Diesel Out, Electric In: Sistemas de energia de navios estão sendo reminados por motores

A indústria naval global está num ponto de viragem histórico. Com a aplicação de regulamentações cada vez mais rigorosas sobre emissões de carbono pela Organização Marítima Internacional (IMO) e um imperativo global para o transporte marítimo sustentável, o sistema tradicional de potência do motor diesel está passando por uma profunda transformação. No centro desta mudança está o surgimento dos sistemas de acionamento elétrico e da tecnologia de motores, que estão redefinindo fundamentalmente a arquitetura de energia dos navios e orientando a indústria em direção a um futuro mais eficiente e mais limpo.

​Mudança de paradigma: da transmissão mecânica à propulsão elétrica integrada​

Durante mais de um século, os motores diesel dominaram como fonte de energia absoluta para navios, valorizados pela sua fiabilidade e elevada densidade de potência. No entanto, as suas desvantagens são evidentes: emissões elevadas, ruído significativo, potencial limitado de otimização energética e layout inflexível de sistemas de transmissão mecânica complexos.

Os modernos sistemas de acionamento elétrico revolucionaram esse cenário. Seu princípio fundamental é a separação entre geração de energia e propulsão:

• ​Prime Movers​ (como motores a diesel, turbinas a gás e até células de combustível) concentram-se na geração eficiente de eletricidade.

• A energia elétrica é distribuída de forma flexível por todo o navio através de uma rede elétrica.

• Os motores atuam como atuadores finais, convertendo energia elétrica em energia mecânica para acionar hélices ou diversas máquinas auxiliares.

Este “sistema de energia integrado” oferece vantagens revolucionárias: layout extremamente flexível, eficiência energética significativamente melhorada, abre caminho para novas fontes de energia, como baterias de lítio e hidrogênio, e melhora muito a manobrabilidade e o conforto do navio.

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Core Power: Inovação diversificada em motores marítimos​

Os motores não são mais simples dispositivos de potência, mas componentes centrais altamente especializados, adaptados aos diversos requisitos funcionais do navio. O desempenho superior dos sistemas de acionamento elétrico baseia-se nesta diversificada tecnologia de motor:

• ​Principais motores de propulsão: o “coração elétrico” do navio​

  Como fonte de energia que substitui o motor principal no acionamento direto da hélice, os motores de propulsão modernos podem atingir classificações de potência na casa das dezenas de megawatts. Para fornecer impulso maciço dentro do espaço limitado da sala de máquinas, eles geralmente empregam fontes de alimentação de média tensão (por exemplo, 3,3 kV, 6,6 kV, 11 kV), projetos multipolares de baixa velocidade e integram tecnologias avançadas de refrigeração a água ou de refrigeração híbrida. Por exemplo, o esquema de resfriamento composto de “circulação interna + circulação externa” adotado por alguns fabricantes líderes superou com sucesso os desafios de dissipação de calor em altas densidades de potência, reduzindo substancialmente o volume e o peso do motor e, ao mesmo tempo, aumentando significativamente a densidade de potência, atendendo às rigorosas demandas por sistemas de propulsão compactos em grandes navios de cruzeiro e navios porta-contêineres.

• ​Manobrando e Posicionando Motores: Ágeis “Timoneiros Elétricos”​​

  Isso inclui motores para propulsores de proa e propulsores azimutais (Azipod®). Esses motores enfatizam alto torque, resposta dinâmica rápida e controle preciso para permitir manuseio ágil do navio e posicionamento dinâmico (DP). Eles normalmente apresentam estruturas verticais com adaptabilidade ambiental excepcional, capazes de operação estável sob alta vibração, umidade e até mesmo condições de frio extremo.

• ​Motores de equipamentos auxiliares: os “pedras angulares silenciosas” do sistema para todo o navio​

  Desde bombas e ventiladores até compressores e máquinas de convés, os equipamentos auxiliares em todo o navio são cada vez mais acionados por motores de alta eficiência. A tendência é para motores de indução ou de ímã permanente controlados por inversores de frequência variável, permitindo o fornecimento de energia sob demanda. Isto elimina o desperdício de energia de “usar um motor grande para uma carga pequena” e é fundamental para reduzir o consumo de energia da “carga hoteleira” do navio.

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Cenários de aplicação de motores marítimos​

Uma grande variedade de motores, chegando a centenas ou mesmo milhares, são instalados em embarcações de grande porte e desempenham funções críticas em propulsão, manobras e vários sistemas auxiliares. Por exemplo, o primeiro grande navio de cruzeiro construído internamente na China está equipado com mais de 20.000 conjuntos de equipamentos motores, cobrindo 136 subsistemas, desde HVAC até bombas de incêndio.

A navegação segura e as operações diárias dependem muito do funcionamento normal destes motores. Uma falha em qualquer motor pode afetar o sistema de propulsão ou equipamentos críticos, colocando potencialmente em risco a viagem. Portanto, normalmente é necessário que os motores marítimos possuam alta confiabilidade e capacidade de resistir a ambientes agressivos. ， Devido à alta umidade, corrosão por névoa salina e intensa vibração e choque no mar, os motores marítimos devem incorporar projetos especiais para proteção contra umidade, resistência à corrosão e resistência à vibração.

Muitos motores marítimos operam continuamente durante todo o ano em ambientes úmidos e vibrantes. A manutenção inadequada pode levar a falhas como envelhecimento do isolamento ou desgaste do rolamento. O projeto e o uso devem enfatizar a inspeção regular, manutenção, melhor resfriamento e isolamento de vibração para garantir a operação estável e confiável do motor. Os motores marítimos são amplamente utilizados na propulsão principal, unidades de propulsão elétrica, propulsores/propulsores de proa, máquinas de convés, bombas, HVAC e outros cenários. Seu desempenho está diretamente relacionado ao desempenho geral e à segurança da embarcação.

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Fronteira tecnológica: impulsionando o futuro da navegação ecológica​

Atualmente, o desenvolvimento tecnológico em motores marítimos e sistemas de acionamento elétrico está focado em três direções principais:

• ​Eficiência ultra-alta e magnetização permanente​

  Melhorar a eficiência do motor é um caminho direto para a redução de emissões. Os motores ultraeficientes da classe IE4/IE5 tornaram-se a escolha preferida para novas construções. Entre eles, os motores síncronos de ímã permanente (PMSM), com sua alta densidade de potência, alta eficiência e alto desempenho de torque, estão ganhando impulso rápido na propulsão e na geração de energia, tornando-se o núcleo da nova geração de "energia verde".

• ​Integração e Inteligência de Sistemas​

  Os modernos sistemas de acionamento elétrico são conjuntos altamente integrados. Os motores estão profundamente integrados com conversores de frequência, transformadores e sistemas de gerenciamento de energia (EMS). Sistemas de monitoramento inteligentes baseados em gêmeos digitais e na Internet das Coisas (IoT) podem analisar a saúde do motor em tempo real, permitindo a manutenção preditiva e maximizando a confiabilidade e a eficiência operacionais.

• ​Adaptação a diversas fontes de energia​

  A energia futura dos navios será híbrida. Os sistemas de acionamento elétrico, devido à sua compatibilidade inerente, podem integrar perfeitamente a geração a diesel, baterias de lítio, células de combustível e até mesmo energia em terra. Os motores, servindo como porta de saída de energia unificada, permitem que os navios alcancem um desempenho de propulsão ideal, independentemente da fonte de energia primária utilizada.

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Tipos e características técnicas de motores marítimos:​​

Com base nas diversas necessidades dos sistemas de navios, os motores marítimos evoluíram para vários tipos especializados:

• ​Principais motores de propulsão:​​ Servindo como principal fonte de energia de propulsão para embarcações, sua faixa de potência pode chegar a vários megawatts. Normalmente são motores de alta tensão e alta potência, com níveis de tensão padrão incluindo 690V, 3kV, 6kV, 10kV e classificações de potência que atingem milhares ou até dezenas de milhares de quilowatts. Para fornecer imensa potência em espaços limitados, os motores de propulsão geralmente usam projetos de pólo alto e baixa velocidade (750 ~ 1200 rpm) e métodos de resfriamento eficientes. A maioria dos grandes motores de propulsão convencionais são equipados com sistemas de refrigeração a água ou compostos para melhorar a eficiência da dissipação de calor. Um certo tipo de motor de propulsão desenvolvido por fabricantes nacionais foi pioneiro em uma tecnologia híbrida de resfriamento cruzado de "circulação interna + circulação externa + ar + água do mar". Isso resolveu com sucesso os gargalos de dissipação de calor para motores de alta corrente e alta potência sob condições de baixa tensão, reduzindo o peso e o volume dos motores da mesma potência para 60% do original e melhorando a eficiência geral em aproximadamente 20%. Esses projetos inovadores melhoram efetivamente a densidade de potência do motor, atendendo às rigorosas demandas de grandes navios de cruzeiro e outras embarcações por motores de propulsão compactos e de alta potência.

• ​Motores de manobra e posicionamento de navios:​​ Isso inclui motores para propulsores de proa (propulsores laterais) e propulsores azimutais (Azipod). Esses motores normalmente apresentam instalação vertical e projetos de saída de alto torque, enfatizando o rápido desempenho de partida-parada e regulação de velocidade para atender aos requisitos de manobrabilidade do navio. Eles devem possuir excelente resistência à umidade, resistência à vibração e tolerância a baixas temperaturas para suportar locais propensos à umidade e impacto, como compartimentos de proa, e permanecer confiáveis ​​mesmo em condições de gelo durante a navegação polar. Estruturalmente, esses motores são geralmente compactos para fácil instalação em espaços limitados do casco e manutenção conveniente.

• ​Motores de equipamentos auxiliares:​Um grande número de equipamentos auxiliares de bordo, incluindo várias bombas, ventiladores, compressores e guindastes de guincho, são acionados por motores elétricos de pequeno e médio porte. Eles são divididos em categorias de baixa tensão e alta tensão com base nos requisitos de carga. Os motores auxiliares de baixa tensão estão principalmente na faixa de tensão de 380–690 V, com potência de vários quilowatts a várias centenas de quilowatts, normalmente apresentando construção totalmente fechada com ventilador refrigerado (TEFC), enfatizando simplicidade e confiabilidade. Os motores auxiliares de alta tensão geralmente operam de 3 a 6 kV, com potência de até vários milhares de quilowatts, usados ​​para aplicações pesadas, como grandes equipamentos de bombeamento e compressão. Eles geralmente empregam projetos de resfriamento aprimorados, como ventilação de dutos ou resfriamento de água. Certos ambientes especiais, como áreas de casas de máquinas de alta temperatura ou bombas submersas, exigem motores especializados com camisas de refrigeração a água ou invólucros à prova de explosão para garantir a operação segura em condições de alta temperatura, à prova de explosão ou subaquáticas. Com o avanço tecnológico, novas formas de motores marítimos estão entrando em uso prático, incluindo PMSMs para propulsão e geração de energia, motores de alta velocidade para auxiliares específicos e motores CC em embarcações para fins especiais. Esta diversificada gama de produtos permite que uma empresa líder cubra frequentemente uma linha de produtos de mais de 30 séries e 2.000 variedades de motores marítimos para atender às necessidades de vários navios.

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Tendências de desenvolvimento de tecnologia de motores marítimos:​​

A indústria de motores marítimos está atualmente acelerando a inovação em torno de três direções principais: eficiência, tecnologia verde e inteligência, com o surgimento de várias novas tecnologias e colaborações:

• ​Motores de classe de alta eficiência, economia de energia e ultra-alta eficiência:​​ Melhorar a eficiência do motor para reduzir o consumo de energia e as emissões é uma tendência primária da indústria. Internacionalmente, foram introduzidos produtos de motores ultraeficientes da classe IE5, com eficiência que ultrapassa em muito os motores tradicionais, acelerando a transformação da indústria de construção naval em termos de economia de energia.

• ​Motores síncronos de ímã permanente e novas topologias de motor:​Devido à sua alta eficiência, alta densidade de potência e bom desempenho de regulação de velocidade, os motores de ímã permanente estão recebendo cada vez mais atenção na indústria marítima. Especialmente em grandes sistemas de propulsão totalmente elétricos ou híbridos, os PMSMs da classe megawatt estão gradualmente se tornando equipamentos essenciais. As empresas nacionais também fizeram avanços significativos, com produtos que cumprem plenamente os rigorosos requisitos de classificação. Em comparação com os motores tradicionais, estes motores de ímanes permanentes de alta potência oferecem vantagens notáveis, tais como elevada eficiência, poupança de energia, elevada densidade de potência e funcionamento estável, reduzindo eficazmente o consumo geral de energia dos navios e as emissões de carbono, alinhando-se com a procura da época por um desenvolvimento sustentável da indústria portuária e marítima. Em aplicações práticas, o uso de PMSMs para cenários como geração de eixos pode melhorar significativamente a eficiência da utilização de energia. Testes mostram que adicionar um gerador de eixo magnético permanente de classe 3MW pode economizar de 4% a 10% no consumo de combustível para todo o navio. No futuro, com os avanços nos materiais magnéticos e na tecnologia de controle, espera-se que os PMSMs tenham uma aplicação mais ampla na propulsão principal, na propulsão elétrica e em grandes máquinas auxiliares, tornando-se um pilar vital da "energia verde" do navio.

• ​Tecnologias especiais de resfriamento e materiais:​​ Para enfrentar o desafio de aumentar a potência dentro do espaço limitado dos navios, a indústria está inovando em refrigeração de motores e materiais. O motor de resfriamento híbrido mencionado acima é um exemplo, onde projetos inteligentes de combinação de caminho de ar e resfriamento a água reduzem significativamente o volume de potência da unidade do motor, atendendo à necessidade de instalação de motores de alta potência nas salas de máquinas estreitas de grandes navios de cruzeiro. A elevada névoa salina e as variações de temperatura do ambiente marinho também estão impulsionando atualizações nos materiais de proteção para a fabricação de motores. As empresas estão investindo pesadamente em P&D para resolver problemas de adesão e vida útil dos revestimentos anticorrosivos, desenvolvendo revestimentos de "armadura anticorrosiva" resistentes à névoa salina, melhorando significativamente a confiabilidade a longo prazo dos motores em ambientes marítimos.

• ​Inteligência e Digitalização:​À medida que os navios modernos buscam cada vez mais operações inteligentes, os motores marítimos também estão evoluindo para monitoramento e controle inteligentes. Os principais fabricantes de motores estão colaborando com estaleiros e empresas elétricas para desenvolver dispositivos de monitoramento e proteção de motores baseados em IoT. Estes integram dados operacionais do motor no sistema de gestão de eficiência energética do navio, permitindo monitoramento em tempo real e alerta precoce do status do motor.

• ​Colaboração Industrial e Certificação Padrão:​​ As altas barreiras técnicas e as demandas de personalização da indústria de motores marítimos estão tornando a colaboração entre empresas e com órgãos competentes uma tendência. Integradores de sistemas completos, fornecedores de equipamentos e fabricantes de motores estão fortalecendo o desenvolvimento colaborativo.

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Conclusão: a maré irreversível da propulsão elétrica​

“Diesel Out, Electric In” não é apenas um slogan, mas uma realidade que se revela em toda a frota global. Desde navios de cruzeiro de luxo e grandes ferries até embarcações offshore e até cargueiros oceânicos, os sistemas de propulsão elétrica, com a sua flexibilidade incomparável, vantagens de eficiência e potencial ambiental, estão a tornar-se o padrão no design de navios modernos.

Os motores, servindo como “músculos e articulações” deste sistema, com cada avanço tecnológico – maior densidade de potência, maior adaptabilidade ambiental, controlo mais inteligente – estão a impulsionar esta revolução para dimensões mais profundas e mais amplas. Para armadores, estaleiros e projetistas, compreender e adotar a tecnologia de acionamento elétrico não é mais apenas uma opção para conformidade regulatória, mas uma necessidade estratégica para vencer a futura concorrência no mercado. O futuro elétrico do transporte marítimo já tocou a buzina e zarpou.