Type 003: Desvendando o enigma do porta-aviões chinês – parte 3

Por Matheus Santiago

Sistema de energia elétrica integrado

O uso de um sistema de energia elétrica integrado (IPES – Integrated Power & Energy Systems) não só economiza os dispositivos mecânicos do sistema de transmissão de energia do navio, assim como otimiza muito o espaço do casco, mas também fornece uma fonte de alimentação suficiente para garantir a catapulta eletromagnética no navio e outros sistemas de alto consumo de energia a bordo.

O IPES é basicamente descrito como um sistema elétrico integrado com uma capacidade de armazenamento de energia em determinados blocos e uma capacidade de controle de geração de energia distribuída com uma melhor eficiência, fornecendo energia de apoio aos sistemas embarcados.

A ejeção eletromagnética é um tigre elétrico em termos de consumo, por isso  a catapulta EMALS é o maior consumidor em um IPES. Portanto, como o porta-aviões chinês Type 003 terá catapulta eletromagnética, ele terá o IPES. Geralmente, acredita-se que apenas porta-aviões com energia nuclear podem usar o sistema. No entanto, devido ao avanço da China no sistema de energia integrado, a propulsão convencional também pode ser usada para a ejeção eletromagnética.

Em princípio, a catapulta eletromagnética é um grande motor DC – Direct Current (Corrente Contínua): um dispositivo de armazenamento de energia é carregado primeiro e uma forte corrente é usada para energizar os trilhos e os dois trilhos paralelos gerarão um forte campo magnético. Quando a corrente é grande o suficiente, a aeronave é ejetada e continua a acelerar sob a ação da força eletromagnética e, finalmente, decola a uma velocidade de mais de 250 km/h.

Nos últimos anos, os Estados Unidos tiveram muitos problemas no campo eletromagnético, como o sistema de energia elétrica de corrente alternada integrado de média tensão (MVAC) de navios, armas eletromagnéticas, ejeção eletromagnética e parada eletromagnética. Todas essas fronteiras em novos projetos foram iniciadas por eles, mas o resultado não se mostrou ainda satisfatório.

Por exemplo, os EUA solicitaram a construção de uma ferrovia de alta velocidade há mais de dez anos, mas até agora nem mesmo construíram 1 km de ferrovia de alta velocidade. Além do sério esvaziamento da indústria física, um grande número de fábricas estão localizadas fora da área local, de modo que a demanda por eletricidade não é tão forte e a maior parte do equipamento de energia local foi produzido no século passado. Embora a demanda civil seja insuficiente, os EUA comprimiram o espaço de desenvolvimento local no campo eletromagnético, fatores que afetam naturalmente o desenvolvimento da tecnologia militar.

MVDC

Para simplificar, a contribuição da energia integrada DC de média tensão para os navios de guerra modernos se reflete em três aspectos: fornecimento diário de energia, propulsão elétrica do navio e equipamento de alta energia embarcado no navio. Como todos sabemos, atualmente, grandes navios de superfície, como porta-aviões, usam turbinas à vapor para acionar os geradores, que então acionam os motores e, finalmente, os motores acionam os hélices para girar e fazer o navio navegar.

Existem também muitos eixos de transmissão e redutores de engrenagem mecânicos instalados entre a turbina a vapor e o hélice. A estrutura pode ser considerada extremamente complicada. Isso torna a mudança de velocidade e a “relação de comutação” do navio muito flexível, mas também reduz muito a eficiência de transmissão de energia entre a turbina à vapor e o hélice. Independentemente de ser um sistema de energia a diesel convencional ou um sistema de energia nuclear, a energia química ou nuclear deve ser convertida em eletricidade e, em seguida, a eletricidade pode ser usada para impulsionar o hélice para fazer o navio navegar.

Existe algum tipo de sistema de energia que pode eliminar ou simplificar muito o dispositivo de transmissão e distribuição de energia?

A resposta é sim. Este é o sistema de energia integrado DC de média tensão (MVDC). Esta é uma grande mudança na base do sistema de energia naval tradicional. No sistema AC tradicional, devido à potência AC da frequência energética utilizada, a velocidade do gerador costuma ser um valor fixo, sendo necessário instalar uma caixa redutora para realizar o ajuste da velocidade de transmissão de energia. No entanto, o gerador que usa o sistema de energia integrado DC de média tensão emite diretamente energia DC através do barramento único. Portanto, o módulo de conversão DC-AC e a unidade retificadora na rede de distribuição de energia naval podem ser eliminados.

Neste sistema, a velocidade do motor não é limitada. O eixo mecânico da caixa redutora e da transmissão pode basicamente ser omitido. O gerador é conectado diretamente à rede elétrica do navio, o que equivale a conectar diretamente o motor à hélice, eliminando a necessidade de vários dispositivos de transmissão, melhorando muito a eficiência de utilização da energia, reduzindo a maioria das perdas e conduzindo o controle preciso do sistema do navio.

Do ponto de vista anterior, a vantagem mais direta do sistema de potência integrado DC de média tensão é que ele melhora a eficiência de energia e utilização de energia, melhora a manobrabilidade do navio e reduz o ruído de transmissão. O propósito mais fundamental do sistema de energia integrado DC de média tensão é resolver o problema de colocar equipamentos de alta energia nos navios, porque esses equipamentos têm alto consumo.

Por exemplo, radares phased array ativos em larga escala em navios, vários sistemas de detecção  de superfície e aéreos são grandes consumidores de energia. A energia DC de média tensão fornecerá uma fonte de energia eficaz e estável para esses dispositivos e suportará equipamentos de alto consumo de energia. Esta é a terceira maior contribuição do sistema de energia integrado de média tensão DC para a próxima geração de navios.

Para os sistemas embarcados não puxarem tanta demanda dos geradores de energia do navio, um sistema IPES fornece um sistema de armazenamento de energia na rede elétrica para suportar tais cargas e descargas desses sistemas, ajudando a liberar parte da geração de eletricidade para outras funções e a propulsão do navio. Isso poderia confirmar as palavras de Ma Weiming que afirma que o seu sistema de energia integrado é mais avançado do que os atuais IPS implementados nos navios atuais.

Em comparação com países desenvolvidos como os da Europa e os Estados Unidos, que iniciaram pesquisas sobre sistemas integrados de energia na década de 1980, a pesquisa e o desenvolvimento de sistemas integrados de energia na China começaram tarde, mas alcançaram resultados muito bons. Embora europeus e americanos tenham começado cedo, a tecnologia eletrônica não é suficiente para apoiar a pesquisa do sistema DC de média tensão, e o risco de investimento é muito grande, por isso é consenso dos países ocidentais tomar um caminho relativamente seguro.

Do ponto de vista da rota de desenvolvimento de AC (Corrente Alternada) de média tensão de frequência elétrica, AC de média frequência e DC de média tensão, no contexto de que vários países ainda usam AC de média tensão como sistema de energia naval, na China adotaram o sistema integrado de energia DC de média tensão com cerca de 15 anos de antecedência. De acordo com o roteiro técnico para sistemas elétricos e de energia divulgado pelos Estados Unidos, eles esperam que a aplicação planejada de sistemas DC de média tensão não seja realizada até 2023, no mínimo. Isso também confirma as palavras do acadêmico Ma Weiming que o sistema de energia integrado DC de média tensão é o primeiro projeto nacional chinês a demonstrar que a lacuna tecnológica entre chineses e americanos não é tão grande assim.

As vantagens do MVDC são inúmeras. As plantas de corrente contínua de média tensão (MVDC) podem produzir mais energia, em menos espaço na arquitetura de energia DC, pois elimina os transformadores de baixa frequência volumosos e reduz a classificação do quadro de distribuição, reduzindo assim o espaço ocupado e o peso geral de todo o sistema, o que pode resultar em espaço de carga extra. Outra vantagem é um sistema com uma menor proteção e armazenamento necessários do que as plantas MVAC (corrente alternada de média tensão) que os navios usam atualmente.

Na aplicação militar que está interessada no suporte desses equipamentos elétricos e armas avançadas, para que essas embarcações atendam a esses objetivos, é necessário um fornecimento de energia altamente seguro, e uma arquitetura de energia DC também pode fornecer melhor capacidade de sobrevivência do sistema. Além disso, a integração de geração de turbina a gás também poderia ser facilmente alcançada dentro da arquitetura de energia DC, o que efetivamente melhoraria a eficiência de combustível do sistema.

Os sistemas MVDC são mais eficientes em termos de uso de combustível em qualquer nível de potência e velocidade, pois a velocidade do motor principal pode ser escolhida para minimizar o consumo de combustível. A capacidade de otimizar a velocidade do motor principal para uma determinada carga de energia está ajudando a direcionar o mercado marítimo comercial para a corrente contínua. Pelas mesmas razões, a USN irá mudar de AC para DC. Infelizmente, de acordo com o planejamento atual, nenhum sistema MVDC a bordo estará pronto para uso em um navio de guerra dos EUA ou aliados até 2023.

Devido aos níveis de potência mais elevados exigidos na aplicação de equipamentos de alta energia, a única opção de design disponível para energia elétrica integrada com base em DC é a solução DC de média tensão (MVDC) com uma tensão de barramento DC acima de 1kV (até 1kV é baixa tensão). A fim de minimizar o tamanho do cabeamento DC, níveis de tensão MVDC (MVDC é de 3kV a 10kV) maiores que 6kV são propostos para os futuros combatentes.

O sistema de energia integrado MVDC de bordo adota a forma de DC na transmissão e distribuição de energia elétrica, que tem muitas vantagens em comparação com o sistema AC de média tensão tradicional e o sistema AC de alta frequência, permitindo uma controlabilidade e eficiência do sistema de energia a bordo.

A outra possibilidade consiste na distribuição em corrente contínua por zonas, através de um barramento que direciona a energia para diferentes partes do navio onde a regulação da tensão é efetuada até o nível desejado.

Dentro das zonas de distribuição em corrente contínua, caso seja necessário, a potência elétrica pode ser convertida em corrente alternada e utilizada por sistemas locais do navio que estiverem posicionados dentro desta rede elétrica.

A distribuição por zonas em corrente contínua consegue obter uma simples monitoração e controle eletrônico do nível decorrente da rede elétrica, desde a quase instantânea detecção da falta, fato este, que irá possibilitar uma rápida substituição entre as fontes geradoras disponíveis em operação.

A escolha da arquitetura da distribuição da energia ao longo do navio merece cuidadosos estudos e análises. A distribuição em corrente alternada, desde a unidade geradora até a carga consumidora é a mais utilizada atualmente nos meios navais. Todas as vantagens mostram que o IPES (ou IPS) MVDC é a solução a ser adotada para navios com alto consumo de energia e dependem da densidade do sistema elétrico assim como sua estabilidade afim de fornecer o apoio necessário para a utilização dessas armas de combate do futuro.

A tecnologia de bombeamento sem eixo na China é derivada principalmente do sistema gerador AC/DC de enrolamento duplo desenvolvido pela equipe de Ma Weiming. Este sistema também lançou as bases para o embarque subsequente do desenvolvimento do IPES MVDC.

O IPES MVDC é outra grande conquista do acadêmico Ma Weiming após a tecnologia de bombeamento sem eixo. É o primeiro a iniciar a terceira revolução do sistema de energia de navio, fazendo com que o nível de tecnologia da China ultrapasse os Estados Unidos por mais de dez anos, liderando uma geração inteira.

Para confirmar essas palavras sobre o MVDC, um relatório de 2019 do NAVSEA é interessante. Na página 28, ele diz:

“Médio prazo: A implementação é atualmente limitada pelos requisitos de distribuição AC de 60 Hz para manter a frequência dentro de tolerâncias restritas de desvio. Os sistemas de distribuição MVDC podem desacoplar a interação de frequência entre os componentes, permitindo que as restrições operacionais sejam eliminadas.”

Isso confirma as palavras de Ma Weiming que foram ditas na parte 1 desse trabalho: “A tecnologia do sistema de energia integrado de primeira geração está madura, mas tem desvantagens como grande volume e peso do equipamento, baixa eficiência do sistema e baixa continuidade do fornecimento de energia; o sistema de energia integrado de segunda geração adota o sistema de energia DC de média tensão, que rompe o limite de frequência do sistema. Reduzindo os requisitos para as características de regulação de velocidade do motor principal, reduzindo muito o volume e o peso do equipamento, melhorando a eficiência do sistema e a continuidade do fornecimento de energia, mas o desenvolvimento da tecnologia ainda não está maduro.”

O problema da rede de distribuição AC é que a rede AC deve manter uma frequência altamente precisa e estável, 60 Hz nos EUA ou 50 Hz na China e na Europa. Todos os dispositivos de consumo e o gerador devem estar sincronizado com essa frequência. Motores primários devem usar a caixa de engrenagens para se ajustar a um RPM fixo. Se as RPM dos motores primários mudarem devido à carga (ou temperatura como no defeito do destróier Type 45), o sistema de controle deve ajustar imediatamente a marcha. Se isso não for feito a tempo, o gerador e os dispositivos de consumo ficarão fora de sincronia.

Isso irá gerar tensão e corrente flutuante que pode ser forte o suficiente para queimar o sistema elétrico. Mesmo o disjuntor não será capaz de salvar o sistema. Os volantes são motor e gerador, quando atua como gerador, o RPM cairá drasticamente, o que significa queda de frequência. O lançador é um motor linear que também depende de frequência estável. Então pode-se imaginar o desafio de regular a frequência por meio de uma rede AC.

Uma notícia divulgada de um teste do EMALS é importante para averiguar isso: “Em 2 de junho, a tripulação descobriu uma falha no sistema de manuseio de energia que conecta as turbinas de geração de energia do navio ao sistema de energia EMALS”. Essa falha pode ser resultado direto da rede elétrica AC do USS Gerald Ford, demonstrando o problema técnico da rede de distribuição AC do porta-aviões.

Para esclarecer, um sistema integrado MVAC é ruim para ser a rede de distribuição elétrica do navio. Mas, como a rede conecta tudo em voltagens e frequências diferentes, isso é crítico. Portanto, como um sistema completo, a rede DC é melhor do que a rede AC.

Prosseguindo na análise do relatório do NAVSEA, na página 29, diz-se o seguinte: “Este novo sistema de distribuição deve atender a uma interface atualizada (Draft MIL-STD-1399 Navy Section LVDC e Section MVDC) e permitir linhas de geração de energia flexíveis e desacoplamento de frequência do gerador. (Observação: isso pode permitir que as turbinas a gás operem para obter o consumo ideal de combustível, aumentando a durabilidade do navio)…
O foco está no desenvolvimento do conhecimento e da tecnologia (informações objetivas de qualidade) necessários para desenvolver e testar um sistema de distribuição MVDC de até 12kV que permite flexibilidade de carga futura.”

A USN deve ter começado a desenvolver o MVDC em 2019, provavelmente antes da publicação desse relatório. Ou seja, os EUA ainda estão desenvolvendo o sistema de distribuição MVDC. O engenheiro Ma Weiming disse que a China está 10 anos à frente de qualquer outro país. Essa parte do relatório ainda confirma a fácil integração e as vantagens entre as turbinas a gás e o sistema MVDC, garatindo suas qualidades para permitir o funcionamento integral do navio.

Seguindo com a análise do relatório, na página 30 diz-se: “SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO (2019-2037 )… DESAFIOS
…
A proteção do circuito MVDC foi identificada desde 2008 como uma das áreas de alto risco para a implementação de um sistema de distribuição MVDC….

• Fazer a transição dos dispositivos de proteção de circuito de estado sólido de ação rápida de 1kVDC e 12kVDC atualmente em desenvolvimento. Esses dispositivos devem ser capazes de detecção em alta velocidade, eliminação, localização de falhas e ser testados na integração até 2023.
• Desenvolver uma chave de desconexão para trabalhar em conjunto com a conversão de energia para executar funções de isolamento de circuito em 1kVDC e 12kVDC até 2023. Isso é necessário na proteção de circuito baseada em conversão de energia, onde conversores de energia são usados para localização, coordenação e isolamento de falhas.
  …
• Um sistema de controle é definido como um sistema que gerencia, comanda, dirige e regula o comportamento de outros dispositivos ou sistemas. Essas ações são afetadas por algoritmos, as unidades de processamento em que são executados e dispositivos efetores. Os controles permitirão o gerenciamento ideal do problema de energia-tempo-energia para fornecer energia quando e onde for necessária.”

O disjuntor projetado que permite proteger o circuito MVDC é esperado estar desenvolvido até 2023. O sistema completo está previsto para chegar até 2037, ou seja, quase 15 anos depois da implementação pela PLA Navy.

O sistema de distribuição MVAC (corrente alternada de média tensão) é fácil de cortar a corrente no caso de algum surto de energia porque tem ponto zero, mas é muito difícil manter o sincronismo de frequência, o sistema de controle seria muito mais complicado do que DC, portanto mais caro.

Também é preciso dizer que a presunção de que o IPES (ou IPS) AC é mais barato é discutível. Na época de seu desenvolvimento, algumas décadas atrás, os dispositivos de energia DC eram caros ou não existiam, então dizer que o AC era mais barato parecia mais realista. Mas a presunção negligenciou a cumplicidade do sistema de controle, ou a subestimou, portanto, perdeu aquele custo extra.

O exemplo do destróier britânico Type 45 é perceptível, todos os navios terão que receber com um gerador a diesel extra, e mesmo isso é apenas um pequeno problema em meio a um problemão que não aborda a causa raiz. É preciso resolver a causa raiz mesmo que seja muito caro para o Reino Unido e melhor seria mudar para DC se eles puderem e tiverem o orçamento para isso.

Comparado com o destróier Type 45, o porta-aviões HMS Queen Elizabeth nunca vai acelerar ou desacelerar tão intensamente quanto um destróier. Mas pelo fato do porta-aviões usar o sistema MVAC, o problema ainda poder estar presente, simplesmente porque esse sistema elétrico integrado AC não pode lidar com os problemas apresentados, principalmente com a oscilação de energia e distúrbios no sistema de propulsão. O destróier USS Zumwalt da Marinha dos EUA tem potencialmente o mesmo problema do Type 45, que se manifestará mais cedo ou mais tarde. É até possível que a arquitetura do próximo navio da USN baseado em IPES não use a mesma planta do Zumwalt.

Integrar armazenamento para suavizar a qualidade da energia é um método amplamente usado não apenas no IPES, mas na rede elétrica em geral. O problema é o custo extra e o volume extra e, o mais importante, a complexidade extra de controle. Mais uma vez, o Type 45 é uma “boa” lição para se aprender. O navio não tem esse armazenamento e, mesmo se tivesse, significaria um volume semelhante ao do gerador a diesel a ser adicionado.

Além disso, o Type 45 está enfrentando mais de um problema. O gerador a diesel extra não resolve totalmente o problema descrito, que é a perda repentina da potência de saída das turbinas a gás levando à instabilidade da frequência. Mas resolve parcialmente o problema ao reduzir a demanda de energia da turbina a gás.

Reduzindo a demanda de energia da turbina a gás, permite que ele funcione com uma classificação de potência mais baixa. Essa classificação mais baixa significa que, mesmo que o inter-cooler falhe, a turbina a gás ainda é capaz de fornecer energia suficiente no modo de ciclo simples. O armazenamento não é implementado apenas na rede elétrica, mas também na propulsão (IEPS), o problema é que o custo extra e o mais importante, a complexidade extra de controle não garante que os problemas do Type 45 sejam resolvidos.

Quanto à USN, o próximo IPES (ou IPS) terá que ser baseado em DC, seja em porta-aviões ou destróier. Na verdade já há um planejamento disso, conforme a imagem abaixo:

O problema da DC é detectar o surto em um tempo extremamente curto e cortar uma corrente alta da rede elétrica. O engenheiro Ma Weiming tem um algoritmo com previsão para localizar e cortar a falha, que é um dos desafios que ele delineou nesses sistemas integrados. Outra coisa é cortar a corrente por semicondutor de alta potência que era caro alguns anos atrás, mas não hoje em dia. A rede de alta potência DC não é mais cara do que há 10 anos, graças ao recente avanço rápido da tecnologia na aplicação de energia eólica, melhoria em semicondutores, entre outros.

Para acomodar sistemas futuros que demandam altas taxas de energia, a planta de engenharia da distribuição elétrica deve ser capaz de distribuir energia de forma automática, instantânea e inteligente por todo o navio em quantidades difíceis de prever, sem a intervenção de um operador.

A mudança para sistemas de corrente contínua exigirá a integração de muitas novas tecnologias, cada uma com um risco substancial. Por exemplo, a maioria, incluindo os chineses, usa motores de indução de corrente alternada, que precisa nesse caso de módulos de conversão de energia para converter AC em uma tensão não especificada para o MVDC fazer a distribuição de energia em todo o navio.

Como o sistema MVDC possui zonas normalmente interconectadas, pode haver cenários onde uma única falha pode se espalhar e se transformar em falha regional ou falha sistêmica geral se a proteção da arquitetura do sistema não for projetada para lidar com o potencial negativo de tais cenários. A proteção eficaz contra falhas e o isolamento do ponto de falha é considerado o maior desafio para garantir a segurança do MVDC.

Um esforço considerável de pesquisa e desenvolvimento foi feito para permitir a função de proteção usando disjuntores capazes de interromper a corrente de falha dentro do sistema MVDC rapidamente, sem ocupar espaço substancial no navio.

O prognóstico pode ser alcançado em uma seção de falha e orientar as atividades de proteção eficazes quando ocorrer. No entanto, a multi-conectividade não linear e a alta dimensionalidade do sistema de energia a bordo tornam difícil obter essa reconfiguração rápida e eficiente.

Navios maiores e mais poderosos exigirão sistemas integrados de potência e energia que possam armazenar o excesso de energia e, de forma inteligente e transparente, mudar a potência dos componentes de baixa demanda para os de alta demanda, desviando a potência da propulsão para os sistemas de combate e vice-versa conforme as necessidades do momento mudam. Um sistema MVDC é capaz de realizar isso, embora a implantação em um navio requer uma arquitetura abrangente que é do ponto de vista da engenharia, desafiador.

A rede DC permite que os geradores funcionem em qualquer frequência, melhorando a flexibilidade e a viabilidade, o que permite medidas como a recuperação de energia que seria desperdiçada durante um determinado tempo, o que se traduz em densidade de potência. É um efeito derivado, não um efeito direto. Um cabeamento menos volumoso é uma vantagem do MVDC mencionada por Ma Weiming também.

Quanto à abordagem, EUA e Reino Unido não erraram em desenvolver MVAC algumas décadas atrás, quando para a DC era quase impossível. De acordo com o engenheiro Ma Weiming, os EUA tiveram MVDC em seu roteiro de desenvolvimento há muito tempo. A China tem a vantagem de, recém-chegada na arena tecnológica, no momento em que começa o trabalho do IPES, os componentes DC e as experiências são abundantes o suficiente para tornar o MVAC obsoleto.

Uma coisa extra, além do porta-aviões recuperando energia do equipamento de retenção de aeronaves, outros navios podem e devem recuperar energia de um motor elétrico de funcionamento livre desacoplado do hélice em caso de desaceleração ou giro repentino. Sem fazer isso, o motor de giro livre se torna um gerador de frequência decrescente, alimentando eletricidade de volta à rede, criando um surto devido à corrente fora de sincronia, que pode queimar a rede. O destróier Type 45 pode ter sorido isso várias vezes.

O IPES MVDC suporta toda essa transferência de energia para os sistemas que demandam muita energia do navio, mantém a densidade do sistema para suportar essas altas cargas de energia e muitas outras vantagens sobre um sistema MVAC. O IPES integra o armazenamento para suavizar a qualidade da energia e é um método amplamente usado, isso ajuda na distribuição de energia para os sistemas embarcados de alto consumo.

Analisando esses parâmetros e olhando o desenvolvimento do sistema de Ma Weiming, eles provavelmente usarão esse sistema para apoiar os sistemas embarcadas do porta-aviões Type 003. Como o sistema MVDC é denso o suficiente para suportar tais sistemas embarcados, isso significa que a potência elétrica gerada se torna um requisito menor, por ter uma arquitetura elétrica que é capaz de reduzir drasticamente o desperdício de energia.

A migração da USN para o IPES MVDC está em fase de desenvolvimento, a aplicação final de longo prazo é de fato esse sistema integrado de acordo com os relatórios do NAVSEA, confirmando as palavras de Ma Weiming de que seu sistema MVDC está a 10 anos a frente de qualquer outro país.

A partir desse conhecimento, percebe-se que a aplicação de tecnologias como o “railgun” eletromagnético é de fato aplicável na China e ainda está em desenvolvimento, mas de um modo muito mais avançado do que nos demais países.

Por isso não há surpresas ao constatar que a China esteja instalando tais dispositivos nos navios, pois há uma tecnologia inovadora capaz de suportar tais sistemas embarcados.