Фото: Морские суда с ветроэнергетической двигательной установкой

Одной из важнейших задач человечества, связанной с замедлением темпов роста температуры на Земле, является снижение эмиссии парниковых газов, прежде всего в сферах промышленности и транспорта. В сфере водного транспорта это связано с внедрением энергосберегающих технологий и переводом работы морских судов с углеводородов на альтернативный вид топлива.

Авторами представлен технико-экологический анализ перспектив использования роторных парусов для повышения энергоэффективности судовой энергетической установки (СЭУ).

Владимир Рысев, аспирант МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Михаил Дрозд, ст. преподаватель МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Владимир Старцев, ст. инженер-инспектор ФАУ РМРС

В качестве одного из направлений снижения выбросов СО₂ стало применение ветроэнергетических двигательных установок в виде роторного и крылатого паруса, а также буксировочного (кайт) и мягкого паруса. Такие компании, как Anemoi, Norsepower, Enercom, MariGreen, предлагают решения по установке роторных парусов на суда, в том числе и на находящиеся в постройке.

Снижение нагрузки и экономия топлива

Правда, на 2024 год реализованных проектов по установке ветроэнергетических установок на судах не так много (табл. 1), но в перспективе их число может кратно увеличиться, судя по количеству заказов (рис. 1), размещенных после вступления в силу Резолюции IMO MEPC.308(73) от 26.10.2018, которая является руководством по расчету конструктивного коэффициента энергетической эффективности судна.

Таблица 1. Планируемое/внедренное число ветроэнергетических двигательных установок

Рис.1. График заказов ветроэнергетических двигательных установок для размещения на морском транспорте

На графике видно, что объемы заказов на размещение ветроэнергетических двигательных установок на флоте начали расти.

Несмотря на технические проблемы, связанные с изменением конструкции палубы судна, эта технология ветроэнергетических двигательных установок привлекла большое внимание политиков, институтов, судоходных и энергетических компаний.

Согласно данным, полученным во время плавания сверхбольшого сухогруза Afros водоизмещением 64 000 т по регулярному маршруту из Наньтуна в Ванкувер и обратно с ноября 2019 по январь 2020 года, следует, что после оснащения четырьмя роторными парусами с системой орбитального развертывания высотой 16 м и диаметром 2 м потребление топлива и выбросы вредных веществ сократились на 73 т мазута и 235 т выбросов CO₂ соответственно, то есть снизились на 12%.

Также нефтеналивной танкер Maersk Pelican водоизмещением 109 647 т, оснащенный двумя роторными парусами высотой 30 м и диаметром 5 м, за первый год эксплуатации на основных мировых маршрутах сократил расход топлива на 7-10%.

Для оценки возможности экономии топлива, вызванной внедрением на флот ветроэнергетических двигательных установок, взяты характеристики роторных парусов (табл. 2), на основании которых рассчитана дополнительная нагрузка на электростанцию, а также получено представление об упоре, развиваемом роторными парусами.

Таблица 2. Характеристики роторных парусов компании Norsepower

Упор, развиваемый роторными парусами за один час работы судна, был пересчитан в развиваемую мощность главного двигателя (ГД) (табл. 3), что позволило определить величину возможного снижения его мощности, а также вычислить экономию топлива. При этом режим работы пропульсивного комплекса был принят на уровне 85% от максимальной длительной мощности (МСR), температура воздуха в машинном отделении перед турбиной 45 и 10°C, температура воды за бортом 36 и 10°C, скорость ветра 12 узлов, тип используемого топлива – MGO.

Таблица 3. Развиваемая мощность роторных парусов

Сравнение параметров работы дизеля производства MAN Energy Solutions марки 7S50ME-C10.7-HPSCR до и после установки роторных парусов позволило сделать вывод о возможности снижения нагрузки и экономии топлива ГД за счет применения ветроэнергетических двигательных установок.

Так, при режиме работы судового ГД на уровне 85% от МСR установка одного роторного паруса размерами 18 х 4 м дает полезный эффект в виде снижения мощности ГД на 1080 кВт и, как следствие, снижение расхода топлива на 11,76 и 11,44% в тропических и северных широтах соответственно.

Полученная экономия указана без учета возложенной весовой нагрузки на судно после установки паруса. Необходимо принять во внимание, что с увеличением силы ветра будет расти аэродинамическое сопротивление судна, но при этом будет увеличиваться упор судна, соответственно и скорость движения. При низких скоростях ветра (4 м/с), но оптимальных углах его направления, экономия электроэнергии составляет до 4%, при более высоких скоростях ветра (12 м/с) – более 12,5%.

На рис. 2 представлена информация об экономии топлива нефтеналивным танкером дедвейтом 114 000 т, мощностью ГД 13 778 кВт, идущего со скоростью 12 узлов, при использовании двух роторных парусов в зависимости от относительного направления и скорости ветра.

Из диаграммы видно, что максимальная экономия топлива будет достигаться при относительных углах ветра, близких к ±90о.

Рис. 2. Диаграмма экономии топлива при использовании двух роторных парусов в зависимости от направления ветра

Влияние паруса на энергетическую эффективность

Также проведена оценка влияния установки роторного паруса на конструктивный и эксплуатационный коэффициенты энергетической эффективности (EEDI/EEXI) существующих судов и находящихся в постройке. Оценка производилась в соответствии с Руководством по методу расчета EEDI для новых судов (MEPC.212(63), вступившим в законную силу 01.01.2013, с поправками, внесенными MEPC.364(79), согласно которым необходимо пользоваться формулой 2.1 для судна с характеристиками, указанными в табл. 4.

Таблица 4. Характеристики морского судна

В результате расчета полученный EEDI данного судна равен 3,53 г СО₂/т миля. Это значение соответствует транспортному судну без установленных на него энергосберегающих технологий. Далее определен полезный эффект от установки роторных парусов в виде снижения значений EEDI и EEXI для судов, находящихся как в постройке, так и в эксплуатации. При расчете учтена полезная мощность и весовые характеристики парусов в зависимости от их габаритов (табл. 5).

Таблица 5. Полезный эффект от установки роторных парусов

В соответствии с табл. 1 главы 4 MEPC.328(076) с целью обеспечения соответствия экологических характеристик выбросов CO₂ вновь построенных судов требуемый показатель EEDI постоянно снижается за счет понижающих коэффициентов. Сегодня действует этап 2, но уже после 01.01.2025 вступит в силу этап 3.

На рис. 3 приведен график, где указаны данные по снижению требуемого EEDI/EEXI для судна с характеристиками, указанными в табл. 4.

График показывает, что при установке роторных парусов судно будет соответствовать самым жестким требованиям по выбросам CO₂.

Рис. 4. Зависимость значения EEDI/EEXI от понижающих коэффициентов

Заключение

При более детальном подходе очевидно, что в дополнение к роторным или крылатым парусам необходимо окрашивать корпус судна инновационными самополирующимися красками для снижения трения о воду, устанавливать утилизационные паровые турбогенераторы для снабжения электроэнергией вращательного привода паруса, применять другие варианты использования энергии ветра на судах. В данном случае на этапе подбора ГД можно выбрать менее мощный дизель и электростанцию либо установить валогенераторную установку для получения электроэнергии без использования вспомогательных дизелей.

Анализ влияния установки роторных парусов на возможную экономию топлива и снижение коэффициентов энергоэффективности судна дает представление о возможностях модернизации морских транспортных судов с целью повышения их эколого-энергетических показателей (EEDI/EEXI).

Согласно сравнительным данным за май 2023 и 2024 годов в основных портах, где происходит бункеровка судов, наблюдается тенденция роста цен на топливо. Средняя стоимость дизельного топлива составляет за тонну 80 000 тыс. рублей, а мазута – 47 000 тыс. рублей. В процентном соотношении высокосернистый мазут стал дороже на 31%, низкосернистый – на 25%, дизель – на 21%.

Рост цен на топливо будет одним из триггеров повышения числа заказов на внедрение технологий энергосбережения на судах с целью повышения их эффективности. В перспективе ближайших 10 лет дальнейшая эксплуатация морских судов без применения энергосберегающих технологий может стать нерентабельной для судовладельцев.

В свете последних обсуждений в IMO о регулировании норм выбросов CO2 предполагается воздействие в виде налога на тех, чьи суда превысят норму выбросов. Как показала практика 2023 года, самый простой и недорогой способ снизить выбросы CO₂ с судна – снизить скорость хода путем установки ограничителя хода топливной рейки: как механического, так и программного. В результате потеря скорости хода, а равно снижение привлекательности судна для фрахтователя вынудят судовладельцев к необходимости приведения флота в соответствие с международными экологическими требованиями и, как следствие, его оснащения энергосберегающими технологиями.

Морские вести России №16 (2024)