O 2021 Superyacht Design Festival acontecerá entre os dias 1 e 3 de dezembro, em Milão. À medida que se aproxima, a BOAT mostra como a indústria de iates se saiu com ajustes conservadores nos motores a diesel durante anos, e descreve as opções que os construtores e proprietários enfrentam hoje diante das novas e difíceis metas de emissões.
Atualmente, indústria de iates está ligada ao status quo – motores duplos a diesel, eixos e hélices (e suas variações) ainda são a norma, já que o diesel é um combustível amplamente disponível, que oferece o melhor retorno para seu investimento, e os iates particulares usam um dos diesel mais “limpos” disponíveis em motores bem ajustados. Isso é verdade? Essencialmente sim, disse Martin Richter, especialista em tipo de navio, iate, para a sociedade de classificação DNV GL. “Estas são soluções mais limpas e motores de última geração – [embora] ainda queimem combustíveis fósseis convencionais”.
Porém, uma arquitetura naval melhor, uma maior eficiência e motores afinados não serão suficientes para atender às metas de descarbonização. “Para cumprir com o nível de emissões da IMO, melhorar a eficiência não será suficiente. Teremos que passar por uma revolução na propulsão, o que significa novos combustíveis”, afirmou Lorenzo Pollicardo, diretor técnico e ambiental da Associação de Construtores de Superiates (SYBAss).
Entre as emissões problemáticas, incluindo dióxido de carbono (CO2) e óxidos de enxofre (SOx), os óxidos de nitrogênio (NOx) têm estado na vanguarda nos últimos anos por causa de um prazo de 2021, que obrigou a indústria marítima a apresentar soluções para reduzir a emissão de NOx.
“Os iates não emitem muito enxofre, mas isso deixa outras emissões”, disse Robert van Tol, diretor executivo da Water Revolution Foundation, que está tentando fornecer o primeiro guia abrangente que define o impacto ambiental do setor de iates. “O sistema SCR [selective catalytic reduction] – que injeta uma solução de ureia no escapamento – está tentando combater o NOx”. Entretanto, é volumoso, incômodo e eficaz apenas em altas temperaturas, por isso a indústria está procurando outras soluções que ajudem a atender às regulamentações sem reinventar a casa de máquinas.
Outro motivo para o pensamento conservador é a segurança. “Os arquitetos navais são avessos ao risco”, revelou Jorden Kemper, sócio fundador da Zero Emission Advisors, uma empresa de consultoria sediada em São Francisco, que assessora indústrias em soluções de hidrogênio. “[Eles são sobre] engenharia de segurança e conformidade”. E eles não são os únicos.
Sociedades classificadoras, corretores e compradores também gravitam em direção a soluções comprovadas. Finalmente, para construtores e estaleiros, faz sentido, financeiramente, escolher melhorias incrementais (por exemplo, melhores motores, geradores de velocidade variável, sistemas de recuperação de calor, baterias para redução de pico ou melhores estabilizadores) em vez de mudanças radicais. “Os fabricantes têm bilhões de dólares em linhas de produção baseadas no sistema convencional. Será que eles simplesmente se desfarão de seus investimentos? Acho que não”, disse um arquiteto e engenheiro naval que trabalha na Turquia.
São possíveis melhorias, inclusive na característica mais fundamental do iate, sua arquitetura naval – especialmente desde a análise da dinâmica dos fluidos computacional (CFD), que tornou a modelagem dos cascos mais rápida e acessível. Veja o Hull Vane, um apêndice submarino que age um pouco como um spoiler de um carro para melhorar a eficiência. A primeira instalação de Heesen no Alive (agora Ares), de 42 metros, rendeu uma economia de combustível de 20% na “faixa de velocidade útil do iate”. Este resultado é consistente com um estudo de caso em um retrofit de barco de patrulha offshore, de 52 metros. O consumo de combustível foi reduzido em 18 a 27 por cento, dependendo da velocidade. Maior estabilidade e menos combustível também significam menos emissões (e maior conforto).
O combustível
Embora raramente discutidos nos círculos de iates, os combustíveis biológicos e sintéticos oferecem grandes benefícios porque funcionam com os atuais motores de combustão e têm muito menos emissões. Nos EUA, a Gevo produz combustível, essencialmente a partir de carboidratos.
Atualmente, ele se concentra no combustível para jatos e na gasolina (Isobutanol feito de milho), que a National Marine Manufacturers Association (NMMA) endossou para uso como uma mistura em motores de barcos nos EUA. Se a demanda existir, a Gevo também pode produzir biodiesel para uso marítimo.
A Rolls-Royce (que possui o fabricante de motores MTU) vê esses tipos de combustíveis como uma boa solução de transição. “As opções de curto a médio prazo são os combustíveis diesel sintéticos, [como] a segunda geração de biocombustíveis como HVOs [óleos vegetais hidrotratados] e, a longo prazo, acreditamos que haverá uma transição para os e-combustíveis [combustíveis sintéticos produzidos por eletrólise]”, disse Daniel Chatterjee, chefe do programa de pós-tratamento de gás de escape & verde & HighTech da Rolls-Royce Power Systems. “Nossa modelagem vê que a maior aceitação de combustíveis renováveis feitos de eletricidade será após 2030. Até lá, veremos esses combustíveis de base biológica”.
Como os motores podem trabalhar com diesel sintético e convencional indiscriminadamente, a disponibilidade não será um problema, mesmo para cruzeiros de longa distância, tornando-os uma solução intermediária atraente.
Por que mudanças incrementais não serão suficientes?
Para melhor ou pior, os grandes iates são considerados parte da comunidade marítima e têm de cumprir as convenções internacionais, afirma Pollicardo. O que impulsiona a mudança no mundo marítimo é a adoção pela IMO, em 2018, de metas de redução de emissões de gases de efeito estufa. “O objetivo real é reduzir as emissões totais de gases de efeito estufa em pelo menos 50% até 2050”, afirmou, com a descarbonização total até 2100.
Os motores de combustão passaram por mais de 100 anos de refinamentos e são muito bons na conversão de combustível em energia mecânica. “[Mas] quando você está a 40, 45, 50% de eficiência (térmica), você chega a um ponto em que não pode tornar o motor significativamente mais eficiente”, disse Kristian Holmefjord, vice-presidente executivo e diretor de projeto – células de combustível da Corvus Energy.
A resolução de 2018 da IMO também implementou um Energy Efficiency Design Index (EEDI), que requer um nível mínimo de eficiência energética por milha de capacidade para novos navios, e que, segundo Pollicardo, é essencial que a indústria de iates apresente fatos e números relevantes para os iates privados, para ajudar a adaptar estas regulamentações. Por exemplo, os navios têm rotas regulares e velocidade e comportamento previsíveis, enquanto o SYBAss calculou que os iates operam uma média de 400 a 500 horas por ano. Isto significa que as soluções concebidas para a indústria naval não se traduzirão necessariamente em iates, e vice-versa. Além disso, “não há comparação entre o modelo econômico dos iates e a indústria naval”, contou Laurent Perignon, que assessora a Energy Observer Developments (EODev), uma empresa de P&D que trabalha para acelerar a transição energética.
Há também a questão da imagem pública. Quem quer ser visto como indiferente a um problema ambiental global? Os proprietários de iates não querem. Lennart Pundt, chefe de desenvolvimento de projetos da Lürssen, vê um paralelo entre novos designs que colocam o estilo de vida próximo à água e uma “maior conscientização e cuidado com a responsabilidade ambiental. A mentalidade está mudando”, disse ele.
Quais são as opções atuais?
Ainda não chegou a hora de abandonar o motor de combustão. Ele desempenhará um papel por até 50 anos, disse Homelfjord, mas uma transição está acontecendo com muitos dando uma olhada nos combustíveis reemergentes (por exemplo, hidrogênio, amônia ou diesel sintético) e nas novas soluções de conversão de energia. Uma linha comum é a eletrificação por meio de tecnologias de células de combustível e baterias.
Híbrido
“Existem atualmente mais de 500 navios híbridos ou puramente elétricos de todos os tipos, em serviço ou em construção. O que é verdadeiramente impressionante sobre este número é o fato de que ele cresceu de praticamente zero em apenas cinco anos”, revelou Richter da DNV.
Se o híbrido é atualmente uma solução “verde”, é um assunto muito debatido e é quase impossível quantificar a economia de combustível (e emissões), porque os iates têm perfis operacionais tão diferentes. “Não temos números para mostrar que os sistemas híbridos diesel-elétricos são melhores ou piores em termos de eficiência de combustível”, disse Richter, “mas eles têm uma série de vantagens em relação aos motores convencionais” – redução de ruído e maior conforto.
A melhor maneira de fazer isso seria equipar dois iates idênticos com sistemas de propulsão híbridos e convencionais, acessar seus dados e comparar seu consumo de combustível ao longo do tempo. A Tankoa se aproxima deste cenário, tendo equipado sua plataforma de 50 metros de alumínio com sistemas convencionais e híbridos.
O estaleiro trabalhou com o E-Motion no sistema híbrido paralelo, instalado no Bintador de 50 metros, vencedor do prêmio no World Superyacht Award. A instalação combina dois motores diesel (com potência nominal máxima de 895kW), geradores e motores elétricos.
A boa gestão é fundamental, mas o diretor técnico do estaleiro, Andrea Parodi, disse que na faixa de 15 a 17 nós e usando a opção de alternador de eixo (motores diesel ligados, geradores desligados e motores elétricos produzindo eletricidade), é realista esperar uma economia de 15 a 20% no consumo de combustível e ampliar a faixa de 4.000 a 4.400 milhas náuticas. Esta plataforma, segundo ele, é bem adequada para híbridos porque “o casco é muito eficiente em condições de baixa velocidade, de sete a 11 nós, e não precisa de muita energia para começar a se mover”. São necessários dois pequenos geradores (500kW) e motores elétricos para movimentar o iate até 11 nós e manter todas as luzes acesas. Um iate híbrido em construção na Tankoa também terá um modo de emissão zero.
Com a introdução de melhorias, tais como geradores de velocidade variável e baterias de energia densa, a gama de aplicações potenciais cresceu significativamente desde 2006, quando o fundador do E-Motion, Michele Maggi, trabalhou com o Ferretti no primeiro sistema híbrido a ser instalado em um iate a motor (um Mochi Craft de 23 metros).
Maggi vê aplicações perfeitas em tudo, desde iates aplainadores de 30 metros até pescadores esportivos, que podem carregar baterias enquanto se dirigem a seus pesqueiros, e então se mover por horas com energia elétrica, com economia de até 30% em combustível e emissões. Devido ao rápido progresso das baterias, ele só vai melhorar. A E-Motion trabalha atualmente com estaleiros navais nos EUA e na Itália, incluindo a Azimut-Benetti, para quem está desenvolvendo soluções híbridas para vários modelos nas linhas semi-personalizadas da construtora.
No segmento de superiates, a Benetti já implementou soluções híbridas de sistemas relativamente simples (uma entrada elétrica adicional em uma linha de eixo, por exemplo), até sistemas diesel-elétricos com propulsão Azipod – o Luminosity de 107,6 metros, por exemplo. O gigante banco de baterias do iate de 3.000kW pode alimentar a carga do hotel por 12 horas.
A maioria, se não todos, dos construtores de superiates já entregaram ou estão trabalhando em projetos híbridos. Ao mesmo tempo, mais empresas estão desenvolvendo sistemas híbridos, incluindo a Rolls-Royce, que já oferece soluções personalizadas e está trabalhando no lançamento, em 2022, de um sistema turnkey adequado para iates a partir de 30 metros. A vizinha da MTU, ZF, que é conhecida no mundo dos iates por suas transmissões, está trabalhando em uma solução de tomada de força (PTI), que permite que permite conectar um motor elétrico auxiliar.
Diesel-elétrico
A ABB Marine & Ports, que já equipou vários superiates movidos por Azipod, incluindo o Luminosity e o Nobiskrug Artefact de 80 metros, fechou recentemente um acordo com a Ballard Power Systems, para acelerar o desenvolvimento de soluções baseadas em células de combustível para a indústria marítima.
No momento, a empresa postula que a propulsão acionada eletricamente (Azipods) é o melhor caminho a seguir, já que os motores a diesel em iates raramente operam em seu desempenho máximo, especialmente em manobras lentas. “Os motores de um superiate são normalmente classificados para uma velocidade máxima da embarcação de, digamos, 18 nós, mas o iate pode, durante uma parte significativa de sua vida útil, ficar ocioso em velocidades entre nove e 12 nós”, disse Riccardo Repetto, gerente do segmento global de iates da ABB Marine & Ports. “Além de reduzir a eficiência do combustível, operar com cargas menores aumenta as emissões de escape, gera partículas e fuligem, e encurta os intervalos de manutenção do motor”. Ele acrescenta que a propulsão elétrica é muito mais eficiente e uma solução como os Azipods elétricos “aumenta ainda mais a eficiência do combustível por meio do impulso elétrico e sem engrenagens, assim como pela redução da resistência do casco do navio”.
Outros benefícios incluem conforto na âncora e em andamento, e flexibilidade no design em iates de grande porte. “A planta de energia elétrica e propulsão, em suas muitas formas, formam a plataforma no desenvolvimento rumo à emissão zero”, disse Thomas Hackman, gerente de desenvolvimento de mercado para iates da ABB.
Novamente, os números não estão prontamente disponíveis devido ao perfil operacional individual de cada iate, mas um sistema diesel-elétrico, como o instalado no Artefact, oferece grande flexibilidade e a capacidade de ajustar as necessidades de energia. O Artefact pode atravessar o Atlântico com apenas um motor a diesel, basta um gerador para alimentar a casa e os pods de propulsão em velocidade de cruzeiro, que pode também cobrir curtas distâncias apenas com baterias, o que soma menor consumo de combustível e emissões reduzidas.
Após alguns meses de funcionamento do iate em várias condições, incluindo uma travessia transatlântica, o capitão do Artefact, Aaron Clark, estimou que a economia de combustível a diesel seria de 20 a 30%, dependendo do modo operacional. No futuro, elementos do sistema de propulsão híbrido do Artefact podem ser alterados para soluções mais novas, incluindo células de combustível.
Ivo Veldhuis, co-fundador da consultoria de superiates Mayfair Marine, também diz que o diesel-elétrico é um grande passo à frente. “Você tem a oportunidade de mudar a maneira de gerar energia – baterias e motores – e pode decidir operar esses motores a diesel, gás natural líquido [GNL] ou mesmo amônia para reduzir o impacto ambiental e as emissões”.
Isto não cuida de todas as emissões de CO2, e o GNL é considerado apenas uma solução intermediária por ser um combustível fóssil, mas tais sistemas podem ser construídos (como foi no Artefact) para eventuais atualizações das células de combustível que utilizam metanol ou hidrogênio líquido quando isso se tornar mais viável. “O elemento chave é a planta de propulsão elétrica”, afirmou Veldhuis.
Um futuro sem fósseis?
Este objetivo inevitável está levando muitos a explorar todas as soluções, inclusive o hidrogênio. Em 2019, a Sinot Yacht Architecture & Design e a Lateral Naval Architects fizeram um grande esforço com um conceito apresentado no Monaco Yacht Show, de 112 metros, chamado Aqua, que integrou um sistema de 28 toneladas de capacidade de hidrogênio líquido alimentando células combustíveis PEM (membrana eletrolítica de polímero). Este conceito, assim como projetos piloto como o Energy Observer, um catamarã auto-suficiente em energia com emissão zero que usa hidrogênio, vento e energia solar como suas únicas fontes de energia para percorrer o mundo, ajudaram a reavivar a discussão sobre hidrogênio.
O hidrogênio tem muitas virtudes: é a molécula mais amplamente disponível no mundo; é livre de carbono, denso em energia e seu único subproduto é a água. Parece um sonho? Talvez.
“O hidrogênio tem o hábito de fazer falsas partidas. Todo mundo pensa que isso vai acontecer. E então não acontece”, disse Veldhuis, que escreveu sua tese de doutorado sobre a aplicação do hidrogênio em sistemas marítimos e ajudou a criar o grupo de trabalho marítimo Hydrogen Europe.
Um dos problemas com o hidrogênio é o armazenamento. Na forma de gás, ele é muito volumoso e tende a assustar as pessoas com base na segurança, e na forma líquida ele precisa ser mantido a temperaturas muito baixas e requer aproximadamente quatro vezes o espaço do diesel. Isso não impede os construtores de superiates (e sociedades classificadoras) de investigar as opções.
O uso de hidrogênio requer modificações extensas do iate, segundo Bram Jongepier, especialista sênior da De Voogt Naval Architects da Feadship, acrescentando: “Nós sabemos – estamos construindo um”. No entanto, ele descreve esta solução de emissão zero como a melhor para “o purista” e diz que “uma faixa parcial de hidrogênio é uma solução inteligente”.
Um dos primeiros a adotar os combustíveis sintéticos, a Feadship os considera (especificamente o HVO) “mais adequados para retroajuste” com poucas modificações e uma redução substancial nas emissões. Jongepier diz que a disponibilidade e o preço do metanol lhe dá a vantagem e pode empurrá-lo para “uma posição dominante”. Apesar das deficiências das soluções existentes, é possível construir agora um iate livre de fósseis, “se o proprietário realmente o quiser”.
E os proprietários realmente o querem. A Lürssen já anunciou que recebeu sua primeira encomenda de um iate com tecnologia de célula de combustível. A empresa estava trabalhando neste desenvolvimento como parte de um consórcio de construtores alemães. “Nos sentimos confortáveis para colocar esta tecnologia a bordo”, disse Björn Berndt, que faz parte da equipe de desenvolvimento do projeto. No entanto, a Lürssen está analisando os portadores de energia mais amplamente disponíveis, como o metanol verde ou amônia.
“Com hidrogênio, você realmente tem um problema de alcance”, afirmou Pundt. “O manuseio é complicado e a necessidade de espaço está em áreas da embarcação onde você normalmente tem armazenagem seca, freezers, lavanderia e é um espaço bastante valioso”. E então “você perde o maior benefício que tem para um iate, que você é independente, que pode viajar para onde quiser, para os lugares mais remotos e bonitos onde não há cadeia de abastecimento de hidrogênio”.
Embora tenha suas limitações, o metanol é mais fácil de manusear e tem maior densidade energética do que o hidrogênio, por isso a Lürssen construiu uma bancada de testes para provar seus sistemas de célula combustível de metanol e sistemas auxiliares sob condições realistas. O recente anúncio de vendas encurtará o prazo para a primeira aplicação, que Pundt havia dito que seria dentro de cinco a 10 anos.
O metanol é livre de enxofre e tem emissões globais baixas, embora, nesse aspecto, não seja o cenário dos sonhos que o hidrogênio verde representa – nenhuma emissão além da água.
As velas
“O primeiro iate sem fósseis deveria ser um iate à vela”, disse o arquiteto naval Philippe Briand, assim como o primeiro superiate híbrido foi um iate à vela- o Ethereal de 58 metros da Royal Huisman, entregue em 2008. O estúdio de Briand lançou recentemente um conceito para um veleiro de 63 metros de comprimento, 490 toneladas brutas de fósseis com uma forma de casco eficiente, 20 toneladas de baterias e turbinas subaquáticas para gerar 500kW a 20 nós.
Seja a vela ou a energia, Briand acredita que o hidrogênio pode desempenhar um papel coadjuvante no iatismo e tem uma solução pronta para que o Vitruvius Exuma de 50 metros gere hidrogênio a bordo. “Fizemos um estudo e ele é completamente viável, particularmente para este iate que tem uma garagem generosamente dimensionada”, disse ele. “É uma solução maravilhosa. Embora não prometemos gerar energia suficiente para a propulsão, ela seria suficiente para a carga do hotel”.
O laboratório Energy Observer combina o hidrogênio gerado a bordo, com energia solar e eólica para suprir todas as suas necessidades de energia. Para aproveitar a energia eólica, ele muda de turbinas eólicas para hélices eólicas, conhecidas como asas. Estes também chamaram a atenção dos desenvolvedores do conceito Merveille, um superiate que combina energias renováveis (como o sol e o vento), com pequenos motores de combustão. As soluções, diz o CEO da Merveille Yachting Nicolas Cantenot, são “simples, confiáveis e realizáveis”. As asas podem ser vistas como motores que funcionam com o vento, duas vezes mais eficientes que as velas normais, o que permite reduzir o tamanho dos motores de combustão a bordo.
“Mesmo em um iate à vela, você precisa de um motor diesel”, disse Perignon da EODev. “A melhor opção agora é a combinação de soluções, e engenharia, para que você possa se adaptar às tecnologias de aceleração que estão surgindo”.
Pode não haver consenso sobre como atingir o objetivo de um iate livre de fósseis no futuro, mas a eletrificação é a chave para um estilo de vida melhor a bordo e abre as portas para tecnologias como células de combustível. Quilowatts, ao que parece, serão os novos nós.
