由于国际海事组织(IMO)迈向2050年轨迹,以及不断上涨的燃料价格导致减少燃料消耗与碳排放的需要,航运业正在重新挖掘风力推动的潜能。目前正在进行中的多个项目对商船利用风能的可行性开展研究。

世界各地港口的船舶观测者都在纳闷:有些船舶的甲板上,那些看上去有点滑稽的构造是什么?高大的柱状物看起来像尺寸超标的烟囱,或者让人联想起飞机的机翼。

他们看到的是现代的风帆,这是运用最新科学发现推动船舶的创新设计。由于航运业认识到脱碳的必要性,目前产生了数量惊人、种类繁多的风力辅助推进系统(WAPS)项目,这些项目通常得到了政府支持。虽然眼下还不清楚,未来碳中和背景下有哪些驱动船舶的燃料和技术,成本会是多少,但对于有远见的利益相关方来说,风力辅助推进技术已经成为减少船舶碳足迹的技术之一,也为确定和开发下一代动力源赢得了时间。

对风力辅助推进重拾兴趣

“近年来已经开展了大量的WAPS开发工作,但大部分不为主流市场所知”,DNV首席工程师Uwe Hollenbach表示,“现在这个行业开始意识到,降速航行和其他效率增强方式的效果有限,你必须想得更远。”

致力于风能的倡议和联合项目不断涌现。各类大会、研究和论文推动航运业界迎接风力辅助推进的到来。IMO近期更新了EEDI和EEXI的计算模式,让WAPS系统能发挥更大的现实效益。

新风帆材料和虚拟建模实现效率水平最大化

这一领域肯定会出现新的动态,而且是件严肃的事。“风力是一种用之不竭的能源 — 可能有些不稳定,但足够强大,值得我们重新考虑”,DNV顶级帆船专家、高级首席工程师Hasso Hoffmeister说,“你基本上不会在风能上出错 — 免费、零碳,而且有很多改造方案可供选择,其中不少都易于安装。此外,在合适的地区,总能获得零成本的风能 — 它提供了一定的规划可靠性,不再受制于燃烧燃料的供应和价格波动。”

帆船和流体动力学专家、尤其是从事赛艇领域的专家一直在开发和改进创新风帆系统。通过先进的轻量化材料和虚拟建模仿真,实现和展示了前所未有的效率水平。传感器系统与计算机对复杂的现代风力推进装置的处理与控制加以优化。目前成熟的技术使辅助风力推进成为货轮现实可行的选择之一。

风力推进的基本考量因素

在Uwe Hollenbach看来,考虑采用风力辅助推进时,需要考量以下基本因素:

- 运营地区应具备足够的风力。相比中高纬度地区,热带地区的风力不够可靠。

- 小型船舶可选择的系统更多。但大型船舶往往受到限制,因为空气阻力降低了风帆系统的效率。装载甲板货物的船舶也需要高效布置风帆系统的新理念。

- 天气导航有助于提升WAPS效率。

- 在启动WAPS项目前,强烈建议开展危害识别研究(HAZID)。桅杆和风帆必须远离驾驶台和吊杆,并保护其免受恶劣天气和海况的影响。否则会影响船舶的操控和装卸、视线及安全。

- 新船规划WAPS的效果要优于改造,设计师可以考虑稳性、效率以及电力需求,并将WAPS纳入混动推进系统,实现投资效益最大化。

由于这些因素,在现有采用风力辅助推进系统的船舶中,燃料节省和减排数值的差异很大。“DNV拥有全面的风能专业知识和模拟工具。作为独立第三方,我们能够预测设计方案的辅助推进功率和燃料节省情况,并计算EEDI或EEXI”,Hasso Hoffmeister说。DNV已经制订了WAPS系统认证标准,并对市场上很多WAPS系统授予了AiP(原则性认可证书)。

基于DNVST­0511标准的DNV船级标识WAPS,用于风力辅助推进系统,涵盖了诸多常见的风帆类型。

旋翼帆技术已得到证实

目前商船上最受欢迎也是风险最小的WAPS技术是旋翼帆,也被称为福莱特纳帆,以上世纪二十年代的发明者命名,Hoffmeister说。在小型船舶上安装旋翼帆,通过先进的计算机控制技术实现了4.5%的燃料节省,最高可达25%。渡船、汽车船、多用途船、散货船和油船上的旋翼帆改造相对简单。

18米的“经济型福莱特纳”旋翼帆最高可节省20%的燃料。

例如,Norsepower在一艘成品油船上改造了两台DNV认证的旋翼帆,节约了8.2%的燃料消耗。之后,有两艘混动渡船安装了DNV认证的福莱特纳旋翼帆。目前为止安装旋翼帆的最大船舶是一艘散货船,共安装了五台,旋翼帆在货物装卸时可以放倒,预计可节省8%的燃料消耗。DNV入级的滚装船“SC Connector”安装了两台福莱特纳旋翼帆,预计将减少25%的排放,船舶通过大桥时可以放倒帆。目前验证测量工作正在进行中。

“经济型福莱特纳”平均节省10-20%的燃料消耗

“经济型福莱特纳”的首个应用项目是多用途船“Fehn Pollux”,该船安装了一台旋翼帆,其平均燃料节省高达10-12%,超出了所有人的预期。福莱特纳大家庭的另一个成员,是伦敦的Anemoi海事技术公司在一艘散货船上改建了四台旋翼帆,并同样通过了DNV认证。旋翼帆安装在滑轨上,可以避开码头吊杆。“福莱特纳”原理越来越普及:DNV近期为韩国大宇造船海洋株式会社开发的旋翼帆系统授予了原则性认可证书。

运用帆船竞赛技术减少商船的碳排放

与此同时,最初为帆船竞赛发明的创新风帆类型已经进入了商船货运领域,主要航运公司都对运用这些技术表示意愿。英国朴茨茅斯的BAR技术公司以及Yara海运技术公司开发了名为“风翼”的固体翼帆系统,并于2021年11月获得了DNV的原则性认可证书。这种模仿飞机机翼的翼帆设计为两组到五组,完全由计算机控制。据BAR技术公司介绍,平均可以减少船舶30%的二氧化碳排放。

“为海事行业开发新的风力推进技术并非易事,因为安全处于最重要的地位。在‘风翼’的早期安装中,与DNV的合作非常重要,我们获益良多。通过原则性认可的专业方法和架构以及设计审批,我们的工作不仅确保绩效,还注重可靠性与安全性”,BAR技术公司首席执行官John Cooper表示。

“风翼”可以折叠,能让船舶通过桥梁,并确保货舱口的自由出入。BAR技术公司与跨国食品巨头嘉吉等公司建立了合作关系,将于2022年底在嘉吉一艘大型干散货船上改造首台“风翼”。嘉吉宣布,计划在未来几年中租赁20艘以上的新型风力辅助船。

翼帆可减少高达45%的环境足迹

DNV还向VPLP设计公司开发的AYRO海翼3.6.3风力辅助推进系统授予了原则性审批证书。这艘121米长的滚装船计划于2022年交付,将配备四台自动化“海翼”翼帆,预计该船的环境足迹将减少20-45%。

AlfaWall Oceanbird是华轮威尔森和阿法拉伐组建的合资公司,从事风力推进和风力辅助的飞机机翼型刚性翼帆的开发工作。整个“海鸟”概念包括了翼帆、特殊设计的船体和航速/航线推荐,能减少最多90%的排放。“从上一次着手研究风帆动力以来,技术已经大为改观”,该公司董事总经理Niclas Dahl介绍,“自动化、传感器、材料技术、航线规划、天气预报,所有这些结合在一起,让我们从全新的角度审视风力推进。我们可以做15年前不可能做的事情。”

Cousteau演示吸力翼帆

吸力翼帆是指利用内部的风扇、通过开孔矩阵吸入周围的空气,从而产生翼帆的“抬升”效应。这项技术由Jacques-YvesCousteau在他的“Alcyone”船上首次成功应用,并得到了eConowind的优化。目前在两艘普通货船上安装了两台移动箱式装置,类似项目也在西班牙落地。

风筝归来

风筝正在迎来复兴:2022年,一种创新的自动化风筝帆将开展为期半年的海上试航,空客公司的子公司Airseas将在一艘滚装船上布置半幅尺寸的“海翼”演示风筝。另有一艘安装海翼风筝系统的LNG动力散货船计划于2024年交付。

风筝被视为一种非常有效的风能利用方式。2022年,空客公司旗下的Airseas将在一艘滚装船上布置半幅尺寸的“海翼”演示风筝。

绿色融资青睐风力推进

随着所有WAPS项目绩效数据的出炉,产生的经济效益也会相当可观。而且新造船采用风力辅助推进对于绿色融资计划来说更具吸引力。征收碳税以及不断收紧的脱碳目标会增强风力推进的吸引力。在DNV全球航运咨询总监Jan-Henrik Hübner看来,鉴于当前燃料价格高企而WAPS技术已经成熟,技术可行性方面已经不存在壁垒,这是一个好消息:“运营商无需购买的每一吨燃料都是额外的利润”。毕竟,风力就是金钱!