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VICUS DESARROLLOS TECNOLÓGICOS S.L. VIGO
1 www.vicusdt.com 1
MODELO GLOBAL APLICADO A DIFERENTES TIPOS DE BUQUES
TEFLES is funded by the European Union within FP7-THEME 7 - Transport (including aeronautics)
Grant Agreement Number: 266126
2 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 2
INTRODUCCIÓN - Buques a analizar - Aproximación tradicional vs optimizada - Puntos de vista: armador, suministrador, astillero - Ejemplos - Tipo de buque y misión: CTV, RORO, Offshore - Perfil operacional - Escenario. - Aproximación optimizada - Metodología: resistencia, seakeeping, propulsion, maquinaria - Cómo se conecta? - Configuraciones - Resultados - Que más podemos hacer?
INTRODUCCIÓN
DEFINE
METODOLOGÍA
RESULTADOS
3 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 3
BUQUES ANALIZADOS: Ro-Ro
ROLL ON – ROLL OFF
4 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 4
BUQUES ANALIZADOS: Offshore
5 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 5
BUQUES ANALIZADOS: CTV
CREW TRANSFER VESSEL
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INTRODUCCIÓN Locura: hacer lo mismo una y otra vez esperando resultados diferentes.
Albert Einstein
RETOS DIFERENTES DEBEN SER RESUELTOS DE MANERA DIFERENTE
-Nuevas tecnologías cambiando muy rapidamente -Huella de carbono -Cambio de escenarios operacionales -Nuevas demandas de mercado -Nueva reglamentación -Precio de la energía -COMPETENCIA
7 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 7
ASTILLERO - DISEÑADOR El astillero busca la forma más económica de construir el buque. Los principales objetivos son precio y plazo -Rápido -Dentro del presupuesto -Sin problemas que puedan afectar a costes o plazos -Solo importa lo que está en la especificación y firmado -No lo van a operar ni pagar las facturas PREGUNTAS - ¿Se investiga como han desempeñado sus funciones los diseños anteriores? - ¿Conoce el astillero cómo responde un diseño determinado en ciertos escenarios? - ¿Cómo está el astillero posicionado en un mercado cambiante y altamente competitivo? - ¿Puede el astillero ofrecer algo nuevo en términos de rendimiento/desempeño en servicio? - ¿Buque hecho a medida? - BIG PLAYERS & NEW PLAYERS
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ARMADOR
Quiere un buque eficiente para un propósito específico. Durante la fase de diseño solo especifica determinadas condiciones. -Lo quiere rápido -Lo quiere dentro del presupuesto -Influenciado por proyectos similares de sus competidores -La especificación del buque es un documento contractual con muchos detalles pero en el que no se contemplan aspectos importantes. - La configuración técnica está muy afectada por lo que es conocido y lo que los proveedores suministran. PREGUNTAS - ¿Investiga el armador cómo desempeña realmente su buque? - ¿Conoce el armador cómo responde un diseño determinado en ciertos escenarios? - ¿Es buena idea pedir al astillero un análisis de rendimiento y garantías? - ¿Pero puede el armador predecir los escenarios futuros? - ¿Debo tener en cuenta alternativas tecnológicas actuales y futuras? ¿Cuántas?
9 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 9
FLETADOR Quiere una buena eficiencia de transporte y buena disponibilidad. Esto implica alcanzar las prestaciones y capacidad al mínimo coste. - Pide múltiples detalles antes de fletar, “Quiere conocer” - Interesado en más de un escenario. - La relación armador-fletador bloquea ciertas inversiones - Podría querer un buque más “verde” o eficiente si se lo demandasen sus clientes.
EL ARMADOR NECESITA INFORMACIÓN PARA PODER VENDER SUS SERVICIOS EN UN MERCADO COMPETITIVO
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INTERESES COMUNES
Adecuado para el servicio
Coste de construcción razonable
Optimizado en términos de consumo y emisiones
Fletador / armador
Astillero
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APROXIMACIÓN Tradicionalmente los buques se diseñan para una condición y una velocidad. En la fase de diseño los sistemas de propulsión se dimensionan para esa condición. Peor rendimiento en las otras condic. (peor BSFC, más mantenimiento, etc) La hidrodinámica del buque está también influenciada por esta condición de operación independientemente de las verdaderas condiciones operativas y de carga del buque en su vida operativa. La propulsión se ve afectada por la misma problemática. La demanda de potencia se incrementa en las demás condiciones
Surge limit
Torque limit
Engine speed limit
BSFC reduction
Engine speed [rpm] Po
wer
[kW
]
BSFC
[g/k
Wh]
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APPROACH
TECNOLOGÍAS ESCENARIOS
COSTES: -Combustible, tripulación, mantenimiento -Inversión
RENDIMIENTO: -Que esperar -Puntos operación maquinaria -Márgenes -Uso de capacidades disponibles Toma la decisión
correcta
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BUQUE 1: RO -RO
• RoRo Características principales
• Lpp: 128 m
• B: 22.65 m
• Calado de diseño: 7.07 m
• Velocidad de diseño: 20.4 kn
• Potencia instalada: 14480 bkW @ 500 rpm
• Propulsor: CPP con generador de cola
• Auxiliares: 2 x 750 kWe @ 1500 rpm
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Ruta
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Packs CPP
1. Medidas operacionales • Reducción de velocidad • Ajuste de la inyección • Optimización de trimado • Mando combinado
2. Reducción de emisiones a través de mejoras hidrodinámicas y propulsivas • Timón adaptado a la estela • Bulbo de proa • Pinturas
3. Alto impacto pero alto coste (I) • After treatment • Cold ironing
4. Mayor impacto y mayor coste (II) • Mando combinado • Baterías para hibridación • Cold ironing • After treatment • Sistema de refrigeración
5. LNG (Planta principal y auxiliares)
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Marcha libre y Maniobra
Fuel Consumption [t]
CO2 total [t]
SOx total [t]
PM total [Kg]
NOx total [Kg]
Caso Base 195 607 9.75 257 14.8
Operac. 176 548 8.8 233 13.2
Hidro. 177 550 8.8 227 13.3
Alto imp. 196 611 0.362 27 1.58
Max. imp. 174 540 0.26 23 1.3
LNG 139 433 0.0 0 1.41
17 www.vicusdt.com
Consumo en marcha libre y maniobra
195,2
176,2 176,8
196,3
173,7
139,2
Fuel Consumption (T)
Fuel Consumption Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
18 www.vicusdt.com
Emisiones en marcha libre y maniobra
607.001,0 547.930,2 549.745,9
610.605,6 540366,9
433087,9
CO2 total (Kg)
CO2 Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
14.844,3 13.266,4 13.342,5
1.585,5 1.307,0 1.415,1
NOx total (Kg)
NOx Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
9.758,1 8.808,5 8837,7
362,0 260,6 0,0
SOx total (Kg)
SOx Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
251,6 232,6 227,3
26,89 23,0 0,0
PM total (Kg)
PM
Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
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Puerto
Fuel Consumption [T]
CO2 total [Kg]
SOx total [Kg]
PM total [Kg]
NOx total [Kg]
Caso Base 3.80 12092 7.7 191.0
Operac. 3.80 12092 7.7 191.0
Hidro. 3.80 12092 7.7 191.0
Alto imp. - 3382 4.1 5.8
Max. imp. - 2798 3.4 4.8
LNG 2.85 9069 0.00 19.10
20 www.vicusdt.com
Consumo en puerto
3,8 3,8 3,8
2,85
Fuel Consumption (T)
Fuel consumption Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
21 www.vicusdt.com
Emisiones en puerto
12.092,9 12.092,9 12.092,9
3.382,6 2798,2
9069,70
CO2 total (Kg)
CO2 Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
191,0 191,0 191,0
5,8 4,8 19,10
NOx total (Kg)
NOx Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
7,7 7,7 7,7
4,1 3,4
0,00
SOx total (Kg)
SOx Base Case Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
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BUQUE 2: Offshore
• Lpp= 55m • B= 13.7m • D= 4.9 m Comparativa CPP vs DE en varios escenarios
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Escenarios simplificados
A B C D
20% 12 35% 13 30% 12 25% 13
40% 8 40% 4 50% 5 25% 12
40% 5 20% 3 20% 4 25% 11
20% 0 5% 0 0% 0 25% 10
Campaña: 1 mes
24 www.vicusdt.com
Resultados
176,2
163,6
156
158
160
162
164
166
168
170
172
174
176
178
Fuel Consumption (T)
CPP Diesel Electric
214,4
205,6
200
202
204
206
208
210
212
214
216
Fuel Consumption (T)
CPP Diesel Electric
175
165
160
162
164
166
168
170
172
174
176
Fuel Consumption (T)
CPP Diesel Electric
291,5
297,6
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
Fuel Consumption (T)
CPP Diesel Electric
A B C D
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BUQUE 3: CREW TRANSFER VESSEL Tipo de buque y misión: Buque de apoyo a parques eólicos offshore.
Caract. Principales: Loa= 21m B=7.5 m D=2.8m
Propulsion 2x735 kW @ 2100 rpm 2x FP propeller 2x Aux. Gensets 11kW
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PERFIL OPERACIONAL Perfil:
Time Gap [min] v [kn] % time
7:00 Leaving the port 5 10 0.7% Trip to windfarm 55 20 7.4%
8:00 Arrival at the windfarm 28 10 3.7% Positioning windmill 1 2 5 0.3%
8:30 Transfering to windmill 1 20 0 2.7% Sailing from windmill 1 to windmill 2 8 10 1.1%
9:00 Positioning windmill 2 2 5 0.3% Transfering to windmill 2 20 0 2.7% Sailing from windmill 2 to windmill 3 8 10 1.1%
9:30 Positioning windmill 3 2 5 0.3% Transfering to windmill 3 20 0 2.7% Sailing from windmill 3 to windmill 4 8 10 1.1%
10:00 Positioning windmill 4 2 5 0.3% Transfering to windmill 4 43 0 5.7%
10:45 Stopped 300 0 40.1% 15:45 Engine Start 15 0 2.0% 16:00 Positioning windmill 4 2 5 0.3%
Transfering from windmill 4 50 0 6.7% Sailing from windmill 4 to windmill 3 8 10 1.1%
17:00 Positioning windmill 3 2 5 0.3% Transfering from windmill 3 20 0 2.7% Sailing from windmill 3 to windmill 2 8 10 1.1%
17:30 Positioning windmill 2 2 5 0.3% Transfering from windmill 2 20 0 2.7% Sailing from windmill 2 to windmill 1 8 10 1.1%
18:00 Positioning windmill 1 2 5 0.3% Transfering from windmill 1 20 0 2.7% Sailing in the windfarm 8 10 1.1%
18:30 Return trip 55 20 7.4% Entering the port 5 10 0.7%
100.0% total [min] 748.00 total [h] 12.47
time % Average speed
[kn] amidships draught
[m] Power [kW]
Energy [kWh]
Leaving the port 0.67% 10 1.62 175 15 Trip to windfarm 7.35% 20 1.62 1401 1284 Arrival to windfarm 3.74% 10 1.62 175 81 Sailing in the windfarm 3.21% 10 1.62 175 70 Positioning 1.07% 5 1.62 22 3 Transfer to windmill 13.77% 0 1.62 1470 2524 Stopped 40.11% 0 1.62 0 0 Engine start 2.01% 0 1.62 0 0 Positioning 1.07% 5 1.62 20 3 Transfer to ship 14.71% 0 1.62 1470 2695 Sailing in the windfarm 4.28% 10 1.62 157 84 Return trip 7.35% 20 1.54 1260 1155 Entering the port 0.67% 10 1.54 157 13
27 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 27
PERFIL OPERACIONAL Perfil de velocidad:
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Spee
d (k
n)
Time (min)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Tota
l Pow
er (k
W)
Time (min)
Perfil de potencia:
0
5
10
15
20
25
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Spee
d (k
n)
Time (min)
28 www.vicusdt.com
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Power [kW] Energy [kWh]
www.vicusdt.com 28
PERFIL OPERACIONAL
Condiciones de alta energía
29 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 29
METODOLOGÍA Modelo 3D Resistencia del buque Códigos CFD potencial y viscoso
30 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 30
METODOLOGÍA Comportamiento en la mar FEM y CFD Propulsion Diseño y análisis de la hélice con CFD Maquinaria Propulsion y generacion Integración en el simulador para analizar los diferentes perfiles operacionales
31 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 31
COMO SE CONECTA? Modelo Simulink
Salidas adicionales
-Emisiones -Energía -Reparto de carga -Etc
32 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 32
CONFIGURACIONES ESTUDIADAS
CONVENCIONAL Motores diesel acoplados con
reductora
DIESEL-ELECTRICA Grupos DG pequeños
2 motores eléctricos de propulsion
HÍBRIDA Planta convencional con diesel
desembragable y motor eléctrico PTI
Original FPP
FPP diseñado
para 20 kn
CPP
33 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 33
CONFIGURACIONES ESTUDIADAS
Propulsion Estudiadas dos configuraciones de hélices de paso fijo Hélices originales EAR=1.06 D=1.028m P=1.05m Z=5 Hélice modificada para velocidad inferior (Mayor diámetroMenos EAR Mejor rendimiento) Ambos CPP y FPP
34 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 34
CONFIGURACIONES ESTUDIADAS Convencional FPP Auxiliares
Main SWBD
Aux. Eng G
Main engine R.G
Main engine R.G
Aux. Eng G
35 www.vicusdt.com www.vicusdt.com 35
CONFIGURACIONES ESTUDIADAS Diesel-Eléctrica FPP
E.M.
E.M.
Main SWBD
Aux. eng
Aux. eng
Aux. eng
Aux. eng
G
G
G
G
Consumidores auxiliares
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CONFIGURACIONES ESTUDIADAS Híbrida FPP
R.G
BATTERIES
Estrategia híbrida: -Propulsión eléctrica cuando navega dentro del parque (baterías 800Ah). -Opción: Propulsión eléctrica con potencia suministrada por los grupos
E.M Main engine
w/ clutch
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RESULTADOS
1250
1300
1350
1400
1450
1500
Total Consumption (Kg)
Kg
CONSUMO DIARIO
Original FPP FPP for 20 kn CPP Diesel-Electric Hybrid
Comparativa consumo total:
-2%
0%
2%
4%
6%
8%
10%
Savings (%)
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QUÉ MAS PODEMOS HACER?
-Auditoría energética de buques existentes
-Aumenta el número de escenarios analizados
-Incluye el estado de la mar (Montecarlo)
-Aumenta el número de tecnologías
-Diseño para retrofitting
-Investiga más conceptos de casco (SWATH, trimaran, híbridos, etc.)
-Compara cifras de ahorros ofrecidas por los suministradores
-Correcciones por el efecto de las prácticas de los patrones y personal de
máquinas.
39 www.vicusdt.com 39
GRACIAS!
Vicus Desarrollos Tecnológicos S.L. Av. Beiramar 77 1 °
36202 – VIGO – SPAIN
www.vicusdt.com
T: +34 886113547
Adrián Sarasquete
TEFLES is funded by the European Union within FP7-THEME 7 - Transport (including aeronautics)
Grant Agreement Number: 266126
www.tefles.eu