No início de 2023, a Organização Marítima Internacional (IMO) estabeleceu metas ambiciosas para alcançar uma indústria marinha ecológica e emissões líquidas zero até 2050, uma aceleração drástica em relação à meta anterior de 2100. A indústria tem navegado em mares agitados desde então, com implicações generalizadas na gestão do ciclo de vida dos navios, desde a concepção do conceito até à operação em funcionamento e ao desmantelamento. A maioria das partes interessadas da indústria previu este desenvolvimento, tendo observado a sequência de regulamentações ambientais progressivamente mais rigorosas.
Durante o Clean Energy Action Forum 2022, o CEO e presidente do American Bureau of Shipping (ABS), Chris Wiernicki, delineou os chamados caminhos de combustível credíveis, que serão o principal impulsionador na seleção de novos tipos de combustível pelos operadores de navios para cumprir as metas de carbono zero. O cronograma de preparação tecnológica está no centro da tomada de decisões, que pode ser dividido em períodos de curto, médio e longo prazo. De acordo com Wiernicki, tal prontidão é dada se os seguintes quatro pilares puderem ser estabelecidos:
Um case de negócios sólido
Escalabilidade
Fornecimento e uso de dados certificáveis
Mitigação de consequências não intencionais
Soluções de curto prazo para uma indústria marinha ecológica
As soluções de curto prazo são o gás natural liquefeito (GNL), o metanol e os biocombustíveis de primeira e segunda geração. Segundo Clarksons, 4,1% da frota comercial mundial pode usar GNL como combustível. Isso representa 91% da parcela total da frota com capacidade para combustíveis alternativos. Além disso, o domínio do GNL reflete-se nas atuais carteiras de encomendas, com 33,3% a optar pelo GNL, seguido pelo Gás Liquefeito de Petróleo (GPL) com 2,3%, metanol (1,2%), etano (0,3%) e hidrogénio (<0,3%). %). Os pedidos que combinam GNL com a opção “pronto para amônia” representam até 10% desses pedidos. O principal incentivo para a utilização de biocombustíveis é que a infra-estrutura de combustíveis existente requer poucos ou nenhuns ajustamentos. Para embarcações menores, de curta distância e costeiras, já estão disponíveis soluções de baterias adequadas, e podem ser referenciados protótipos bem-sucedidos de embarcações totalmente elétricas e autônomas.
Navio-tanque de gás natural liquefeito (GNL)
Soluções de médio prazo
O período de médio prazo verá um maior avanço do metanol, com o aumento da amônia, à medida que motores compatíveis se tornarão mais disponíveis nos próximos dois anos.
Projeção de longo prazo
A longo prazo, os combustíveis verdes (combustível produzido a partir de fontes de biomassa através de vários processos biológicos, térmicos e químicos) estarão disponíveis juntamente com o hidrogénio azul, ou seja, o hidrogénio produzido a partir do gás natural e apoiado pela captura e armazenamento de carbono (CCS). A prontidão da tecnologia CCS é crucial tanto a bordo como em terra. As sociedades de classificação estão a liderar a avaliação da energia nuclear como uma opção para grandes navios comerciais que podem acomodar a tecnologia.
Cadeia de simulação Simcenter – zarpando
Cada etapa da jornada para atingir a meta líquida zero traz desafios de engenharia distintos para a operação do navio; para nomear alguns:
Dispersão de gás
Depois do tratamento
Balançando em tanques
Fervura do tanque (processo de aumento indesejado de temperatura nos tanques que compromete o estado criogênico do gás).
Pós-tratamento para redução e remoção de emissões (purificadores)
Vazamentos de gás criogênico durante o abastecimento (processo de reabastecimento)
Planejamento de viagem – perfis de geração de combustível e emissões
Os recursos multifísicos do Simcenter STAR-CCM+ para modelagem multifásica híbrida estão sendo aproveitados para fornecer previsões baseadas em simulação para esses problemas, tanto no projeto de conceito quanto na análise forense.
Em um nível de sistemas mais alto, o Simcenter Amesim permite a análise das configurações do motor e da propulsão com vários níveis de detalhe e fidelidade, estendendo-se até o planejamento da viagem, consumo de combustível e perfis de emissões.
Simcenter Amesim
Os primeiros navios costeiros já navegam totalmente elétricos, enquanto a indústria náutica começou a embarcar na sua missão de eletrificação. Simcenter Amesim, Simcenter Motorsolve e Simcenter STAR-CCM+ oferecem muitas soluções padronizadas para considerar o dimensionamento do conjunto de baterias, o projeto do trem de força ou ajudar a evitar fuga térmica.
Bateria descontrolada – simulação Simcenter CFD
Grandes navios, emissões zero, soluções marinhas ecológicas
Voltando aos navios maiores e aos cavalos de batalha do comércio global, queremos concentrar-nos na forma como a tecnologia de simulação do conjunto Simcenter está a ajudar os engenheiros a abordar soluções de curto e médio prazo para combustíveis alternativos. Entre os quatro pilares dos caminhos de combustível viáveis, quando se trata de amônia, a mitigação de consequências não intencionais deve ser abordada no início da implementação.
O GNL e o amoníaco são armazenados em estado criogénico, o que significa que qualquer exposição às condições ambientais, por exemplo, através de fugas durante o abastecimento, conduzirá à vaporização instantânea (ebulição instantânea), colocando a tripulação em risco e apresentando numerosos perigos ambientais. A ebulição repentina do spray líquido de um vazamento de tubo para o ambiente ocorre porque a pressão ambiente está abaixo da pressão de saturação do combustível líquido. Dependendo da direção da pulverização e da distância das estruturas adjacentes, pode ocorrer a precipitação da nuvem de vapor dispersa: o impacto das gotículas de líquido restantes da pulverização, na maior parte vaporizada, e então altamente inflamável.
Estudo de caso: Bunkering
O abastecimento é uma operação crítica a bordo de navios no mar ou no porto. O abastecimento bem-sucedido requer a transferência segura de combustível para os tanques do navio, sem transbordamento, derramamentos ou vazamentos.
A simulação pode auxiliar nas primeiras etapas do processo de abastecimento
No início do processo de abastecimento está o planejamento da viagem para determinar a quantidade de combustível a ser abastecida. A biblioteca marítima do Simcenter Amesim permite que você conecte seu motor e modelo de trem de força ao ambiente de simulação de viagem e manobra, considerando cargas de hotel, consumo de combustível de motor auxiliar, vento, ondas e efeitos de corrente nas características de potência.
Depois de determinada a quantidade de combustível, incluindo as reservas a serem abastecidas, inicia-se o planejamento de quais tanques receberão o combustível. Aqui, um modelo dos tanques, tubulações e válvulas, sistema de lastro e entrada de combustível através do próprio abastecimento é fundamental para a previsão e monitoramento do desempenho e para garantir a hidrostática desejada do navio. Esses itens e planos de ação para vazamentos ou derramamentos são geralmente discutidos na conferência pré-bunker – que pode ser apoiada digitalmente por modelos de tempo rápido para obter respostas rápidas a cenários hipotéticos.
A chave para o sucesso
O ambiente de simulação do Simcenter Flomaster permite gerar envelopes de resultados de diferentes cenários de abastecimento, mas também pode servir a montante na fase de projeto para dimensionar as bombas e linhas para atingir o tempo ideal para enchimento, esvaziamento e sondagem dos tanques. Em última análise, as métricas críticas da simulação podem ser automaticamente inseridas no livro de registro do petróleo, em conformidade com o Anexo I da MARPOL.
Evite possíveis falhas e perigos do sistema
O interesse agora é em possíveis falhas do sistema e perigos para a tripulação e o meio ambiente. Os modelos podem ser configurados para produzir respostas explícitas para regulamentações relevantes, por exemplo, códigos IMO IGC e IGF para GNL. O GNL é geralmente armazenado a cerca de -162°C e apresenta riscos criogênicos, como queimaduras pelo frio e queimaduras na pele humana, e risco de incêndio e explosão durante a transição para um estado gasoso dentro da faixa inflamável. No caso da amônia, podem ocorrer queimaduras na pele, irritação e inflamação do sistema respiratório e dos olhos da tripulação. Altas concentrações de gás no ar, especialmente em espaços confinados, podem levar a explosões ou resultados fatais para a vida humana.
Saiba como a simulação CFD pode ajudá-lo a analisar consequências indesejadas
Para entender melhor os perigos da ebulição por spray flash e da dispersão de gás, analisamos o problema de reabastecimento no mar, onde simulamos a dispersão criogênica de amônia de um tubo devido a um vazamento durante o abastecimento. Utilizando simulações com o Simcenter STAR-CCM+, a complexa física da ebulição instantânea da dispersão de gás criogênico pode ser estudada. As métricas procuradas incluem a extensão da pluma, a concentração de amônia em determinados pontos e se ocorrerá ou não chuva. Embora seja improvável que os trabalhadores no convés ao ar livre sejam expostos a níveis de concentração fatais superiores a 2.000 ppm por 30 minutos ou mais, podem ocorrer sensações de ardor ou queimação nos olhos e no sistema respiratório devido à exposição a apenas 70 ppm acima. no mesmo intervalo de tempo, de acordo com o Instituto Nacional de Saúde.
Estes níveis não são inatingíveis dentro de salas fechadas como compartimentos de motores, o que sublinha a importância do emprego de tecnologia de simulação para avaliação de riscos e concepção de contramedidas.
Em nosso cenário fictício de abastecimento, a amônia líquida foi descarregada de um vazamento horizontalmente na infraestrutura de abastecimento do navio receptor a uma pressão de 8 bar, causando rápida dispersão no meio ambiente. Ao longo de 10 segundos, aproximadamente 1 ppm pode ser medido em locais típicos para operações de trabalho. Não foi detectada nenhuma chuva no convés, ou seja, toda a massa vazada passou para o estado gasoso.
Mantenha-se integrado – todos no convés para um futuro marinho verde
Neste post foram apresentados problemas de engenharia relacionados aos alvos marinhos ecológicos, desde o projeto conceitual até a operação a bordo e auxiliando na geração de documentação obrigatória. Certamente haverá implicações de seus estudos específicos de componentes ou problemas para aspectos fundamentais do projeto geral de navios. No caso provável de ficar sobrecarregado pela complexidade e interconectividade de abranger o espaço de design, o Simcenter HEEDS fornecerá pontos de referência náuticos para o porto de soluções.
Revele a solução definitiva: aproveite seus insights para obter os melhores resultados
O papel do Simcenter HEEDS é duplo. Por um lado, seu gerenciador de fluxo de trabalho atua como uma aranha na teia de ferramentas Simcenter CAE por meio de mapeamento e administração de E/S em tempo real. Além disso, sua otimização de design multidisciplinar pode ser aproveitada na subferramenta, no processo holístico ou em uma combinação de ambos. Definir restrições de otimização realistas e aproveitar o poderoso conjunto de pós-processamento do Simcenter HEEDS para obter os insights importantes será fundamental para um retorno seguro ao porto.
Hora de ancorar
Há um oceano de problemas de engenharia quando se trata de projeto e operação de navios e plataformas flutuantes, e o Simcenter tem muito mais ferramentas disponíveis do que as mencionadas no blog em questão. Você já se perguntou sobre a segurança e o conforto dos passageiros em sua lancha rápida? Simcenter Madymo é o farol a seguir.
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