A preocupação mundial com a preservação do meio ambiente tem direcionado o uso mais racional e eficiente de energia, dando origem a sistemas de energia híbridos, onde mais de uma fonte de energia está envolvida geralmente com a presença de elementos de armazenamento de energia, como baterias, supercapacitores e flywheels. Desde 2008, a propulsão híbrida em navios é um campo de pesquisa que evolui ativamente. Este trabalho apresenta a identificação de perigos realizado no contexto de um projeto para produzir uma versão híbrida, baseada em baterias de Ion-Litio, de um modelo comercial de Plataform Supply Vessel (PSV). A BRG apresentará as soluções encontradas para a gestão de perigos desta inovação da indústria de O&G. http://congressoabrisco2017.com.br/

1. 1
Identificação preliminar de perigos em
sistema híbrido de energia para navios
Tito Livio Medeiros Cardoso – Berkeley Research Group (BRG)
Marcelo Ramos Martins – LabRisco, Universidade de São Paulo (USP)
Adriana Miralles Schleder – LabRisco, Universidade de São Paulo (USP)

2. Context
• O consumo de combustível pode
representar 40% a 60% do custo
operacional anual [2].
• Cerca de 20% a 30% do ciclo
operacional dos navios é realizado
sob carga reduzida [3], condição em
que os motores diesel e as turbinas
operam em condições menos
eficientes com maior consumo
específico [4].
• Em algumas classes de navios, a potência requerida pelos sistemas embarcados
aumenta a cada ano, competindo significativamente com a demanda de energia por
propulsão [3].
Consumo nas operações marítimas

3. Context
• Estima-se que 15% das emissões globais de NOx e 5-8% de SOx possam ser atribuídas ao
transporte marítimo.
• Estima-se que o modal acrescenta 1,2-1,6 toneladas / ano de material particulado com
diâmetro < 10 mm
• Essas emissões de partículas podem contribuir com 60.000 mortes / ano em todo o mundo [5].
Contribuição média anual do transporte para o diâmetro do material particulado < 2.5 mm concentrações (em µg/m3 ) [5]
Emissões nas operações marítimas

4. ContextSistemas híbridos de propulsão para navios
Sistemas híbridos:
• Combinam fontes de energia termelétricas e elétricas
• Incluem elementos de armazenamento de energia
• Gestão integrada de fontes de energia, armazenamento e consumo de energia
para sistemas de propulsão e serviços do navio [1]

5. Platform Supply Vessel (PSV)
Versão híbrida de um PSV comercial de 87
m de comprimento adequado para o
Retrofit.
Navio dedicado ao transporte de vários
tipos de materiais e equipes operacionais
para plataformas offshore, equipado com
um grande deck aberto na popa, guindaste
e tanques de armazenamento localizados
abaixo do convés e na proa, abaixo da torre
de controle.
Platform Supply Vessel (PSV)

6. Basic assumptions
Classificação do navio:
• Navio de apoio offshore
• Sistema de Posicionamento Dinâmico Classe 2 (DPS 2)
• Combate a Incêndio +FFV Classe 1
Características:
• Comprimento: 87.075 m
• Peso (DWT): 5.000 t
• Velocidade de serviço: 14.30 nós
• Alojamento: 47 + 1 p (18 tripulantes)
Máquinas:
• Geradores diesel principais (DE): 4 x 2.000 kW
• Gerador de emergência: 1 x 350 kW
Cargas:
• Carga de propulsão na velocidade de serviço: 2.000 kW
• Carga de posicionamento dinâmico médio: 1.350 kW
• Carga máxima de serviço (hotel load): 750 kW
Platform Supply Vessel (PSV)
Capacidade de carga nominal:
• Capacidade do convés: 2.440 t
• Área do convés: 1.000 m2
• Água: 660 m3
• Drill Water: 1,723.49 m3
• Combustível: 958,88 m3
• Metanol: 430 m3
• Lama: 1,983.80 m3
• Granel seco (cimento, etc.): 400 m3

7. Sistema modular de Armazenamento de Energia
Engine room
Upper level
Engine room
Lower level
Battery Pack
room
Switch room
2 x 2000 kW
Azimuthing
Thrusters
Potable Water
Fresh Water
Fuel Oil
Dry Bulk
800 kW
Retractable Bow
Thruster
910 kW Bow
Thruster
PSV 87m Seção transversal (adaptado de [6])
Platform Supply Vessel (PSV)

8. Block diagramSistema híbrido de propulsão
Exemplo do banco de baterias com módulos de célula conectados em série
• Tipo de bateria: Li-Ion High-Power
Medium Energy
• Potência / Energia: 3.440 kW /
1.040 kWh
• 94 células de 250 Ah
• Peso estimado: 14,1 t (0,28% DWT)
• Volume estimado: 10 m3
• Sistema de ventilação dedicado
para a sala de baterias

9. Objective
Identificar, preliminarmente, os perigos
envolvidos na aplicação do sistema de
armazenamento de energia proposto para
o navio de apoio offshore e definir
respostas adequadas para seu controle.
Esta informação será utilizada no
desenvolvimento do projeto de
engenharia da embarcação híbrida e
servirá também de entrada para análises
de riscos mais detalhadas.
Objetivo do trabalho

10. Structured what-if methodologyRevisão bibliográfica e seleção da metodologia de
identificação

11. Structured what-if methodologyTrabalho realizado
Revisão bibliográfica
Definição do caso de estudo e seleção do método
Desenvolvimento das questões “What-If”
Definição da equipe de especialistas
Workshop de identificação de perigos
Análise e elaboração do relatório técnico
Revisão do processo e conclusão

12. Experts and hazard identification session
Discipline Specific knowledge
Engenharia elétrica
• Projeto de sistemas de média
e alta potência
• Manutenção de sistemas de
média e alta potência
• Gerador diesel-elétrico
• Aplicação de baterias em
sistemas de média e alta
potência
Engenharia química
• Fabricação e operação segura
de baterias
Engenharia de
sistemas e/ou
instrumentação,
automação e controle
• Projeto de sistemas de gestão
de energia
• Instrumentação e controle de
bancos de bateria e
geradores
Engenharia de
confiabilidade e riscos
• Análise de falha em sistemas
supervisórios
• Análise de falhas em sistemas
de potência
Engenharia Naval
• Projeto de navios com
posicionamento dinâmico
• Operação de PSV e/ou
operação de navios com
posicionamento dinâmico
Engenharia de
segurança
• Normas de segurança
internacionais relacionadas a
redes locais de potêncial
• Utilização segura de baterias
Especialistas que participam na Identificação de Perigos, da esquerda para a direita,
em pé: Volkmar Ett, Cássio Lopes, Sara Zaed, José Luiz Malafaia and Marcelo
Martins; abaixados: Paulo Yara, Maurício Salles and Bruno Carmo.
What-If

13. Structured what-if methodology
“What if...” (cenário) ?
Resposta: eventos e consequências
potencialmente perigosos
Possíveis causas e sua frequência?
Controles existentes/previstos?
Recomendações de controles
What-If
As perguntas foram respondidas pelos
especialistas, considerando as
consequências possíveis em três diferentes
condições do ciclo operacional / status das
baterias aplicáveis ao caso do PSV:
• Manobra no porto : modo alimentado
somente por baterias
• Viagem nos primeiros/últimos 10 km
de/para o porto: modo alimentado
somente por baterias
• Operação PD durante a transferência
de carga para/da plataforma offshore:
baterias em recarga

14. Experts and hazard identification sessionWhat-If

15. Structured what-if methodologyWhat-If
Perguntas “What-If”
Demanda de energia acima do disponível nas baterias
Demanda de potência abaixo da disponível nas baterias
Elevação repentina de amperagem no barramento
Elevação repentina da tensão no barramento
Bateria operando acima de 80% State-of-charge (SoC)
Bateria operando abaixo de 20% State-of-charge (SoC)
Tensão da bateria superior à faixa nominal
Tensão da bateria inferior à faixa nominal
Falha na informação de tensão
Falha na informação da temperatura da bateria
Curto-circuito da bateria
Geração de calor durante o fornecimento / descarga de energia da bateria
Incêndio no local do banco de baterias
Incêndio em áreas vizinhas às baterias
Falha contínua ou aleatória no sistema de gerenciamento de energia
Relâmpago interferindo com o grid do navio
Contato físico das baterias com a carga transportada: água
Contato físico das baterias com a carga transportada: metanol
Contato físico das baterias com a carga transportada: combustível
Contato físico das baterias com a carga transportada: granéis sólidos
Metade das identificações apresentaram alto
nível de impacto associado a causas com baixa
probabilidade de ocorrência

16. Resultados
Adequada seleção da química das baterias Ion-Li
A química baseada em lítio-ferro-fosfato (LiFePO4) fornece um material de catodo com
elevada segurança, onde temperaturas até 270 °C podem ser alcançadas antes do início dos
eventos de thermal runaway. A redução de perigos é compensada com uma densidade de
energia ligeiramente menor comparando com valores mais altos de outras químicas de
baterias.

17. Resultados
Adoção de sistema confiável de refrigeração das baterias
Para evitar as principais consequências do superaquecimento do banco de baterias, este
estudo inclui uma recomendação específica para a adoção de um sistema de resfriamento:
• Baseado em água, com alguns aditivos para evitar a corrosão
• Circuito fechado para evitar o contato direto com água salgada ou outros fluídos
transportados pelo navio.
• Bomba para circulação de água
• Sensor de pressão no sistema de refrigeração, como medida redundante ao sensor de
nível.
• O dimensionamento deste sistema de resfriamento é crítico e deve ser objeto de estudo
detalhado.
• Exterior do banco de baterias deve ser totalmente blindado, prevenindo consequências em
caso de inundação na sala das baterias.
De acordo com os especialistas, sistemas de refrigeração similares ao descrito são aprovados
para uso em aviões.

18. Resultados
Teste de condição das baterias e BMS
Testes automáticos em tempo real avaliando a tensão de saída, corrente e temperatura e as
respostas do sistema de controle para prevenir desvios das faixas nominais.
• Garantir a funcionalidade dos sensores de temperatura do BMS: posicionamento,
especificação e redundância.
Elementos funcionais de um sistema de teste do Sistema de Gerenciamento das Baterias

19. Resultados
Sistema de ventilação
• Sala de baterias fechada com sistema de ventilação dedicado.
• Sensores de detecção de gás na sala de baterias, apropriados para as emissões do
eletrólito para a química selecionada para as baterias.
• Projeto do sistema de ventilação e do sistema de refrigeração das baterias, considerando
a possibilidade de usar a própria energia da bateria, se disponível, para manter a
ventilação em caso de falha dos geradores principais e emergência, por exemplo em caso
de explosão na sala dos geradores.
Sistema de combate a incêndio
• A supressão tradicional à base de água pode não ser o método mais eficaz para a
supressão de incêndios envolvendo baterias de íon de lítio. Uma série de outras
abordagens de supressão, como o “smothering”, aplicação de espuma, sistemas de névoa
de água, etc. podem ser explorados. Recomenda-se a condução de testes usando
pequenos arranjos de células para avaliar a eficácia dos supressores na prevenção da
propagação de thermal runaway. Um teste em plena escala seria usado para validar as
abordagens mais promissoras [14].
Arranjo
• Localização das baterias separada da sala dos geradores principais.
• Localização do gerador de emergência separado dos geradores principais e das baterias.

20. Resultados
Componentes do sistema elétrico
• Proteção redundante entre barramento e baterias.
• O disjuntor em AC deve ser especificado para desarmar em milissegundos. Os relés
digitais devem ser parametrizados para esta curva de resposta rápida.
• Adotar outro disjuntor DC como uma segunda proteção.
• Capacidade de reconfiguração do sistema para retomar a operação normal com
duas fases, caso ocorra a falha de uma das fases do gerador durante a demanda de
cargas.
• Inversores para cada string em módulos paralelos do banco de baterias.
Análises detalhadas e procedimentos
• Análise de condições extremas, simulação e bancada de teste, verificando as
situações de transiente máximo e garantir que os sensores sejam especificados com
uma margem de segurança para as flutuações e transientes identificados.
• Análise Quantitativa de Riscos do cenário de vazamento do tanque de metanol.
• Análise dos efeitos de relâmpago no grid durante as operações do navio híbrido.
• Elaboração de guia de projeto e operação do PSV híbrido, abordando o nível
recomendado de carga máximo e mínimo das baterias, sistema de refrigeração de
segurança, entre outros.

21. Conclusão
A análise produziu uma saída de recomendações com foco na seleção de química
de baterias, procedimentos para testes das baterias e do sistema de
gerenciamento das baterias (BMS), especificação do sistema de refrigeração do
banco de baterias e especificações de sensores e disjuntores.
O trabalho apresenta um caso de uso de método conhecido e relativamente
simples para identificação de perigos aplicado em uma tecnologia complexa com
pouco histórico de aplicação na indústria, demonstrando como essa análise pode
produzir resultados importantes e inovadores, como, por exemplo, a adoção de um
sistema para testes on-line de condição do sistema de gerenciamento das
baterias, produzindo uma solução eficiente para gerenciar os perigos identificados

22. Agradecimentos

23. 23
FIM
tcardoso@thinkbrg.com