Мазут не тоне: флот | Журнал Популярна Механіка
З точки зору обивателя, годинами задихається в міських пробках, головні екологічні «нечупара» на планеті - автомобілі. Скажу вам по секрету: автомобілі всіх мастей просто пахнуть в порівнянні з морськими судами. Ось їм-то давно пора грунтовно почистити пір'ячко, а заодно і стримати апетит.
Морський транспорт забезпечує 90% світового вантажообігу. Так, він досить повільний, зате страшенно надійний і дешевий. Танкери, балкери, контейнеровози, сейнери і інші посудини перевозять в чотири рази більше товарів, ніж вантажівки, в шість разів більше, ніж залізниця, і в 400 разів більше, ніж вантажна авіація. 90 000 морських суден щорічно пережовують 370 млн тонн важкого флотського мазуту і тільки по викидах сірчистих сполук перевершують автопарк планети в 260 разів.
Maersk triple-e стане найбільшим в світі контейнерозовом (400 м), на 2,29 м випередивши нинішнього лідера Emma Maersk і на 40 м - найбільше пасажирське судно Oasis of the Seas. Лідерство в абсолютному заліку утримує танкер Seawise Giant. Новий клас судів буде надзвичайно конкурентоспроможний. Вартість доставки одного контейнера з Азії до Північної Європи, що складається з ціни палива, витрат на експлуатацію, портових зборів, зборів за прохід по каналах і амортизації судна, у Triple-E обіцяє бути на 26% нижче, ніж у конкурентів.
Більш того, ситуація з екологією має тенденцію до погіршення. За оцінкою професора Хенріка Бахера, віце-президента консалтингової компанії Elomatic Marine, завдяки економічному буму в Азії інтенсивність морського судноплавства в найближчі 30 років зросте щонайменше вдвічі. Незважаючи на те що доставка тонни вантажу морем вимагає в середньому в чотири рази менше палива, ніж при автоперевезеннях, шалений попит на бункерний мазут неминуче понесе нафтові котирування в стратосферу. Туди ж, в стратосферу, підніметься гігантська хмара вихлопних газів, якщо, звичайно, не вжити превентивних заходів щодо зниження енергоємності морських перевезень. І вони робляться, причому не політиками, а самими перевізниками.
Матрос еволюції
У 2013-2015 роках датська компанія Maersk отримає від Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering десять контейнеровозів нового класу під назвою Triple-E, оснащених здвоєними 910-тонними низькооборотної дизельними двигунами MAN потужністю 43 000 к.с. Triple-E будуть найбільшими в світі судами. При довжині 400 і ширині 59 м вони зможуть перевозити в своєму череві до 18 000 20-футових контейнерів. Багато це чи мало? Якщо занурити їх на залізничний склад, то довжина сталевий змії складе 110 км, а якщо поставити один на одного, дах «хмарочоса» досягне висоти 47 км. Але не це головне. Судна класу Triple-E безпрецедентно економічні.
Японці і фіни детально розписали, за рахунок чого сталевий гігант Super Eco Ship 2030 втратить зайві кілограми, а заодно заощадить своїм власникам купу грошей тільки на матеріалах. Більш тонкий прокат з напруженою стали і застосування композитних матеріалів для виготовлення допоміжних елементів зроблять суперсудно легше на 3000 т. 5000 т піде в мінус за рахунок інноваційної закритою архітектури корпусу, виключення з силового каркаса здебільшого сталевих перегородок і полегшеного вантажно-розвантажувального обладнання. Заміна традиційної силової установки на модулі з паливних осередків і електричні двигуни дасть ще 3000 т економії. Чудова економічність Super Eco Ship 2030 дозволить зробити газові бункера легше на 2500 т, а якщо до 2030 року будуть розроблені полегшені контейнери, то загальна маса вантажу, що перевозиться знизиться ще на 8000 т. В результаті повна маса судна буде знижена на 20%, а додатковий виграш по викидах вуглекислого газу складе 9%.
Силова установка Triple-E буде оснащуватися системою рекуперації теплової енергії, яка складається з теплообмінників, бойлерів і парового турбогенератора. Система дозволить отримувати і перетворювати в електрику до 10% надлишкової теплової енергії, що міститься у вихлопних газах. Гідродинамічний опір рушіїв Triple-E на 15%, а маса силової установки на 300 т нижче, ніж у Emma Maersk. Крім того, максимальна швидкість гіганта навмисно знижена до 23 вузлів проти 25 у Emma, а значить, для руху «на всіх парах» йому буде потрібно всього 65-70 МВт потужності. З точки зору «чайника», зміна зовсім невелике. Насправді ж через ці зайвих пари вузлів 396-метрова Emma, несуча «всього» 15. 500 контейнерів, споживає на 10-15 МВт більше. Іншими словами, на 1 кВт • год енергії Triple-E здатний перемістити тонну вантажу на 184, а Emma - на 120 км (вантажний авіагігант на базі Boeing-747 на одному кіловат-годину пронесе тонну вантажу всього на 500 м).
Найважливіша перевага системи повітряної мастила ACS полягає в тому, що її можна встановлювати на вже побудовані суду, не розраховані на її використання. Однак найбільш ефективно працюють системи, спочатку закладені в конструкцію судна. Бульбашки повітря створюють в спеціальних поздовжніх каналах днища шар «повітряної мастила», істотно знижуючи гідродинамічний опір судна. При цьому витрата енергії на накачування повітря компресором набагато менше, ніж економія від ефективного ковзання.
Змагатися з датчанами нинішнім «балкер-ненажерам» буде непросто. Втім, у них є відмінний шанс знайти друге дихання і борознити простори океану ще десяток років після фірмового тюнінгу від інжинірингової компанії DK Group з Роттердама. Приклад Maersk Triple-E наочно демонструє можливість зниження витрати палива на 20-35% без радикальних змін конструкції суден і використання екзотичних силових установок.
Засновник DK Group Йорн Вінклер виділяє кілька факторів економічності. По-перше, це збільшення коефіцієнта наповнюваності судна за рахунок більш широкого U-образного корпусу. По-друге, зниження середньої швидкості перевезень до 20 вузлів. Порівняно повільний хід судна компенсує погіршення обтічності «вилицюватого корпусу» і дозволяє двигунам працювати в оптимальному діапазоні оборотів. По-третє, підвищення ефективності силової установки за рахунок використання більш досконалих рушіїв і систем рекуперації теплової енергії вихлопних газів. По-четверте, застосування стійких до біоуражень гідрофобних покриттів корпусу, що знижують вязкостной опір і витрати на обслуговування і доковий ремонт.
З Росії з любов'ю
Ще 7-15% економії палива може додати застосування патентованої системи повітряної мастила Air Cavity System (ACS), створеної DK Group в кооперації з датської FORCE Technology. Цікаво, що перші досліди по зменшенню площі мокрого контакту шляхом створення повітряного шару на днище судна були проведені в Ленінграді колективом під керівництвом конструктора Матвєєва в середині 1960-х. А в 1972 році в Горькому був побудований і випробуваний експериментальний швидкісний катер з повітряним мастилом. Надалі в СРСР було спущено на воду ще кілька подібних апаратів, але роботи були згорнуті через крайню складності розрахунку оптимальної геометрії повітряних каналів. Голландцям же за допомогою сина Матвєєва, Костянтина, випускника МФТІ, а нині професора Університету Вашингтона, вдалося розколоти цей горішок.
Суть технології ACS полягає в створенні повітряно-бульбашкової сорочки в спеціальних каналах на днище судна. Це знижує вязкостной опір руху. Наприклад, пляма контакту з водою у 300-метрового танкера при використанні ACS зменшується на 8000 м2 - це ціле футбольне поле! Повітря подається в канали в носовій частині за допомогою компресора, а відведення «мастила» відбувається природним шляхом в районі корми. Енергоємність ACS невелика - вона відбирає у силової установки не більше 3% потужності, а от зниження витрати палива значне.
Пентамаран
Перше, що кидається в очі, коли дивишся на E / S Orcelle, - його химерний корпус, що складається з п'яти пов'язаних між собою елементів. З точки зору зручності розміщення вантажу полімарани свідомо програють традиційним однокорпусним товстунам. Але розробники E / S Orcelle не ставили перед собою мети заштовхати в пентамаран якомога більше автомобілів. 10 000 штук за одну ходку - цілком пристойна завантаження. Зате при їх перевезенні у навколишнє середовище не буде викинуто ні грама гидоти.
У систему рушіїв E / S Orcelle входять дві поворотні одногвинтові колонки і чотири плавникових модуля, розташовані в донної частини бічних спонсонов. Кожен модуль складається з трьох горизонтальних синхронних плавців крилоподібного перетину. На холостому ходу під напором набігаючих хвиль вони роблять вертикальні коливання і за допомогою гідравлічних мотор-генераторів виробляють енергію. Під навантаженням же плавники коливаються, штовхаючи судно вперед. Цікаво, що в 2005 році, коли проект E / S Orcelle був вперше оприлюднений, ефективність плавникового рушія піддавалася серйозним сумнівам. Тільки в 2008-2009 роках вчені австралійського Університету Перт в кооперації з винахідником-одинаком Пітером Вауд зуміли створити детальну математичну модель плавникової системи, а також побудували і провели цикл успішних випробувань декількох масштабних моделей «плавникових» судів.
При бажанні елементи ACS можна встановлювати на вже працюють посудини довжиною від 275 м. Якщо при цьому замінити стару сіліловую фарбу на інноваційне надміцне покриття Seaflo Neo від японської компанії Chugoku або на бельгійський Hydrex Ecospeed з вінілової смоли зі скляними мікрочешуйкамі, то витрата мазуту може знизитися ще на 3-5%. Технологія ACS довела свою ефективність в ході випробувань 90-метрового судна ACS Demonstrator восени 2009 року в норвезьких фіордах.
електрохімія рулить
Спробуємо розібратися з джерелами енергії. Зараз на ринку домінує флотський мазут. Альтернативний скраплений природний газ (СПГ) займає менше 1% ринку, а екзотичний водень використовується в мікроскопічних дозах експериментальними судами. Але такий розклад, на думку Хенріка Мадсена, президента норвезької суднобудівної компанії Det Norske Veritas (DNV), протримається від сили років десять. З введенням в Північному і Балтійському морях, а також на узбережжі Північної Америки особливих зон із суворим обмеженням шкідливих викидів екологічно чистий СПГ стрімко набирає популярність. DNV і фінська Wartsila одними з перших влилися в «газовий» тренд. DNV лідирує в області проектування супертанкерів і контейнеровозів з газовими силовими установками «під ключ», а Wartsila займається модернізацією діючого парку судів. Фіни вже більше року виробляють зручні Бітоплівние суднові ДВС, однаково ефективно працюють і на мазуті, і на СПГ.
Наступним етапом газифікації морського транспорту стануть гібридні дизель-електричні або чисто електричні силові установки на паливних елементах (ТЕ). Рік тому на шведському автомобілевозі Undine інженери Wartsila успішно протестували генеруючу установку для електропостачання бортових систем на базі пакету ТЕ потужністю 20 кВт. Зараз в процесі сертифікації перебуває могутніша, 50-кіловатна суднова установка WFC50, а в лабораторіях компанії обкатуються мегаватні системи на СПГ.
Хімічна реакція між СПГ і атмосферним киснем дозволяє виробляти електрику безпосередньо - без процесу згоряння і втрат енергії на механічних компонентах. ККД існуючих ТЕ коливається від 55 до 80% в залежності від типу реагентів і електроліту. При цьому кінцеві продукти реакції - енергія і вкрай потрібні на будь-якому кораблі прісна вода і тепло. І ніяких шкідливих викидів, принаймні безпосередньо в точці застосування пристрою.
Надлегкому розвантаженому пентамарану для збереження стійкості взагалі не потрібен баласт. А адже баластні води - один з найсерйозніших чинників забруднення прибережних вод, часто тягне за собою катастрофічні зміни морської флори і фауни. У баластних баках тисяч суден представники однієї екосистеми мігрують в абсолютно чужі їм води. З Японії - до Скандинавії, з Близького Сходу - в Америку. Коли при навантаженні баластних вода зливається, місцева екосистема отримує стрес, зустрічаючи у себе «вдома» мільйони агресивних чужинців. Крім того, тисячі тонн баласту на борту ніяк не сприяють зниженню витрати палива.
Саме з цієї причини газові ПЕ були обрані в якості основного джерела енергії для 40-мегаватної електричної силової установки концептуального контейнеровоза майбутнього Super Eco Ship 2030. Цей проект розроблений конструкторами японської компанії Nippon Yusen і фінськими експертами з Elomatic Marine в 2009 році. Викиди вуглекислого газу у Super Eco Ship 2030 будуть втричі нижче, ніж у сучасних аналогів. А оксидів сірки і азоту не буде виділятися зовсім.
сонячний вітер
Доступний і недорогий СПГ в даний час розглядається інженерами як вимушена заміна дефіцитного водню. Зараз повномасштабне виробництво водню неможливо з технологічних причин, але до 2030 року цей бар'єр сподіваються подолати. Конструктори шведської компанії Wallenius Wilhelmsen Logistics переплюнули японців по креативності. Машина їх мрії - фантастичний п'ятикорпусний автомобілевоз E / S Orcelle 2025 модельного року - буде приводитися в рух енергією з екологічно бездоганних поновлюваних джерел. Першим у цьому списку значиться чистий водень, який отримують шляхом електролізу морської води.
E / S Orcelle - всього лише політ фантазії. Шведи не збираються будувати цей алюмінієво-композитний пентамаран ні в 2025 році, ні пізніше. А шкода: апарат у них вийшов би шалено просунутий. Взяти хоча б оригінальне інженерне рішення сонячних вітрил! Три гігантських складних прямокутних пелюстки з композитних матеріалів розташовуються на верхній палубі E / S Orcelle. У періоди штилю вони ловлять сонячні промені і подають напругу на електролізних установки завдяки спеціальному покриттю з фотоелементів загальної площею 2400 м². Як тільки вітер досягає оптимальних кондицій, вітрила загальній площі 4200 м² піднімаються над палубою, розправляючи складені бічні сегменти і додаючи до потужності судна при швидкості вітру 15 м / с приблизно 7,5 МВт.
У Super Eco Ship 2030 вітрил ще більше - вісім, загальною площею 6000 м². Вони оснащені механізмом веерного складання і при необхідності висуваються з поперечних несучих пілонів даху верхньої палуби. Електронний мозок корабля здатний вичавити з вітру максимум енергії, маніпулюючи вітрилами, як диригент оркестром. В результаті потужність парусної системи Super Eco Ship 2030 може доходити до 3 МВт. А ось фотоелементи на їх поверхні японці вирішили не ліпити. Напевно, з відчуття міри - адже весь купол верхньої палуби площею 31 000 м ² і так є суцільною сонячну батарею. Погожим днем десь в тропіках вона може видавати до 9 МВт. Якщо, звичайно, ККД фотоелементів на той час вдасться підняти з нинішніх 12-18% до 30. Основну ж частку потужності (50 МВт) планується отримувати від паливних елементів на СПГ.
А поки інженери Nippon Yusen змушені наближатися до заповітної мети по-пластунськи. У 2008 році автомобілевоз Auriga Leader з корпоративної флотилії, тягали в Америку новенькі Toyota, був оснащений 328 сонячними панелями. Два роки спостережень дали досить скромні результати - максимальна потужність пакета не перевищувала 40 кВт.
Вітер і сонце, на думку професора Бахера, навряд чи зможуть замінити в судах майбутнього паливні елементи і назавжди залишаться на других ролях. Проте перетворення дармових фотонів і вічного руху атмосфери в електрику внесе серйозний внесок в екологічну реабілітацію морського транспорту.
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2011 ).
Багато це чи мало?