Минимум вредных выбросов в атмосферу: энергия ветра в морских перевозках

Антти Юрьянайнен

Posted on August 25, 2021

Постоянно ужесточающиеся экологические нормы в сочетании с необходимостью снижения стоимости топлива сделали энергию ветра привлекательным вариантом в качестве транспортной энергии для судов. Было разработано множество вариантов применения паруса, но настоящего прорыва достичь не удалось. Подозрительная неопределенность замедлила возрождение ветроэнергетики. Тем не менее, созданные установки дают явные преимущества в плане экономии топлива. Цели по сокращению выбросов заставляют разрабатывать и применять новые экологически чистые технологии, такие как ветроэнергетика в судоходстве.

Ветер как движущая сила судна

Из энергии солнечного излучения, достигающей Земли, 2-3% попадает в ветер. Это абсолютно чистая, незагрязненная энергия, которая находится в свободном доступе. До появления моторных судов судоходство основывалось на энергии ветра. 100 лет назад последние парусные суда, находящиеся в эксплуатации, достигали пиковой скорости до 17 узлов при плавании из Австралии в Европу - скорость, которой не могут достичь современные балкеры.

В то же время самые большие и быстрые в мире парусники достигали скорости более 11 узлов в яхтенных гонках. В грузоперевозках от парусной тяги отказались, в то время как гоночные парусники получили огромное развитие, используя усовершенствованные паруса-крылья и технологию облегченной конструкции. Самые экстремальные достигают максимальной скорости более 50 узлов. Развитие использования энергии ветра на судах было забыто на 100 лет, но интерес к нему возродился.

Сегодня потребители осведомлены об экологических проблемах, что заставляет даже крупных глобальных поставщиков требовать экологически безопасной деятельности на протяжении всей транспортной цепочки. Это всеобщее отношение материализовалось в цели IMO (Международной морской организации) по сокращению вдвое выбросов в атмосферу на море к 2050 году. Это очень сильно влияет на мышление всей морской отрасли. Операторы ищут решения с нулевым уровнем выбросов для производства энергии для привода. Эту потребность удовлетворяют разработчики оборудования на основе энергии ветра.

Таблица 1 1. Различные способы использования энергии ветра на борту судна.

Условия для более широкого внедрения ветроэнергетики

Логистические цепочки основаны на точном соблюдении графика перевозок. На теплоходах это легко осуществить и достичь, хотя погодные условия иногда могут создавать свои проблемы. Парусные суда полностью зависят от благоприятных погодных условий. Вместо полностью парусной силовой установки можно использовать ветровую силовую установку, которая позволяет соблюдать расписание. Гибридные решения позволяют достичь значительной экономии в потреблении топлива и, следовательно, в выбросах. На практике такие гибридные решения позволили добиться ежегодной экономии топлива около 10% (соответствующее снижение выбросов CO2) без снижения уровня обслуживания судового транспорта.

Если удастся добиться гибкости в отношении требований к расписанию, экономия может быть еще больше. В самом крайнем случае все движущие силы могут основываться на энергии ветра, как это было до эпохи паровых двигателей и моторных судов.

Наиболее существенные препятствия для внедрения и более широкого использования ветряных двигателей связаны, прежде всего, с различными неопределенностями. Одна из них - цена на топливо, то есть прогнозируемые затраты, которые необходимо компенсировать. В частности, низкая цена на топливо и ее непредвиденные колебания снизили интерес к внедрению ветроэнергетических установок.

Часто возникает вопрос, подходит ли вообще предлагаемая технология для судов и их эксплуатационных профилей. Кроме того, каково удобство использования устройств, и как они влияют на факторы безопасности? Эти технические вопросы могут быть проверены и решены путем накопления информации о каждой новой экспериментальной установке. В конечном счете, инвесторы требуют "проверенный проект" для финансово обоснованных инвестиций. Целесообразность предлагаемых установок должна быть тщательно проанализирована и оценена с учетом эксплуатации судов и условий окружающей среды.

Роторный парус, установленный на судне

Решения для ветроэнергетики

Традиционно ветер используется непосредственно на судах для приведения их в движение. Ветер также может быть использован для производства электроэнергии с помощью турбины.

Однако размеры такого устройства и, соответственно, высота центра тяжести и движения судна не позволяют рабочей комбинации вырабатывать необходимую электроэнергию для двигателя.

В мире существует более 30 отдельных проектов по изучению или разработке использования энергии ветра на судах. Эти проекты осуществляются в основном исследовательскими институтами, а также некоторыми коммерческими структурами. Многие из них находятся на очень низком уровне технологической зрелости. На сегодняшний день на рынке практически нет готовых к коммерческому использованию продуктов, кроме решений для парусных судов. Исключением является роторный парус компании Norsepower. Судя по активности кластера, в ближайшие годы на рынке появятся новые решения.

Классификационные общества также проделали свою работу. Наиболее значимые классификационные общества уже опубликовали свои руководства и правила с соответствующими обозначениями для классификации ветроэнергетических установок для различных типов применения ветроэнергетики.

Оценка преимуществ

Экологически чистые технологии создают преимущества для общества. Однако ветроэнергетическое оборудование также должно быть коммерчески выгодной инвестицией для судовладельца, не снижая при этом уровень эксплуатационных характеристик судна. Необходимо оценить срок окупаемости установки. Он, в свою очередь, в значительной степени зависит от цены на топливо, которое будет заменено ветровой энергией. К сожалению, колебания цен на топливо очень велики, что затрудняет надежное прогнозирование будущих уровней цен. В конкуренции с колеблющимися ценами на бункер, ветер предлагает более стабильные перспективы, однако, с неопределенностью, связанной с отдельными рейсами.

Большинство устройств, использующих энергию ветра, в настоящее время находятся на очень ранних стадиях разработки. Разработка и серийное производство различных типов оборудования создаст новые возможности и еще больше повысит их ценовую конкурентоспособность.

При реализованных уровнях стоимости топлива сроки окупаемости оборудования оказались приемлемыми, но ценность установки повышается при высоких ценах на топливо. Однако каждый случай должен оцениваться индивидуально, исходя из эксплуатационного профиля судна и ветровых условий в районе эксплуатации, в дополнение к характеристикам судна.

Концепция ветроэнергетического балкера мощностью 37 000 двт, разработанная компанией Elomatic Oy.

Размышления о будущем

Парадигма всей нынешней концепции судов изменится, если движущая сила судов будет производиться только за счет энергии ветра. При этом будет исключен самый крупный компонент эксплуатационных расходов - затраты на топливо. С другой стороны, компромисс в отношении скорости повышает значимость капитальных затрат по мере снижения эффективности транспортировки. Достижение максимальной выгоды влияет на всю концепцию судна и его характеристики.

Исходя из вышесказанного, эту мысль можно развить еще дальше. Если судно станет беспилотным, то исчезнет еще одна крупная статья эксплуатационных расходов - расходы на персонал. В то же время, все объекты и системы, связанные с проживанием на борту, и оборудование личной безопасности судна становятся ненужными, что способствует снижению капитальных затрат. В качестве небольшой уступки, судно будет оснащено солнечными батареями, аккумуляторами и электрическими движителями для портовых операций и иногда спокойной погоды. Основываясь на этой философии, финская инженерно-консалтинговая компания Elomatic разработала концепцию парусного судна-бункеровщика.

Для достижения устойчивости судно имеет тип катамарана. Оба корпуса трубчатые и двухкорпусные, причем второй корпус внутри образует грузовое пространство. Носовая и кормовая части имеют обтекаемую форму для обеспечения хороших мореходных качеств. Палуба и паруса служат платформой для солнечных батарей. Это футуристическое концептуальное исследование, которое важно для тестирования и оценки новых идей и решений. Проверяя идеи и рассчитывая их осуществимость, эти ныне утопические концепции будут шаг за шагом совершенствоваться, превращаясь в рабочие лошадки наших морей, в транспортные средства без выбросов. Несмотря на то, что развитие сектора происходит стремительно, кажется, что требуется очень много времени, чтобы реальные коммерческие установки получили широкое распространение. Предлагаемые цели по сокращению выбросов требуют более быстрого развития.

Движение под парусом или с помощью паруса является одним из способов достижения углеродно-нейтрального судоходства. Различные решения с использованием парусов уже являются экономически эффективным способом производства части движущей силы. В будущем эта доля может быть увеличена, и в некоторых случаях энергия ветра, несомненно, снова станет основной движущей силой, по крайней мере, для некоторых судов.

Каждая новая установка с парусным движителем прокладывает путь к движению с помощью ветра в целом. Чем больше будет собрано данных и получено знаний об использовании таких устройств в различных морских и ветровых условиях, тем лучше можно будет оценить и проверить преимущества. Технические барьеры могут быть преодолены путем исследований, разработок и испытаний.

Ключевым элементом для более широкого использования этой чистой энергии является экономическая конкурентоспособность. Некоторые из современных решений обеспечивают возврат инвестиций для судовладельца менее чем за 5 лет при одновременном сокращении выбросов CO2 на 10%. Если цена на бункер будет расти, а морские выбросы CO2 станут частью какого-либо инструмента углеродного налога или торговли выбросами углерода, например, европейской системы торговли выбросами (ETS), это приведет к появлению прибыльного рынка для поставщиков двигательных систем с использованием энергии ветра. Это также поможет судовладельцам снизить расходы на топливо.

Об авторе
Антти Юрьянайнен (магистр военно-морской архитектуры) работает менеджером по продажам и проектам в материнской компании CADMATIC, Elomatic Ltd. Эта статья была впервые опубликована в журнале Top Engineer 2/2020.

Изображения любезно предоставлены компанией NorsePower.