Мазут не тонет: флот

Мазут не тонет: флот

С точки зрения обывателя, часами задыхающегося в городских пробках, главные экологические «неряхи» на планете — автомобили. Скажу вам по секрету: автомобили всех мастей просто благоухают в сравнении с морскими судами. Вот им-то давно пора основательно почистить перышки, а заодно и умерить аппетит.

Морской транспорт обеспечивает 90% мирового грузо­оборота. Да, он довольно медленный, зато чертовски надежный и дешевый. Танкеры, балкеры, контейнеровозы, сейнеры и другие посудины перевозят в четыре раза больше товаров, чем грузовики, в шесть раз больше, чем железная дорога, и в 400 раз больше, чем грузовая авиация. 90 000 мор­ских судов ежегодно пережевывают 370 млн тонн тяжелого флотского мазута и только по выбросам сернистых соединений превосходят автопарк планеты в 260 раз.

Maersk triple-e станет крупнейшим в мире контейнерозовом (400 м), на 2,29 м опередив нынешнего лидера Emma Maersk и на 40 м — крупнейшее пассажирское судно Oasis of the Seas. Лидерство в абсолютном зачете удерживает танкер Seawise Giant. Новый класс судов будет чрезвычайно конкурентоспособен. Стоимость доставки одного контейнера из Азии до Северной Европы, складывающаяся из цены топлива, расходов на эксплуатацию, портовых сборов, сборов за проход по каналам и амортизации судна, у Triple-E обещает быть на 26% ниже, чем у конкурентов.

Более того, ситуация с экологией имеет тенденцию к ухудшению. По оценке профессора Хенрика Бахера, вице-президента консалтинговой компании Elomatic Marine, благодаря экономическому буму в Азии интенсивность морского судоходства в ближайшие 30 лет вырастет как минимум вдвое. Несмотря на то что доставка тонны груза морем требует в среднем в четыре раза меньше топлива, чем при автоперевозках, бешеный спрос на бункерный мазут неизбежно унесет нефтяные котировки в стратосферу. Туда же, в стратосферу, поднимется гигантское облако выхлопных газов, если, конечно, не предпринять превентивные меры по снижению энергоемкости морских перевозок. И они предпринимаются, причем не политиками, а самими перевозчиками.

Матрос эволюции

В 2013—2015 годах датская компания Maersk получит от Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering десять контейнеровозов нового класса под названием Triple-E, оснащенных сдвоенными 910-тонными низкооборотными дизельными двигателями MAN мощностью 43 000 л.с. Triple-E будут крупнейшими в мире судами. При длине 400 и ширине 59 м они смогут перевозить в своем чреве до 18 000 20-футовых контейнеров. Много это или мало? Если по­гру­зить их на железнодорожный состав, то длина стальной змеи составит 110 км, а если поставить друг на друга, крыша «небоскреба» достигнет высоты 47 км. Но не это главное. Суда класса Triple-E беспрецедентно экономичны.

Японцы и финны подробно расписали, за счет чего стальной гигант Super Eco Ship 2030 потеряет лишние килограммы, а заодно сэкономит своим владельцам кучу денег только на материалах. Более тонкий прокат из напряженной стали и применение композитных материалов для изготовления вспомогательных элементов сделают суперсудно легче на 3000 т. 5000 т уйдет в минус за счет инновационной закрытой архитектуры корпуса, исключения из силового каркаса большей части стальных переборок и облегченного погрузочно-разгрузочного оборудования. Замена традиционной силовой установки на модули из топливных ячеек и электрические движители даст еще 3000 т экономии. Превосходная экономичность Super Eco Ship 2030 позволит сделать газовые бункера легче на 2500 т, а если к 2030 году будут разработаны облегченные контейнеры, то общая масса перевозимого груза снизится еще на 8000 т. В итоге полная масса судна будет снижена на 20%, а дополнительный выигрыш по выбросам углекислого газа составит 9%.

Силовая установка Triple-E будет оснащаться системой рекуперации тепловой энергии, которая состоит из теплообменников, бойлеров и парового турбогенератора. Система позволит извлекать и превращать в электричество до 10% избыточной тепловой энергии, содержащейся в выхлопных газах. Гидродинамическое сопротивление движителей Triple-E на 15%, а масса силовой установки на 300 т ниже, чем у Emma Maersk. Кроме того, максимальная скорость гиганта намеренно снижена до 23 узлов против 25 у Emma, а значит, для движения «на всех парах» ему потребуется всего 65−70 МВт мощности. С точки зрения «чайника», изменение совсем небольшое. На самом же деле из-за этих лишних пары узлов 396-метровая Emma, несущая «всего» 15 500 контейнеров, потребляет на 10−15 МВт больше. Иными словами, на 1 кВт•ч энергии Triple-E способен переместить тонну груза на 184, а Emma — на 120 км (грузовой авиагигант на базе Boeing-747 на одном киловатт-часе пронесет тонну груза всего на 500 м).

Важнейшее преимущество системы воздушной смазки ACS состоит в том, что ее можно устанавливать на уже построенные суда, не рассчитанные на ее использование. Однако наиболее эффективно работают системы, изначально заложенные в конструкцию судна. Пузырьки воздуха создают в специальных продольных каналах днища слой «воздушной смазки», существенно снижая гидродинамическое сопротивление судна. При этом расход энергии на накачку воздуха компрессором намного меньше, чем экономия от эффективного скольжения.

Тягаться с датчанами нынешним «балкерам-обжорам» будет непросто. Впрочем, у них есть отличный шанс обрести второе дыхание и бороздить просторы океана еще десяток лет после фирменного тюнинга от инжиниринговой компании DK Group из Роттердама. Пример Maersk Triple-E наглядно демонстрирует возможность снижения расхода топлива на 20−35% без радикальных изменений конструкции судов и использования экзотических силовых установок.

Основатель DK Group Йорн Винклер выделяет несколько факторов экономичности. Во‑первых, это увеличение коэффициента наполняемости судна за счет более широкого U-образного корпуса. Во‑вторых, снижение средней скорости перевозок до 20 узлов. Сравнительно медленный ход судна компенсирует ухудшение обтекаемости «скуластого корпуса» и позволяет двигателям работать в опти­маль­ном диапазоне оборотов. В-третьих, повышение эффективности силовой установки за счет использования более совершенных движителей и систем рекуперации тепловой энергии выхлопных газов. В-четвертых, применение устойчивых к биозагрязнению гидрофобных по­кры­тий корпуса, снижающих вязкостное сопротивление и затраты на обслуживание и доковый ремонт.

Из России с любовью

Еще 7−15% экономии топлива может добавить применение патентованной системы воздушной смазки Air Cavity System (ACS), созданной DK Group в кооперации с датской FORCE Technology. Интересно, что первые опыты по уменьшению площади мокрого контакта путем создания воздушного слоя на днище судна были проведены в Ленинграде коллективом под руководством конструктора Матвеева в середине 1960-х. А в 1972 году в Горьком был построен и испытан экспериментальный скоростной катер с воздушной смазкой. В дальнейшем в СССР было спущено на воду еще несколько подобных аппаратов, но работы были свернуты из-за крайней сложности расчета оптимальной геометрии воздушных каналов. Голландцам же с помощью сына Матвеева, Константина, выпускника МФТИ, а ныне профессора Университета Вашингтона, удалось расколоть этот орешек.

Суть технологии ACS заключается в создании воздушно-пузырьковой рубашки в специальных каналах на днище судна. Это снижает вязкостное сопротивление движению. К примеру, пятно контакта с водой у 300-метрового танкера при использовании ACS уменьшается на 8000 м2 — это целое футбольное поле! Воздух подается в каналы в носовой части с помощью компрессора, а отвод «смазки» происходит естественным путем в районе кормы. Энергоемкость ACS невелика — она отбирает у силовой установки не более 3% мощности, а вот снижение расхода топлива значительное.


Пентамаран

Первое, что бросается в глаза, когда смотришь на E/S Orcelle, — его причудливый корпус, состоящий из пяти связанных между собой элементов. С точки зрения удобства размещения груза полимараны заведомо проигрывают традиционным однокорпусным толстякам. Но разработчики E/S Orcelle не ставили перед собой цели затолкать в пентамаран как можно больше автомобилей. 10 000 штук за одну ходку — вполне приличная загрузка. Зато при их перевозке в окружающую среду не будет выброшено ни грамма гадости.

В систему движителей E/S Orcelle входят две поворотные одновинтовые колонки и четыре плавниковых модуля, расположенные в донной части боковых спонсонов. Каждый модуль состоит из трех горизонтальных синхронных плавников крыловидного сечения. На холостом ходу под напором набегающих волн они совершают вертикальные колебания и посредством гидравлических мотор-генераторов вырабатывают энергию. Под нагрузкой же плавники колеблются, толкая судно вперед. Интересно, что в 2005 году, когда проект E/S Orcelle был впервые обнародован, эффективность плавникового движителя подвергалась серьезным сомнениям. Только в 2008—2009 годах ученые австралийского Университета Перт в кооперации с изобретателем-одиночкой Питером Ваудом сумели создать детальную математическую модель плавниковой системы, а также построили и провели цикл успешных испытаний нескольких масштабных моделей «плавниковых» судов.


При желании элементы ACS можно устанавливать на уже работающие посудины длиной от 275 м. Если при этом заменить старую силиловую краску на инновационное сверхпрочное покрытие Seaflo Neo от японской компании Chugoku или на бельгийский Hydrex Ecospeed из виниловой смолы со стеклянными микрочешуйками, то расход мазута может снизиться еще на 3−5%. Технология ACS доказала свою эффективность в ходе испытаний 90-метро­во­го судна ACS Demonstrator осенью 2009 года в норвежских фьордах.

Электрохимия рулит

Попробуем разобраться с источниками энергии. Сейчас на рынке доминирует флотский мазут. Альтернативный сжиженный природный газ (СПГ) занимает менее 1% рынка, а экзотический водород используется в микроскопиче­ских дозах экспериментальными судами. Но такой расклад, по мнению Хенрика Мадсена, президента норвежской судостроительной компании Det Norske Veritas (DNV), продержится от силы лет десять. С введением в Северном и Балтийском морях, а также на побережье Северной Америки особых зон со строгим ограничением вредных выбросов экологически чистый СПГ стремительно набирает популярность. DNV и финская Wartsila одними из первых влились в «газовый» тренд. DNV лидирует в области проектирования супертанкеров и контейнеровозов с газовыми силовыми установками «под ключ», а Wartsila занимается модернизацией дей­ству­ю­ще­го парка судов. Финны уже более года производят удобные битопливные судовые ДВС, одинаково эффективно работающие и на мазуте, и на СПГ.

Следующим этапом газификации морского транспорта станут гибридные дизель-электрические или чисто электрические силовые установки на топливных элементах (ТЭ). Год назад на шведском автомобилевозе Undine инженеры Wartsila успешно протестировали генерирующую установку для электроснабжения бортовых систем на базе пакета ТЭ мощностью 20 кВт. Сейчас в процессе сертификации находится более мощная, 50-киловаттная судовая установка WFC50, а в лабораториях компании обкатываются мегаватт­ные системы на СПГ.

Химическая реакция между СПГ и атмосферным кислородом позволяет вырабатывать электричество напрямую — без процесса сгорания и потерь энергии на механических компонентах. КПД существующих ТЭ колеблется от 55 до 80% в зависимости от типа реагентов и электролита. При этом конечные продукты реакции — энергия и крайне нужные на любом корабле пресная вода и тепло. И никаких вредных выбросов, по крайней мере непосредственно в точке применения устройства.

Сверхлегкому разгруженному пентамарану для сохранения устойчивости вообще не нужен балласт. А ведь балластные воды — один из самых серьезных факторов загрязнения прибрежных вод, зачастую влекущий за собой катастрофические изменения морской флоры и фауны. В балластных баках тысяч судов представители одной экосистемы мигрируют в совершенно чуждые им воды. Из Японии — в Скандинавию, из Ближнего Востока — в Америку. Когда при погрузке балластная вода сливается, местная экосистема получает стресс, встречая у себя «дома» миллионы агрессивных чужаков. Кроме того, тысячи тонн балласта на борту никак не способствуют снижению расхода топлива.

Именно по этой причине газовые ТЭ были выбраны в качестве основного источника энергии для 40-мегаваттной электрической силовой установки концептуального контейнеровоза будущего Super Eco Ship 2030. Этот проект разработан конструкторами японской компании Nippon Yusen и финскими экспертами из Elomatic Marine в 2009 году. Выбросы углекислого газа у Super Eco Ship 2030 будут втрое ниже, чем у современных аналогов. А оксидов серы и азота не будет выделяться вовсе.

Солнечный ветер

Доступный и недорогой СПГ в настоящее время рассматривается инженерами как вынужденная замена дефицитному водороду. Сейчас полномасштабное производство водорода невозможно по технологическим причинам, но к 2030 году этот барьер надеются преодолеть. Конструкторы шведской компании Wallenius Wilhelmsen Logistics переплюнули японцев по креативности. Машина их мечты — фантастический пятикорпусный автомобилевоз E/S Orcelle 2025 модельного года — будет приводиться в движение энергией из экологически безупречных возобновляемых источников. Первым в этом списке значится чистый водород, получаемый путем электролиза морской воды.

E/S Orcelle — всего лишь полет фантазии. Шведы не собираются строить этот алюминиево-композитный пентамаран ни в 2025 году, ни позже. А жаль: аппарат у них получился бы безумно продвинутый. Взять хотя бы оригинальное инженерное решение солнечных парусов! Три гигантских складных прямоугольных лепестка из композитных материалов располагаются на верхней палубе E/S Orcelle. В периоды штиля они ловят солнечные лучи и подают напряжение на электролизные установки благодаря специальному покрытию из фотоэлементов общей площадью 2400 м². Как только ветер достигает оптимальных кондиций, паруса общей площадью 4200 м² поднимаются над палубой, расправляя сложенные боковые сегменты и добавляя к мощности судна при скорости ветра 15 м/с примерно 7,5 МВт.

У Super Eco Ship 2030 парусов еще больше — восемь, общей площадью 6000 м². Они оснащены механизмом веерного складывания и при необходимости выдвигаются из поперечных несущих пилонов крыши верхней палубы. Электронный мозг корабля способен выжать из ветра максимум энергии, манипулируя парусами, как дирижер оркестром. В итоге мощность парусной системы Super Eco Ship 2030 может доходить до 3 МВт. А вот фотоэлементы на их поверхности японцы решили не лепить. Наверное, из чувства меры — ведь весь купол верхней палубы площадью 31 000 м² и так представляет собой сплошную солнечную батарею. Погожим деньком где-нибудь в тропиках она может выдавать до 9 МВт. Если, конечно, КПД фотоэлементов к тому времени удастся поднять с нынешних 12−18% до 30. Основную же долю мощности (50 МВт) планируется получать от топливных элементов на СПГ.

А пока инженеры Nippon Yusen вынуждены приближаться к заветной цели по‑пластунски. В 2008 году автомобилевоз Auriga Leader из корпоративной флотилии, таскавший в Америку новенькие Toyota, был оснащен 328 солнечными панелями. Два года наблюдений дали весьма скромные результаты — максимальная мощность пакета не превышала 40 кВт.

Ветер и солнце, по мнению профессора Бахера, вряд ли смогут заменить в судах будущего топливные элементы и навсегда останутся на вторых ролях. Тем не менее превращение дармовых фотонов и вечного движения атмосферы в электричество внесет серьезный вклад в экологическую реабилитацию морского транспорта.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2011).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.