vento
(Figura 26). O ponto de conexão localiza-se na proa, e requer adaptações mínimas
na estrutura desta, que geralmente já é bem reforçada.
Figura 25: cabo de reboque. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?].
46
Figura 26: ponto de transmissão de força. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200?].
2.3.3 Guincho
Também instalado na proa, o guincho (Figura 27) lança e recolhe o kite, atua
dinamicamente durante a navegação - sua velocidade pode ser selecionada, para
casos onde o kite tenha que ser estabilizado rapidamente – e possui sistema de
compensação para situações de mar agitado.
Figura 27: guincho. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?].
47
2.3.4 Sistema de lançamento e recolhimento
O kite é lançado por um mastro retrátil (Figura 28). Ele é erguido por este, é
inflado pela ação do vento e liberado pelo guincho. Após o lançamento, o mastro
recolhe-se. O mastro também atua no recolhimento do kite, atuando na ordem
inversa do lançamento, facilitando a sua armazenagem em um paiol.
Figura 28: mastro de lançamento e recolhimento. Fonte: SKYSAILS GMBH &CO. KG, [200?].
2.3.5 Central de controle
A central de controle, provida de elementos mecânicos e eletrônicos, é a
ligação entre o cabo de reboque e o kite. Ela atua no sistema do governo, puxando e
liberando os tirantes do kite, e assim modificando o seu perfil aerodinâmico e
48
controlando seu vôo. Os parâmetros para o controle do kite estão instalados por
meio de um software na central de controle. Um computador instalado no passadiço
comanda automaticamente toda a operação, e serve de interface para que o
comandante analise os dados e possa tomar o controle manual, como em casos de
emergência. O sistema de comando também está em comunicação com outros
sensores do navio, como o de posição do leme, anemômetros e GPS. Além desses
sensores, outros que medem o consumo do navio com o uso do kite também são
instalados.
Figura 29: central de controle. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
O sistema de controle automático pode ajustar o kite para que fique a uma
altura de até 300 m da embarcação, onde os ventos são 40% mais fortes do que na
superfície (Figura 30). A área vélica reduzida e a sua configuração de suporte sem
mastro, com menor braço de alavanca, garantem mais estabilidade, diminuindo a
banda que uma embarcação provida de vela com mastro pode sofrer, conforme
demonstrado na Figura 31. O kite fornecido pela SkySails atua com ventos entre 3 a
8 na Escala Beaufort. Sistemas de segurança atuam no controle do kite em casos de
49
emergência, como em fortes rajadas de vento. Eles liberam mais cabo através do
guincho, mudam a direção de vôo do kite, e, se necessário, liberam o próprio kite em
casos extremos.
Figura 30: comparação entre as alturas das velas tradicionais e a do SkySails. A curva indica a intensidade da energia do vento em função da altitude. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
Figura 31: Comparação entre os ângulos de inclinação de uma embarcação com vela suportada por mastro e com a utilização do kite. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
50
2.4 Como a sustentação é gerada pelo kite
A força propulsiva do kite é gerada a partir do fluxo de ar que passa através
do seu perfil aerodinâmico. Como tem um formato de um aerofólio, o kite gera uma
força de sustentação. O kite pode permanecer estático, ou realizar uma trajetória de
vôo, que aumenta a velocidade do fluxo de ao seu redor, maximizando a
sustentação. A Figura 32 mostra uma seção do kite. Ele é inflado pelo ar que entra
por cavidades no bordo de ataque, adquirindo o seu perfil aerodinâmico.
Figura 32: seção transversal do kite, mostrando como ele é inflado pelo vento e adquire o formato de aerofólio. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?].
Esse fluxo vem do vento aparente ao qual o kite está submetido, que tem
como componentes o vento real, o vento contrário gerado pelo movimento da
embarcação, e o vento gerado pela própria velocidade de vôo do kite, caso ele
descreva uma trajetória de vôo (NAAIJEN; KOSTER, 2007, tradução nossa).
51
2.4.1 Envelope de vôo
Naaijen e Koster realizaram um estudo sobre a performance de um kite em
um navio mercante, e, segundo eles, o conjunto de posições possíveis ocupadas
pelo kite no espaço, conectado a um cabo de reboque de comprimento r, é descrito
por um quarto de esfera com raio r, chamado de envelope de vôo (NAAIJEN;
KOSTER, 2007, p. 46, tradução nossa). O envelope de vôo é mostrado na Figura
33.
Figura 33: envelope de vôo. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007.
Com a definição do envelope de vôo, é possível determinar:
direção de vôo do kite (XK, YK, ZK);
as componentes do vento aparente submetido ao kite;
velocidade de vôo do kite.
52
A análise do envelope de vôo permite ajustar o ângulo de ataque do kite, de
forma a provocar uma força resultante de tração paralela ao cabo de reboque
(NAAIJEN; KOSTER, 2007, tradução nossa), conforme mostra a Figura 34.
Figura 34: ângulo de ataque do kite. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007.
Como mencionado anteriormente, a velocidade do fluxo de ar em torno do kite
é aumentada para que a sustentação seja maximizada. Para tanto, o kite deve
realizar uma trajetória dentro do envelope de vôo, semelhante a um “oito”, como
mostra o exemplo da Figura 35.
53
Figura 35: exemplo de trajetória de vôo do kite dentro do envelope de vôo. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007.
Naaijen e oster afirmam que “no navio, o envelope de vôo é posicionado de
maneira que sua extremidade seja perpendicular à direção do vento aparente”
(2007, p.49, tradução nossa). Um exemplo desse posicionamento é mostrado na
Figura 36. Dependendo da direção do vento aparente, o kite deve ocupar posições
que contribuam de fato como uma componente na direção de avanço desejada para
o navio. Essas posições são representadas na Figura 36 pela hachura no envelope
de vôo.
Figura 36: exemplo do posicionamento do envelope de vôo em um navio, com o vento aparente soprando por uma bochecha. Fonte: NAAIJEN; KOSTER, 2007.
54
2.4.2 Força de tração resultante do kite
A força de tração resultante do kite, representada por R na Figura 34, tem
como componentes a força de sustentação e a de arrasto, conforme mencionado na
seção 2.1. Para determinar a magnitude dessas forças, os coeficientes de
sustentação e arrasto do kite devem ser conhecidos. Esses valores podem ser
conseguidos através de análises do perfil aerodinâmico do kite por softwares CFD.
Influem no coeficiente de arrasto do kite o ângulo de ataque, os tirantes que o ligam
a central de controle, as tomadas de ar no bordo de ataque, irregularidades e
rugosidade da superfície, entre outros. O coeficiente de sustentação é influenciado
pelo ângulo de ataque e pela curvatura do kite ao longo de sua envergadura
(NAAIJEN; KOSTER, 2007).
2.5 Interação do kite com o navio
A força de tração do kite provoca no casco o aparecimento de forças
longitudinais, no sentido do avanço (onde a resistência do casco é relevante), e
transversais. Esta última causa um movimento de cabeceio (yaw) do navio, que é a
oscilação horizontal no sentido proa – popa, gerando uma pequena deriva da
embarcação. Esse movimento deve ser compensado com o leme, o que causa mais
resistência do casco ao avanço. Para minimizar o ângulo de correção do leme, o
ponto de transmissão de força do kite deve estar localizado o mais a vante quanto
for possível, ficando óbvia a opção pela proa da embarcação. No estudo realizado
por Naaijen e Koster, a localização do ponto de transmissão de força na proa
demandou uma correção de até 4° no leme. O acréscimo na resistência do casco
devido à deriva e ao ângulo do leme foi de menos de 1% (NAAIJEN, KOSTER,
2007, tradução nossa).
Conforme mencionado na seção 2.3.5, e apresentado na Figura 31, o ângulo
de banda causado pela tração do kite no navio é mínimo, devido à baixa localização
do ponto de transmissão de força, praticamente no nível do convés principal.
55
Como o kite atua como força adicional na propulsão do navio, o hélice terá
uma carga menor e trabalhará fora das condições para o qual foi projetado. Assim,
menos força propulsiva do hélice será necessária, logo o MCP trabalhará sob menor
carga, reduzindo o débito de combustível, tendo como conseqüência a redução do
consumo.
A força de reboque adicional gerada pelo kite terá contribuição direta sobre a
potência efetiva da embarcação. A potência efetiva (PE), também chamada de
potência de reboque, é o produto da resistência do casco com todos os seus
apêndices pela velocidade de serviço. Essa é a potência medida nas pás do hélice,
descontadas as perdas devido à interação casco-hélice. No seu caminho do MCP
até o hélice, a potência vem sofrendo perdas devido à eficiência do próprio motor, ao
atrito com mancais, rolamentos, gaxeta, além de perdas devido a vibrações. As
potências podem ser medidas em diversos pontos, a saber:
PE: potência efetiva.
PT: potência propulsiva no hélice.
PD: potência entregue ao hélice pelo eixo.
PB: potência no jazente do mancal de escora, junto ao MCP (para motores
Diesel).
PI: potência indicada do MCP.
Para a estimativa das perdas de potência, Barrass propõe que coeficientes
propulsivos sejam utilizados, apresentadas na Tabela 3.
Tabela 3: eficiências propulsivas típicas para navios acima de 120m LPP.
Relação Descrição Eficiência
PE / PT Eficiência do casco-hélice 98 – 99%
PT / PD Eficiência do hélice 60 – 75%
PD/ PB Eficiência do eixo 96,5%
PB/ PI Eficiência mecânica do MCP 87,5 – 92,5%
Fonte: BARRASS, 2004, tradução nossa.
56
Para a eficiência do eixo, a porcentagem de 96,5% para uma praça de
máquinas localizada a ¾ do comprimento a ré foi utilizada, sendo este o arranjo
típico de navios porta-contêineres. Para a eficiência mecânica do MCP, foram
utilizados valores para motores Diesel (BARRASS, 2004).
2.6 Ventos
A performance do kite é dependente principalmente das condições de vento.
A altitude de operação, de 100 a 300 metros de altitude, garante que se faça
proveito de ventos mais fortes e estáveis. O ângulo de incidência do vento também
influencia no desempenho, que chega ao ápice com ventos de alheta, entre 120° a
150°.
Outro fator determinante é a velocidade. Essa grandeza pode ser expressa
através da Escala Beaufort de ventos (Tabela 4), que classifica a força dos ventos
com números de 1 a 12. A escala foi criada pelo almirante da Marinha Real Inglesa
Sr. Francis Beaufort.
Figura 37: diagrama polar mostrando a economia de combustível estimada com um kite instalado em um navio-tanque. Fonte: NAAIJEN, KOSTER, 2007.
57
Tabela 4: Escala Beaufort
Força Beaufort Velocidade do vento (nós) Velocidade do vento (m/s)
0 0 – 0,9 0 – 0,463
1 1 - 3 0,51 – 1,54
2 4 -6 2,06 – 3,07
3 7 -10 3,60 – 5,14
4 11 – 16 5,66 – 8,23
5 17 – 21 8,75 – 10,80
6 22 – 27 11,32 – 13,89
7 28 – 33 14,40 – 16,98
8 34 – 40 17,49 – 20,57
9 41 – 47 21,09 – 24,18
10 48 – 55 24,69 – 28,94
11 56 – 63 28,81 – 32,41
12 ≥ 64 ≥ 32,92
Fonte: BARROS, 2004
Um exemplo da influência dos ventos no desempenho do kite pode ser visto
no diagrama polar mostrado na Figura 37, que relaciona o ângulo de incidência do
vento com a economia em combustível conseguida pelo kite. Os resultados obtidos
são para um navio-tanque de 50.000 toneladas de porte bruto, em uma estimativa
feita por Naaijen e Koster. As linhas mais escuras representam diferentes
velocidades do vento, na Escala Beaufort.
2.7 Fatores econômicos
Todo o sistema é contido em um único módulo, e pode ser instalado na
embarcação por qualquer estaleiro, com supervisão de funcionários capacitados
pelo fornecedor. A instalação em navios já existentes demanda uma análise
estrutural do local de fixação do módulo, corte do convés, aberturas para passagem
58
de cabos e redes hidráulicas, etc. Em todos os casos analisados, a montagem do
módulo foi feita na proa da embarcação, aproveitando-se de sua bem reforçada
estrutura.
No passadiço, é necessária a instalação dos computadores que comandam
todo o sistema, e que servem de interface para a tripulação. Além do comando do
sistema, os computadores contêm um software para a otimização de rota, de modo
que o navio opere em condições favoráveis para o uso do kite durante a maior parte
da viagem. Serviços complementares envolvem o enrolamento do cabo de reboque
no guincho e acondicionamento do kite no paiol. Todos os trabalhos podem ser
feitos enquanto a embarcação está na água, e etapas como testes, treinamento da
tripulação e comissionamento podem ser realizados com a embarcação navegando,
assim como reparos. Como padrão, o tempo de trabalho necessário para a
instalação gira em torno de 6 dias (SKYSAILS GMBH & CO. KG, [200-?], tradução
nossa).
De acordo com um representante da SkySails, o custo de todo o sistema,
incluindo a instalação, para o modelo SKS 320, fica por volta de € 1.000.000,00 –
aproximadamente USD 1.443.000,00 em maio de 2011 (KUEHL, 2011, tradução
nossa). O custo de manutenção do kite, em um ano é de € 103.000,00 – ou USD
147.800,00 aproximadamente.
A Figura 38 mostra cenários econômicos de utilização do kite em um navio
para cargas-projeto e um navio-tanque de produtos. Com o uso do sistema, o
aumento dos lucros de operação da embarcação podem aumentar em 31 % para o
primeiro exemplo, e em 24 % no segundo, devido à economia de combustível
proporcionada. Com a tendência de aumento do custo dos combustíveis para os
próximos anos, a tendência é que os lucros tenham um aumento de 59% e 43%,
respectivamente. Esses valores podem variar, dependendo do tipo e características
da embarcação, rota e velocidade de serviço.
59
Figura 38: cenários do uso do kite em duas embarcações, com estimativas de acréscimo de economia de combustível e lucro, no contexto atual e para os próximos 10 anos. Fonte: SKYSAILS GMBH & CO. KG, 2011.
2.8 Navios porta-contêineres
Os navios porta-contêineres desempenham um papel importante na economia
global, pois transportam 60% do valor total de mercadorias movimentadas no modal
marítimo. As características de um porta-contêineres estão relacionadas com a alta
velocidade e rapidez com que a carga é carregada e descarregada em portos, tendo
como conseqüência um maior número de viagens feitas pelo mesmo navio. Outra
característica é o pequeno número de tripulantes necessários para a sua operação.
O projeto desse tipo de navio visa o máximo aproveitamento de espaço para
carregamento de contêineres, abaixo e acima do convés principal (BARRAS, 2004,
tradução nossa).
60
Existem dois grandes grupos de navios porta-contêineres. Os navios para
viagens intercontinentais podem carregar até 14.000 TEUs, e desenvolvem grandes
velocidades, de 20 a 30 nós, em média. Possuem subclassificações de acordo com
suas dimensões, como panamax, post-panamax, suezmax, capesize. Escalam em
grandes portos. O outro grupo de navios, chamados de container feeders, são de
pequenas dimensões, e carregam de 200 a 1000 TEUs. Desenvolvem velocidades
um pouco abaixo dos navios intercontinentais, por volta de 18 nós. A maioria possui
guindastes de bordo para movimentação de carga. Realizam viagens entre
pequenos e grandes portos, ou para operações onde o uso de um navio
intercontinental não é econômico, geralmente em cabotagem (DOKKUM, 2003).
Em 2009, havia 4.641 navios porta-contêineres, com média de idade de 10
anos (INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION, 2009, tradução nossa).
61
3 RESULTADOS OBTIDOS
3.1 Análise do kite
Foi realizada uma verificação das informações obtidas sobre os três modelos
de kites fornecidos pela SkySails, usando como parâmetros as condições padrão
definidas pelo fabricante. O objetivo foi validar os valores de potência para cada kite.
Sabendo que a potência do kite é o produto de sua força pela velocidade do vento
aparente que ele sofre, foram obtidos os resultados listados na Tabela 5.
Tabela 5: potências, em kW, para cada modelo de kite, usando como parâmetros as condições padrão do fabricante.
Modelo Potência (kW)
SKS 160 605,40
SKS 320 1.210,79
SKS 640 2.421,59
Foi assumido como vento aparente a diferença entre a velocidade do vento
real (soprando a 130° em relação ao navio) e a velocidade do navio. Para as
condições padrão, o vento aparente é de 7,72 m/s. As potências obtidas ficaram
próximas do mínimo para cada modelo nas condições padrão (como mostrado na
Tabela 2), validando os dados fornecidos pelo fabricante.
Foram ainda criados dois cenários para a verificação das potências fornecidas
pelo kite, dependendo do vento e da velocidade do navio. O objetivo foi criar
situações proporcionais à condição padrão definida pelo fabricante, para
posteriormente realizar as estimativas. No primeiro cenário, o vento foi mantido
constante a 25 nós, soprando a 130° em relação à embarcação, enquanto que o
navio aumentava sua velocidade, partindo de 10 nós até 25 nós. No segundo
cenário, o vento passou a aumentar sua velocidade, iniciando a 20 nós e chegando
62
até 40 nós, soprando a 130° em relação à embarcação, enquanto a velocidade do
navio foi mantida a 20 nós. Para cada cenário, cinco condições foram definidas.
Analisando a equação 3 (seção 2.1), a força propulsiva aumenta com o
quadrado da velocidade. Assim, se a velocidade aparente dobra, a força do kite
quadruplica. Tendo como referência a condição padrão do fabricante, onde o vento
aparente é de 7,72 m/s, foram feitas relações de velocidades (Rv) do vento aparente
para determinar as potências conseguidas com o kite, através da equação 5.
v 7,72
2
va2
(5)
Assim, a potência do kite fica definida por:
k va (6)
Onde k é a potência do kite e va é o vento aparente. Os parâmetros usados
no primeiro cenário para as condições de 1 a 5 são apresentados na Tabela 6. As
potências obtidas usando a equação 6 são apresentadas na Tabela 7.
Tabela 6: parâmetros para cenário 1.
Parâmetro 1 2 3 4 5
Velocidade do navio (nós) 10 12 15 20 25
Velocidade do navio (m/s) 5,14 6,17 7,72 10,29 12,86
Vento (nós) 25 25 25 25 25
Vento (m/s) 12,86 12,86 12,86 12,86 12,86
Vento aparente (m/s) 7,72 6,69 5,14 2,57 0,00
Relação de velocidades 1,00 0,75 0,44 0,11 0,00
63
Tabela 7: cenário 1 - potências em kW para cada condição.
Modelo 1 2 3 4 5
SKS 160 605,40 454,72 269,07 67,27 0,00
SKS 320 1.210,79 909,44 538,13 134,53 0,00
SKS 640 2.421,59 1.818,88 1.076,26 269,07 0,00
Para o segundo cenário, os parâmetros utilizados são apresentados na
Tabela 8. As potências obtidas usando a equação 6 são apresentadas na Tabela 9.
Tabela 8: parâmetros para cenário 2
Parâmetro 1 2 3 4 5
Velocidade do navio (nós) 20 20 20 20 20
Velocidade do navio (m/s) 10,29 10,29 10,29 10,29 10,29
Vento (nós) 20 25 30 35 40
Vento (m/s) 10,29 12,86 15,43 18,01 20,58
Vento aparente (m/s) 0,00 2,57 5,14 7,72 10,29
Relação de velocidades 0 0,11 0,44 1 1,78
Tabela 9: cenário 2 - potências em kW para cada condição.
Modelo 1 2 3 4 5
SKS 160 0,00 67,27 269,07 605,40 1.076,26
SKS 320 0,00 134,53 538,13 1.210,79 2.152,52
SKS 640 0,00 269,07 1.076,26 2.421,59 4.305,05
64
No primeiro cenário, verificou-se que com ventos a velocidade constante, a
potência do kite tende a diminuir com o aumento da velocidade do navio. No
segundo cenário, com a velocidade do navio constante, a potência do kite aumentou
com o aumento da velocidade do vento. Outra constatação é a impossibilidade de
operação do kite quando a velocidade do vento é igual à velocidade da embarcação
(sempre atentando para o fato de que, nas condições apresentadas, a direção do
vento real é de 130° em relação à embarcação).
No cenário 2, a condição 4 apresentou proporcionalmente os mesmos
parâmetros das condições padrão do fabricante, assim foram conseguidas as
mesmas potências para cada modelo de kite das apresentadas na Tabela 5. Ainda
no cenário 2, a condição 5 apresentou valores de potências próximos às potências
máximas de cada modelo de kite fornecido pelo fabricante (Tabela 2). Portanto, para
um navio com velocidade de 20 nós, a máxima potência que o kite pode
desenvolver, respeitando as margens de segurança de operação do kite, é com
ventos de 40 nós.
3.2 Escolha do navio
Para o presente estudo, foi escolhido para as estimativas o navio Log-In
Jacarandá, um porta-contêineres com capacidade para 2.814 TEUs, comprimento
total de 218,45 metros, velocidade de serviço de 20 nós, e arqueação bruta de
28.400 AB (Figura 39). Dados adicionais do navio estão contidos no anexo A. O
navio possui um motor Wärtsilä, modelo 6RT-flex68D, com potência de 18.780 kW, e
consumo específico de 170 g/kWh de óleo combustível. Dados adicionais sobre o
motor são apresentados no anexo B. A rota de atuação do Log-In Jacarandá inclui
os portos de Manaus, Pecém, Fortaleza, Suape, Santos, Paranaguá e Itajaí, nos
sentidos norte e sul. A rota é mostrada na Figura 40.
O principal motivo para a escolha do navio Log-In Jacarandá foi a sua
construção em território brasileiro, no Estaleiro Ilha S/A, no Rio de Janeiro. É o
primeiro navio porta-contêineres construído no Brasil neste século, sendo um grande
marco na indústria naval nacional.
65
Figura 39: Log-In Jacarandá. Fonte: Edson Lucas - SHIPSPOTTING, 2011
Figura 40: rota do Log-In Jacarandá. Fonte: LOG-IN LOGÍSTICA INTERMODAL, 2011
66
3.3 Estimativa de desempenho do kite no navio selecionado
De posse dos dados do navio e do kite, foi possível realizar uma estimativa de
economia de combustível para o caso.
Considerando que a velocidade de serviço do Log-In Jacarandá é de 20 nós,
e que essa velocidade será mantida a mesma com o uso do kite, o mesmo só é
utilizável na faixa de ventos entre Beaufort 6 a 8.
A Tabela 10 mostra as potências dos kites (Pk) usados na estimativa, para a
velocidade de serviço de 20 nós e velocidade do vento real aumentando, soprando a
130° em relação ao navio. As velocidades dos ventos reais utilizadas foram as
médias entre a maior e a menor velocidade de cada nível da Escala Beaufort.
Tabela 10: estimativa de potências Pk alcançadas pelo kite no navio Log-In Jacarandá, com
velocidade de serviço a 20 nós e ventos a 130° em relação à embarcação.
Força Beaufort
Vento aparente
(m/s)
Relação de velocidades
Potência do kite
SKS 160 (kW)
Potência do kite
SKS 320 (kW)
Potência do kite
SKS 640 (kW)
BF 6 2,31 0,0900 54,49 108,97 217,94
BF 7 5,40 0,4900 296,64 593,29 1.186,58
BF 8 8,75 1,2844 777,60 1.555,20 3.110,40
Os resultados obtidos na Tabela 10 contribuem diretamente na potência
efetiva PE da embarcação, conforme descrito na seção 2.5. Assim, os coeficientes
propulsivos devem ser aplicados para que a potência PI-k salva no MCP seja
estimada. Foram utilizados os valores médios das eficiências apresentadas na
Tabela 3. Dessa forma, o valor de potência PI-k que o kite salva do MCP, para cada
valor da potência Pk obtido, é:
- k
(7)
67
Onde Y é o produto da multiplicação de todas as eficiências propulsivas entre
si.
0,985 0,675 0,965 0,9 0,577
As potências estimadas deduzidas do MCP são apresentadas na Tabela 11.
Tabela 11: estimativa de potências PI-k, em kW, deduzidas do MCP devido ao uso do kite no
navio Log-In Jacarandá .
Modelo de kite SKS 160 SKS 320 SKS 640
Força Beaufort
BF 6 94,36 188,71 377,43
BF 7 513,72 1.027,44 2.054,88
BF 8 1.346,62 2.693,24 5.386,49
3.4 Estimativa de economia de combustível
O MCP do Log-In Jacarandá trabalha a 90% de sua potência para que o navio
desenvolva uma velocidade de serviço de 20 nós, ou seja, 16.902 kW. O consumo
específico motor é de 170 g/kWh. A economia de combustível em um ano é medida
em toneladas de óleo combustível. Para que fosse feita uma estimativa dessa
economia, foram analisadas a rota e a programação do armador, apresentada no
anexo C. Assumindo que o navio fique um dia no porto (atracado no cais e
fundeado), e levando em consideração o tempo de viagem típico entre portos dessa
rota, chegou-se a um número de 195 dias navegando em um ano. Para o porto de
Manaus, foram acrescentados mais 4 dias de estadia no porto, devido à viagem de
ida e volta pelo rio Amazonas, onde o kite não é utilizado.
Para a estimativa de economia de combustível, no caso teórico deste estudo,
criou-se um cenário em que o kite fosse utilizado com a direção do vento a 130° em
68
relação ao navio, com velocidades a Beaufort 8, e velocidade de serviço do navio a
20 nós. Isso caracteriza o desempenho máximo atingido pelo kite para o Log-In
Jacarandá. Foi assumido neste cenário que o kite seja utilizado em metade dos dias
de navegação durante o ano, ou seja, 97 dias.
A equação utilizada para medir a economia de combustível em t/ano foi:
comb 170 24 97
106 (8)
A economia estimada de combustível para o cenário supracitado, em um ano,
é apresentada na Tabela 12. O Gráfico 1 apresenta esses valores em porcentagem
de economia. Sem o uso do kite, em ritmo normal de operação do MCP, o gasto de
combustível em 97 dias é de aproximadamente 6.689 toneladas de óleo pesado.
Tabela 12: economia de combustível estimada para o navio Log-In Jacarandá, em t/ano, para cada modelo de kite no cenário estudado.
Força Beaufort SKS 160 SKS 320 SKS 640
BF 8 532,94 1.065,88 2.131,76
Gráfico 1: economia estimada para cada modelo de kite no cenário estudado.
0,00%
5,00%
10,00%
15,00%
20,00%
25,00%
30,00%
35,00%
SKS 160 SKS 320 SKS 640
Eco
no
mia
est
imad
a
Modelos de kite
69
3.5 Retorno financeiro
Entre os dois modelos disponíveis atualmente, o melhor desempenho para o
caso estudado foi conseguido pelo kite de 320 m², o maior em área. Assumindo que
este kite foi instalado no Log-In Jacarandá, realizou-se uma estimativa de retorno
financeiro usando o modelo. Conforme apresentado na seção 2.7 (Figura 38),
atualmente o preço do óleo combustível gira em torno de USD 500,00 por tonelada.
Foi considerado também o custo de manutenção do sistema em um ano.
Para o cenário em estudo, o kite SKS 320 permite uma economia durante um
ano de USD 385.189,32. Nessas condições, seriam necessários 45 meses para
haver o retorno do investimento.
70
4 CONCLUSÃO
A economia teórica de combustível do navio Log-In Jacarandá, utilizando um
kite de 320 m², é de pouco mais de 15% para ventos de alheta de intensidade 8 na
Escala Beaufort. Essa economia pode ser aumentada com a instalação de um kite
com maior área, conforme demonstrado nas estimativas com um kite de 640 m²,
onde a economia estimada chega a mais de 30%.
O retorno financeiro de menos de 4 anos proporciona um bom aproveitamento
da economia obtida após o payback pelo armador, no período de 6 anos restantes
da vida do navio, levando-se em conta a idade média da frota mundial de navios
porta-contêineres. Tal economia pode ser sentida também pelos usuários do
transporte conteinerizado, na forma de diminuição do preço do frete marítimo. Como
a tendência é de alta nos preços dos combustíveis para os próximos anos, a
contribuição do kite no aumento dos lucros para o armador aumenta.
Outra conseqüência direta da economia de combustível proporcionada pelo
kite é a diminuição da emissão de gases do efeito estufa, como o CO2, além de
outros gases poluidores. O kite pode contribuir para que o nível de emissão global
de gases da frota mundial de navios seja diminuído, além de ajudar os amadores a
cumprir os requerimentos do Anexo VI da convenção MARPOL 73/78 e de outros
regulamentos impostos por vários países.
Analisando as características gerais dos navios porta-contêineres, juntamente
com os dados das potências obtidas dos kites disponíveis atualmente, conclui-se
que terão maiores benefícios os navios menores e menos rápidos, de até 20 nós de
velocidade de serviço. Nos grandes navios modernos, que podem atingir até 30 nós,
este benefício não é sentido, pois a velocidade desenvolvida é incompatível com o
uso do kite, que tem sua potência diminuída conforme a velocidade de avanço do
navio aumenta. Para sentir os efeitos da economia de combustível, um navio mais
veloz precisaria reduzir sua velocidade, o que causa atrasos na viagem, além de ir
contra a proposta do kite, que é de atuar em conjunto com o MCP, mantendo a
velocidade de serviço. Essa limitação pode ser solucionada com o desenvolvimento
de kites de maior área e força propulsiva.
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Em comparação com outros tipos de propulsão eólica, as principais
vantagens técnicas do kite são:
dispensa o uso de mastros ou outras grandes estruturas de suporte, o que
diminui as forças de adernamento em ventos desfavoráveis, traduzindo-se em
um ganho substancial na segurança de navegação;
a fixação do kite na proa do navio não ocupa espaço útil para carga, e o seu
recolhimento quando da entrada em portos dá acesso livre para que
guindastes operem na carga e descarga de contêineres, sem que nenhuma
estrutura do navio interfira;
grande força propulsiva com uma pequena área vélica. O padrão de vôo
descrito pelo kite aumenta a velocidade do ar que passa pelo seu perfil
aerodinâmico, o que maximiza a força produzida, necessitando assim de
menor área vélica do que outros tipos de propulsão eólica;
o controle automático do kite o torna altamente ágil em mudanças repentinas
de ventos;
facilidade e rapidez de instalação, podendo ser montado em navios
existentes, sem grandes modificações estruturais;
não afeta a visibilidade desde o passadiço;
dispensa tripulação adicional para operá-lo.
Convém notar que os resultados obtidos neste estudo são para uma
determinada condição ambiental. Assim, para estimativas mais completas, deve-se
levar em conta o regime de ventos da rota do navio, para que sejam determinadas
as condições predominantes e a porcentagem de sua ocorrência, para que se faça
uma análise estatística. Por exemplo, mapas de satélite que apresentem a
velocidade e direção dos ventos durante um ano, em uma determinada região dentro
de uma rota estabelecida, na altura de operação do kite, i.e., entre 100 e 300
metros, podem ser utilizados nessa análise. A otimização de rotas deve ser uma
prática adotada por navios que utilizem o kite, a fim de melhorar a economia de
combustível.
Para um estudo mais aprofundado, deve-se também determinar as forças
conseguidas com o kite a partir do estudo de sua dinâmica dentro do envelope de
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vôo. Uma das principais variáveis na geração de sustentação, o ângulo de ataque do
kite deve ser conhecido, e assim, seus coeficientes de sustentação e arrasto. O
estudo do kite pode ser estendido para softwares CFD, onde análises em malhas
tridimensionais podem ser feitas.
Finalmente, propõe-se um estudo comparativo dos todos os tipos de
propulsão eólica em navios, tendo como objetivo determinar a eficiência propulsiva,
economia em combustível, redução de emissão de gases do efeito estufa e aspectos
econômicos de cada um.
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ANEXO A – FICHA TÉCNICA DO NAVIO LOG-IN JACARANDÁ
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79
ANEXO B – FICHA TÉCNICA DO MOTOR WÄRTSILÄ RT-FLEX 68
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ANEXO C – PROGRAMAÇÃO DE NAVIOS DO ARMADOR LOG-IN
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