Yhä useammat kaupalliset alukset käyttävät tuuliteknologiaa päästöjen vähentämiseen 

Merenkulkuala löytää tuulen propulsiivisen potentiaalin uudelleen, kun IMO:n kehityskulku kohti vuonna 2050, ja polttoaineiden hintojen nousu korostavat tarvetta vähentää polttoaineen kulutusta ja hiilentuotantoa. Kauppa-alusten toteutettavuutta tutkitaan parhaillaan useissa hankkeissa.

Laivanvartijat satamissa ympäri maailmaa alkavat ihmetellä: Mitkä ovat nuo hassun näköiset rakenteet joidenkin alusten kannella? Korkeat pylväät, jotka näyttävät ylimitoittuneisilta suppiloilta, vai lentokoneen siipiä muistuttavat lisäosat?

He tarkastelevat nykyaikaisia purjeita – innovatiivisia malleja, jotka käyttävät uusimpia tieteellisiä havaintoja alusten kuljettamiseen. Yllättävän monet tuuliavusteiset työntövoimajärjestelmän (WAPS) hankkeet, joita usein tuetaan hallituksen ohjelmilla, ovat muotoutumassa, mikä johtuu siitä, että merenkulkualan on irtauduttava hiilestä. Vaikka on epäselvää, mitä polttoaineita ja teknologioita on käytettävissä hiilineutraalin tulevaisuuden alusten voimanlähteenä ja mitkä ovat kustannukset, tuuliavusteinen käyttövoima on yksi monista tekniikoista, jotka ovat nykyään tulevaisuuteen suuntautuvien sidosryhmien käytettävissä alusten hiilijalanjäljen pienentämiseksi ja ajan ostamiseksi seuraavan sukupolven virtalähteen tunnistamiseksi ja kehittämiseksi.

Uutta kiinnostusta tuuliavusteiseen työntövoimaan

”Viime vuosina on tehty paljon WAPS:n kehitystyötä, jota valtavirta ei ole huomannut”, sanoo DNV:n pääinsinööri Uwe Hollenbach. ”Nyt ala alkaa ymmärtää, että on olemassa rajat sille, mitä voit saavuttaa hitaalla höyrytys ja muilla tehokkuuden parannuksilla – sinun on ajateltava pidemmälle.”

Tuulialoitteita ja yhteisiä hankkeita syntyy kaikkialla. Konferenssit, tutkimukset ja paperit kehottavat merenkulkumaailmaa omaksumaan tuuliavusteisen työntövoiman. IMO päivitti äskettäin EEDI:n ja EEXI:n laskentamenettelyjä, jotta WAPS-järjestelmille koitui enemmän ja realistisempaa hyötyä.

Uudet lautamateriaalit ja virtuaalinen mallinnus maksimoivat tehokkuustasot

Tässä segmentissä on ehdottomasti uusi dynamiikka ja todellakin uusi vakavuuden tunne. ”Tuuli on ehtymätön energialähde – ehkä hieman satunnainen, mutta ehdottomasti tarpeeksi voimakas harkitsemaan uudelleen”, sanoo DNV: n johtava purjehdusasiantuntija, vanhempi pääinsinööri Hasso Hoffmeister. ”Tuulen kanssa ei periaatteessa voi mennä pieleen – se on ilmainen, se on hiilineutraali, ja nykyään on saatavana useita jälkiasennusvaihtoehtoja, joista monet on melko helppo asentaa. Lisäksi tuuli on aina saatavilla sopivilla alueilla maksutta – se antaa sinulle tietyn suunnittelun luotettavuuden ja riippumattomuuden palavien polttoaineiden tarjonnasta ja hintavaihteluista.”

Purjehdus- ja nestedynamiikan asiantuntijat, erityisesti Yacht racing -alalla työskentelevät asiantuntijat, ovat kehittäneet ja jalostaneet innovatiivisia purjejärjestelmiä. Kehittyneet, kevyet materiaalit sekä virtuaalinen mallinnus ja simulointi ovat mahdollistaneet niiden ennätystehokkuuden saavuttamisen ja osoittamisen. Anturijärjestelmät ja tietokoneet optimoivat kehittyneiden nykyaikaisten tuulen työntövoimalaitteiden käsittelyn ja hallinnan. Nykyään saatavilla olevat kypsät teknologiat tekevät lisätuulen käyttövoimasta realistisen ja toteuttamiskelpoisen vaihtoehdon rahtialuksille.

Tuulen käyttövoiman kannalta olennaiset näkökohdat

Tuuliavusteista työntövoimaa harkittaessa on otettava huomioon muutamia perustekijöitä, Uwe Hollenbach sanoo:

– Toiminta-alueen tulisi olla riittävän tuulinen. Trooppisten vesien tuulet ovat yleensä vähemmän luotettavia kuin keski- ja korkeammat leveysasteet.

– Jotkut alustyypit soveltuvat wapsille paremmin kuin toiset. Pienemmät alukset voivat valita laajemmasta järjestelmävalikoimasta. Suuremmat alukset ovat usein rajoitetumpia, koska ilmanveto vähentää purjejärjestelmien tehokkuutta. Kansilastia kuljettavat alukset vaativat uusia konsepteja purjejärjestelmien tehokkaaseen järjestämiseen.

– Sääreititys lisää WAPS:n tehokkuusetuja.

– Vaarojen tunnistamista koskeva tutkimus (HAZID) on erittäin suositeltavaa ennen WAPS-hankkeen käynnistämistä. Mastojen ja purjeiden on tyhjennettävä sillat ja nosturit sekä suojattava ankarilta sää- ja meriolosuhteilta. Ne vaikuttavat aluksen toimintaan ja käsittelyyn, näkökenttään ja turvallisuuteen.

– Uusien rakennusten suunnittelu WAPS: lle on parempi kuin jälkiasennus; sen avulla suunnittelijat voivat sisällyttää vakautta ja tehokkuutta sekä sähköenergian tarpeet ja sisällyttää WAPS: n osana hybridimoottorijärjestelmää, jotta investoinnit voidaan hyödyntää mahdollisimman hyvin

Näiden tekijöiden vuoksi olemassa olevien alusten, joilla on tuuliavusteisilla käyttövoimajärjestelmillä, ilmoittamat polttoainesäästöt ja päästövähennysarvot vaihtelevat suuresti. ”DNV:llä on kattava tuuliosaaminen ja simulointityökalut. Itsenäisenä kolmantena osapuolena voimme ennustaa ehdotetun mallin lisävoiman ja polttoaineen säästöt ja laskea EEDI: n tai EEXI: n”, Hasso Hoffmeister sanoo. DNV on kehittänyt standardin WAPS-järjestelmien sertifioinnille ja myöntänyt luokan hyväksynnät periaatteessa (AiP) useille markkinoilla oleville WAPS-järjestelmille.

Roottoripurjeet – todistettu tekniikka

Suosituin ja vähiten riskialtis WAPS-tekniikka, joka on nykyään saatavilla kaupallisille aluksille, ovat roottoripurjeet, joita kutsutaan myös Flettner-purjeiksi 1920-luvun keksijän jälkeen, hoffmeister sanoo. Huipputason tietokoneohjatut toteutukset ovat tuottaneet polttoainesäästöjä 4,5 prosenttia ja voivat nousta 25 prosenttiin pienemmillä aluksilla. Roottoripurjeet on suhteellisen helppo jälkiasentaa lautoille, autonkuljetusaluksiin, monitoimialuksiin, irtolastialuksiin ja säiliöaluksiin.

Esimerkiksi Norsepower asensi tuotesäiliöalukseen kaksi DNV-sertifioitua roottoripurjetta, mikä mahdollistaa 8,2 prosentin polttoainesäästöt. Sen jälkeen kaksi hybridilautaa on saanut DNV-sertifioituja flettnerejä, ja suurimmalla roottoripurjeilla varustetulla aluksella, irtolastialuksella, on viisi yksikköä, jotka voidaan kallistaa alas rahtitoimintaa varten. Sen arvioitu polttoainesäästö on 8 prosenttia. DNV-luokan RoRo-kuljetusalus SC Connectorin kaksi flettneriä, jonka odotetaan vähentävän aluksen päästöjä 25 prosenttia, voidaan myös kallistaa, jotta alus pääsee kulkemaan siltojen alla. Varmennusmittaukset ovat käynnissä.

Eco Flettner saavutti keskimääräiset polttoainesäästöt 10–20%

Eco Flettnerin ensimmäinen projekti, MPV Fehn Pollux yhdellä roottoripurjeella, ylitti kaikki odotukset jopa 10–12 prosentin keskimääräisillä polttoainesäästöillä. Toinen Flettner-yhteisön pelaaja, Lontoossa sijaitseva Anemoi Marine Technologies Ltd., on jälkiasennettu neljä roottoripurjetta irtolastialukselle ja käy läpi myös DNV: n sertifiointiprosessin. Liukukiskoihin asennetut roottorit voivat siirtyä pois laiturinosturien tieltä. Flettner-periaate on saamassa suosiota: DNV myönsi äskettäin tekoälyn DSME: n korealaiselle roottoripurjejärjestelmälle.

Kilpa-autotekniikka vähentää kaupallisten alusten hiilidioksidipäästöjä

Samaan aikaan alun perin kilpa-ajoon keksityt innovatiiviset purjetyypit ovat saapuneet rahtilaiva-areenalle, ja suuret varustamot osoittavat halukkuutta antaa näille teknologioille mahdollisuus. BAR Technologies Portsmouthissa, Isossa-Britanniassa ja Yara Marine Technologies ovat kehittäneet vankan siipipurjejärjestelmän nimeltä WindWings, joka sai DNV AiP: n marraskuussa 2021. Lentokoneen siipien mukaan mallinnettu WindWings on suunniteltu asennettavaksi 2-5 hengen ryhmiin ja ne ovat täysin tietokoneohjattuja. BAR Technologiesin mukaan ne voivat vähentää aluksen _{hiilidioksidipäästöjä} keskimäärin jopa 30 prosenttia.  

Uuden tuulivoiman käyttövoimateknologian kehittäminen meriteollisuudelle, jossa turvallisuus on tietenkin ensiarvoisen tärkeää, ei ole yksinkertainen tehtävä. Työskentely DNV: n kanssa WindWingsin varhaisimmissa asennuksissa on ollut meille erittäin tärkeää ja hyödyllistä. Tekoälyn ja suunnitteluhyväksyntöjen ammatillinen lähestymistapa ja rakenne on keskittänyt työmme suorituskyvyn lisäksi luotettavuuteen ja turvallisuuteen.

John Cooper, BAR Technologiesin toimitusjohtaja.

WindWings on kokoontaitettava, jotta alus voi kulkea siltojen alla ja varmistaa vapaan pääsyn rahtiluukkuihin. BAR Tech, monikansallinen elintarvikeyhtiö Cargill ja muut ovat muodostaneet kumppanuuden ensimmäisen WindWingsin jälkiasentamiseksi suurelle Cargill-kuivalastialukselle loppuvuodesta 2022. Cargill on ilmoittanut suunnitelmistaan vuokrata ainakin 20 uutta tuuliavusteista alusta lähivuosina.

Siipipurjeet voivat pienentää ympäristöjalanjälkeä jopa 45 %

DNV myönsi tekoälyn myös VPLP Designin kehittämälle AYRO Oceanwings 3.6.3 -tuuliavustetulle propulsiojärjestelmälle. Vuonna 2022 toimitettavaksi suunnitellussa 121-metrisessä RoRo-aluksessa on neljä automatisoitua Oceanwings-siipipurjetta. Niiden odotetaan pienenevän aluksen ympäristöjalanjälkeä 20–45 prosenttia.

Walleniuksen ja Alfa Lavalin yhteisyritys AlfaWall Oceanbird kehittää lentokoneiden siipityyppisiä jäykkiä siipipurjeita tuulen työntövoimaa ja tuuliapua varten. Koko Oceanbird-konsepti, joka sisältää siipipurjeet, erityisesti suunnitellut runko- ja nopeus-/reittisuositukset, pystyy vähentämään päästöjä jopa 90 prosenttia. ”Niin paljon on muuttunut teknologian myötä sen jälkeen, kun viimeksi tarkastelimme purjevoimaa työntövoimaksi”, AlfaWall Oceanbirdin toimitusjohtaja Niclas Dahl pohtii. ”Automaatio, anturit, materiaaliteknologiat, reittisuunnittelu, sääennusteet, kaikki tämä yhdessä mahdollistaa tuulen työntövoiman tarkastelemisen täysin uudessa valossa. Sen avulla voimme tehdä asioita, joita emme olisi voineet tehdä 15 vuotta sitten.”

Cousteaun osoittama: imusiivet

Imusiiven purjeet lisäävät ilmatyynyn ”nostovaikutusta” käyttämällä siiven sisällä olevaa tuuletinta imemään ilmaa sen ympärillä olevilla rajakerroksista pienten reikien matriisin läpi. Teknologia, jonka Jacques-Yves Cousteau toteutti onnistuneesti alcyone-aluksellaan, on optimoitu eConowindilla. Kaksi liikkuvaa konttiin asennettua yksikköä on kalustettu kahdelle yleisrahtialuksesta, ja vastaavia hankkeita on toteutettu Espanjassa.

Leijat ovat palanneet

Leijat näkevät renessanssin: Kuuden kuukauden merikokeilu innovatiivisesta automatisoidusta leijapurjeesta alkaa jonkin aikaa vuonna 2022, kun Airbus-spin-off Airseas ottaa käyttöön puolikokoisen Seawing-demonstraatioleijan RoRo-aluksella. Lng-käyttöinen irtolastialus, jossa on Seawing-leijajärjestelmä, on tarkoitus toimittaa vuonna 2024.

Leijoja pidetään erittäin tehokkaana tapana käyttää tuulen voimaa. Airbus spin-off Airseas ottaa käyttöön puolikokoisen Seawing-demonstrointileijan RoRo-aluksella vuonna 2022.

Vihreät rahoittajat, kuten tuulen työntövoima

Kun kaikkien näiden ja muiden WAPS-projektien tulostiedot tulevat, on kiehtovaa nähdä rahalliset edut mustana valkoisella. Lisäksi tuuliavusteinen työntövoima voi tehdä uudisrakennushankkeesta houkuttelevamman vihreille rahoitusjärjestelmille. Hiiliverotus ja hiilestä irtautumisen tavoitteiden tiukentaminen lisäävät tuulivoiman vetovoimaa. Hyvä uutinen on DNV:n merenkulun maailmanlaajuisen neuvonantajan Jan-Henrik Hübnerin mukaan se, että taloudellinen toteutettavuusraja on jo saavutettu ja ylitetty, kun otetaan huomioon nykyiset polttoaineen hinnat ja WAPS-teknologioiden kypsyys: ”Jokainen tonni polttoainetta, jota operaattorin ei tarvitse ostaa, on ylimääräistä voittoa.” Tuuli on loppujen lopuksi rahaa!