ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΟΙΩΝ

Περί Αλός

Υπ. Δρ. Ιωάννης Δάγκινης, Δρ. Νικήτας Νικητάκος

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ

Τμήμα Ναυτιλίας & Επιχειρηματικών Υπηρεσιών

Δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Maritech News,

τεύχος 18, ΜΑΡΤ-ΑΠΡ 2012. Αναδημοσίευση

στο Περί Αλός με την έγκριση των συγγραφέων.

 

Εικόνα 7: 

Azimuth thruster ΦΩΤΟ:

http://www.nauticexpo.com/

Το φαινόμενο του θερμοκηπίου που οδηγεί στην υπερθέρμανση του πλανήτη είναι σχεδόν καθημερινό θέμα συζήτησης στα μέσα ενημέρωσης. Τα αίτια δημιουργίας του φαινομένου και τα αποτελέσματα που προκύπτουν από αυτό οφείλονται σε πολλές από τις ανθρώπινες δραστηριότητες. Έτσι για την πρόληψη και τον περιορισμό του φαινομένου στο πλαίσιο μιας πράσινης ανάπτυξης, καθημερινά λαμβάνονται αποφάσεις για τον περιορισμό της κατανάλωσης καυσίμων, όπως ο σχεδιασμός και η επιλογή της θέρμανσης που θα εγκατασταθεί σε ένα νέο σπίτι ή πόση θα είναι η κατανάλωση ενός αυτοκινήτου κ.α. Με τις αποφάσεις αυτές που στόχο έχουν τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, άρα και την κατανάλωση καυσίμων, ανάλογα θα μειωθεί και η επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Οι εμπλεκόμενοι στους διάφορους τομείς της ναυτιλιακής βιομηχανίας, με επίγνωση της κοινής ωφέλειας που απορρέει από την πράσινη ανάπτυξη, ακολουθούν περιβαλλοντικούς κανονισμούς που θεσπίζονται μέσω των διεθνών οργανισμών. Οι κανονισμοί αυτοί αντιμετωπίζονται με ευαισθησία εφ’ όσον επηρεάζουν άμεσα το περιβάλλον αλλά ακόμα και το λειτουργικό κόστος ενός πλοίου.

Ως γνωστό στα πλοία η πλειοψηφία των συστημάτων πρόωσης που χρησιμοποιούνται είναι μηχανές εσωτερικής καύσης που καταναλώνουν βαρύ πετρέλαιο ή ντίζελ. Η αύξηση όμως της τιμής των καυσίμων, οι ισχυρές ανησυχίες για τις επιπτώσεις στο περιβάλλον από τη λειτουργία των μηχανών στα πλοία και οι νέοι κανονισμοί μαζί με τις αυξανόμενες απαιτήσεις κατά τη μεταφορά των εμπορευμάτων, έχουν αλλάξει το τοπίο του ανταγωνισμού. Δηλαδή ένα πλοίο που ήταν προηγμένης τεχνολογίας και οδηγούσε τον ανταγωνισμό πριν από 5 χρόνια τώρα αναμένεται να μείνει πολύ πίσω από αυτόν, ενώ σε άλλα 5 χρόνια η μείωση της ανταγωνιστικότητάς του θα οδηγήσει σε μεγάλη απώλεια της αξίας του ως περιουσιακό στοιχείο. Ως εκ τούτου, το μεταβαλλόμενο ανταγωνιστικό περιβάλλον έχει αναζωπυρώσει το ενδιαφέρον για τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της αειφόρου ανάπτυξης στον τομέα της ναυτιλίας.

Στους μελλοντικούς στόχους όσων εμπλέκονται στη ναυτιλιακή βιομηχανία είναι να μειωθούν οι εκπομπές ρύπων CO₂ από τα πλοία, προκειμένου να πληρούν τις αυστηρές απαιτήσεις που προέρχονται από το Διεθνή Ναυτιλιακό Οργανισμό (ΙΜΟ) και αφορούν τη μείωση των αέριων ρύπων και η σχεδίαση των νέων πλοίων να γίνεται σύμφωνα με τους δύο δείκτες εκπομπών CO₂ το «Δείκτη Σχεδιασμού Ενεργειακής Απόδοσης» (‘Energy efficiency Design Index’ EEDI) και τον «Ενεργειακό Δείκτη Επιχειρησιακής Απόδοσης» (‘Energy Efficiency Operational Indicator’ ΕΕΟΙ). Ο EEDI χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση του σχεδιασμού της προωστήριας εγκατάστασης και του σκάφους, ενώ ο ΕΕΟΙ χρησιμοποιείται για να καθοδηγήσει τον χειρισμό στην ανάπτυξη των βέλτιστων πρακτικών επί του πλοίου. Ο στόχος είναι τα μελλοντικά πλοία να σχεδιάζονται με δείκτη που σταδιακά θα μειωθεί κατά την περίοδο 2012 - 2018 ώστε να φτάσει στο μέγιστο επίπεδο του 70% συγκριτικά με το 100% του μέσου δείκτη σχεδιασμού που ισχύει σήμερα. Δεδομένου ότι η μείωση των εκπομπών CO₂είναι περίπου ισοδύναμη με τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμων, ο στόχος για τους κατασκευαστές στα νεότευκτα πλοία θα αντιστοιχεί περίπου σε 30% μείωση στην κατανάλωση καυσίμων ανά ταξίδι κατά μέσο όρο υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας.

Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι η αποδοτικότητα του πλοίου υπολογίζεται λαμβάνοντας το μέσο λειτουργικό κόστος ανά μίλι, ενώ το CO₂ που προέρχεται από τις ναυτιλιακές δραστηριότητες αντιστοιχεί στο 4% σε παγκόσμια κλίμακα μεταφερόμενου φορτίου. Επιπλέον, η ναυτιλία όσον αφορά τη μεταφορά ενός τόνου φορτίου ανά μίλι έχει το χαμηλότερο ποσοστό εκπομπών CO₂ σε σύγκριση με όλες τις άλλες συμβατικές μορφές μεταφοράς (εικόνα 1). Οι τιμές αυτές ισχύουν και για την κατανάλωση καυσίμου επομένως και για τα επίπεδα των άλλων ρύπων, ώστε η ναυτιλία μπορεί να συμβάλει περαιτέρω στη μείωση των εκπομπών αέριων ρύπων με τη βελτίωση της αποδοτικότητας.

Για να αντιμετωπιστούν οι μεταβολές στην αγορά του εμπορίου και του οικονομικού περιβάλλοντος της ναυτιλίας, ο σχεδιασμός των νέων πλοίων θα πρέπει να προβλέπει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής με μεγαλύτερη ευελιξία στο σχεδιασμό τους, ώστε κατά τη λειτουργία τους τα πλοία να είναι ενεργειακά και οικονομικά πιο αποδοτικά. Σε αυτά τα πλοία εφαρμόζονται οι τελευταίες τεχνολογικές εξελίξεις, ενώ ταυτόχρονα αξιοποιούν τις βελτιωμένες υποδομές της ξηράς.

Οι παράγοντες σχεδιασμού που επηρεάζουν την απόδοση ενός πλοίου είναι η αποδοτικότητα της προωστήριας εγκατάστασης, η αποδοτικότητα της προπέλας και  η αποδοτικότητα από το σχεδιασμό του κύτους που μετριέται σε λειτουργικό επίπεδο από την ειδική κατανάλωση καυσίμου και την ταχύτητα του πλοίου. Επίσης άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αποδοτικότητα του πλοίου είναι οι επιχειρησιακοί, οι οποίοι περιλαμβάνουν τους χρόνους παραμονής του πλοίου στο λιμάνι, τους αποτελεσματικούς χειρισμούς κατά τη φορτοεκφόρτωση, η συντήρηση, η στελέχωση και η τήρηση των κανονισμών.

Όσον αφορά το λειτουργικό σχεδιασμό, που θα ανταποκρίνεται στους αυστηρούς κανονισμούς για χαμηλότερες εκπομπές ρύπων, έχει πραγματοποιηθεί ευρεία έρευνα ώστε να αναπτυχθούν τεχνολογίες για τις προωστήριες εγκαταστάσεις ντίζελ που μειώνουν τις εκπομπές ρύπων, ενώ σε άλλες εγκαταστάσεις πρόωσης χρησιμοποιούνται εναλλακτικές μορφές καυσίμων. Η απόδειξη της αναγκαίας ελαχιστοποίησης στο λειτουργικό κόστος, που είναι υψίστης σημασίας προκειμένου να είναι ανταγωνιστική η λειτουργία του πλοίου, είναι να αναλογιστεί κανείς ότι με βάση το πετρέλαιο ως πηγή ενέργειας, με τις πρόσφατες υψηλές τιμές του, μπορεί να οδηγήσει το κόστος του καυσίμου να φθάσει το 50% του λειτουργικού κόστους. Επομένως, η επιλογή της πιο κατάλληλης πηγής ενέργειας, η επιλογή της προωστήριας εγκατάστασης και ο αποδοτικός σχεδιασμός είναι ζωτικής σημασίας.

Εικόνα 2:

Πλοίο με τεχνολογία ACS της Danish-Dutch DK Group

Επίσης οι εναλλακτικές πηγές για την παραγωγή ενέργειας όπως LNG, fuel cells και nuclear εξετάζονται από πολλές εταιρείες, ώστε αν η διάθεση αυτής της ενέργειας συνδυαστεί με άλλους σκοπούς εκτός από την πρόωση (π.χ. ξενοδοχειακές υπηρεσίες στα κρουαζιερόπλοια), μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στη μείωση του κόστους των καυσίμων και είναι παράγοντες που θα πρέπει να συνυπολογιστούν στο σχεδιασμό για τη βέλτιστη λειτουργική απόδοση. Έχει διατυπωθεί ότι τα οφέλη από τη χρήση ενός κοινού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για την πρόωση και τις βοηθητικές  υπηρεσίες του πλοίου σε μια βελτιστοποιημένη εγκατάσταση επιφέρουν εξοικονόμηση στο λειτουργικό κόστος έως και 25%.

Έτσι τα οφέλη και οι περιορισμοί για κάθε τύπο εγκατάστασης θα πρέπει να αξιολογηθούν ανάλογα, ώστε να εξασφαλιστεί ότι τα μελλοντικά πλοία (στο όχι και τόσο μακρινό μέλλον) θα είναι πιο ασφαλή, πιο αποδοτικά ενεργειακά και πιο φιλικά προς το περιβάλλον. Γι αυτό παρακάτω παρουσιάζονται μερικές από τος σχεδιαστικές τάσεις ανάπτυξης σε τεχνολογικές πρόωσης όπως:
Αποδοτικές μορφές γάστρας.
Βελτιώσεις στην απόδοση της  προπέλας και των συστημάτων πρόωσης.
Εναλλακτικές μορφές καυσίμων ως πηγή ενέργειας σε μηχανές πρόωσης.
Υβριδικά συστήματα πρόωσης.

 

 

Πλοία με κοιλότητες αέρα ΑCS (Air Cavity Ships)

Στα Air cavity ships ή ΑCS χρησιμοποιείται ο αέρας για να μειώσει την αντίσταση καθώς το πλοίο σύρεται μέσα στο νερό και τις αντιστάσεις τριβής της γάστρας. Η μέθοδος περιλαμβάνει την έγχυση αέρα σε μια ειδικά σχεδιασμένη κοιλότητα στο κάτω μέρος του πλοίου, με την οποία μειώνεται αποτελεσματικά η βρεχόμενη επιφάνεια της γάστρας και η αντίσταση από τις τριβές της επιφάνειας του κύτους. Η ιδέα για την έρευνα στη μείωση της οπισθέλκουσας δύναμης από τις τριβές προτάθηκε με μικρή επιτυχία από τους Laval και Froude τον 19ο αιώνα, ενώ σημαντικά συνέβαλαν με έρευνες και εφαρμογές στη δεκαετία του 1960 από το Ερευνητικό Ινστιτούτο στην Αγία Πετρούπολη ο Butuzov και αργότερα ο Ι. Matveev. Οι πιο πρόσφατες έρευνες πραγματοποιήθηκαν στην Ευρώπη, τις ΗΠΑ, την Ιαπωνία, την Κορέα και την Αυστραλία.

Τα Air cavity ships, αποτελούν προηγμένες κατασκευές σκαφών που χρησιμοποιώντας τον αέρα που εγχέεται κάτω από τον πυθμένα, μειώνεται σημαντικά η βρεχόμενη επιφάνεια της γάστρας (εικόνα 2). Έτσι επιτυγχάνεται η βελτίωση των υδροδυναμικών χαρακτηριστικών του σκάφους μειώνοντας κατά συνέπεια την υδροδυναμική του αντίσταση, ώστε σε αρκετά υψηλή ταχύτητα και με κατάλληλες γραμμές στη γάστρα, ένα πλοίο μπορεί να γλιστράει «πάνω» από την επιφάνεια του νερού.

Έχει υπολογιστεί ότι η συνολικές απαιτήσεις ισχύος για να υποστηριχθούν οι μηχανισμοί που παρέχουν τον αέρα στην κοιλότητα αέρα είναι συνήθως λιγότερες από το 3% της συνολικής ισχύος του πλοίου. Το όνομα του τύπου των πλοίων που σχεδιάζονται με αυτό τον τρόπο είναι τα ACS και το φαινόμενο της δημιουργίας ενός στρώματος αέρα στη βυθισμένη επιφάνεια ονομάζεται τεχνητή σπηλαίωση ή λίπανση με αέρα.

Αρχικά, η εφαρμογή στην ιδέα της μείωσης της υδροδυναμικής αντίστασης του σκάφους καθώς κινείται μέσα στο νερό αφορούσε τα ταχύπλοα σκάφη, όμως στη συνέχεια επεκτάθηκε σε αργά σχετικά πλοία όπως φορτηγά και δεξαμενόπλοια, με διαφορετική διάταξη των κοιλοτήτων του αέρα. Το μεγαλύτερο μέγεθος, όπως και το βάρος των πλοίων αυτών, απαιτεί αρκετές κοιλότητες αέρα (μέχρι 7-8) ενσωματωμένες στο κάτω μέρος, ενώ τα αποτελέσματα είναι ιδανικά όταν το πλοίο ταξιδεύει σε ήρεμη θάλασσα. Όταν είναι σε άφορτη κατάσταση, που η μεγαλύτερη υδροδυναμική αντίσταση προέρχεται από τα κύματα, το ACS δεν είναι τόσο αποτελεσματικό.

Η Danish-Dutch DK Group έχει πραγματοποιήσει έρευνες και εφαρμογές σχετικά με την τεχνολογία ACS και από τους υπολογισμούς το συμπέρασμα είναι ότι η τεχνολογία ACS μειώνει την τριβή ενός πλοίου περίπου 10%, η οποία δίνει εξοικονόμηση καυσίμων 10-15% για πλοία μεταφοράς χύδην φορτίου και δεξαμενόπλοια, ενώ για τα πλοία μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων το αντίστοιχο ποσοστό είναι λίγο κάτω από 10%. Εάν η τεχνολογία ACS συνδυαστεί με πιο αποδοτικές προπέλες και συστήματα πλοήγησης, καθώς και με χρησιμοποίηση των θερμικών αποβλήτων (re-use of waste heat), η εξοικονόμηση του καυσίμου και συνεπώς η μείωση των εκπομπών CO2 μπορεί να φτάσει το 30%.

Εικόνα 4:

Εφαρμογή σε πλοίο και αριθμητικό μοντέλο οριακών στοιχείων 

της προπέλας Kappel. ΦΩΤΟ:http://www.skk.mek.dtu.dk/English/Research/KAPPEL_Propeller.aspx

Επιπλέον οφέλη του ACS είναι η βελτίωση της ασφάλειας από τη μείωση της απόστασης ακινητοποίησης του πλοίου σε περίπτωση εκτάκτου ανάγκης κατά 50%, η βελτίωση στην ευελιξία, η αύξηση του ωφέλιμου φορτίου και η αύξηση της ταχύτητας. Η DK Group έχει δημιουργήσει έναπιλοτικό πλοίο πλήρους κλίμακας που έχει υποστεί σειράδοκιμών στα νορβηγικά ύδατα το 2008. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε συνεργασία με το Germanischer Lloyd, FORCE Technology και  Lyngsø Marine. Από τα συμπεράσματα που διεξήχθησαν ο Germanischer Lloyd,ενέκρινε την τεχνολογία των πλοίων με κοιλότητα αέρα(ACS) του DK να χρησιμοποιηθεί στην εμπορική ναυτιλίακαι έχει συνάψει συμφωνία με την DK Group για την ανάπτυξη από κοινού ενός πλοίου μεταφοράς χύδην φορτίου 200.000 τόνων (dwt).

 

Βελτιώσεις στην απόδοση της έλικας
Με την πάροδο των ετών έχει κατασκευαστεί μια ποικιλία σχεδίων από προπέλες και κάθε σχέδιο έχει τα δικά του πλεονεκτήματα, χαρακτηριστικά και μειονεκτήματα. Τα σχέδια αυτά, έχουν τελειοποιηθεί με την εμπειρία και τη χρήση νέων εργαλείων σχεδιασμού, ενώ οι κατασκευαστές και οι λειτουργοί των πλοίων έχουν τη δική τους προτίμηση στον τύπο προπέλας που χρησιμοποιούν, υποστηρίζοντας τις επιλογές τους ως πιο αποδοτικές με την αναφορά βελτίωσης της κατανάλωσης καυσίμων ως αποτέλεσμα της αλλαγής από ένα τύπο σε ένα άλλο. Η ζήτηση και η έρευνα για αποδοτικότερα σχέδια έχει οδηγήσει στην δημιουργία πιο σύνθετων τύπων και συστημάτων προπέλας, που εν μέρει αντικαθιστούν τους συμβατικούς τύπους επηρεάζοντας ανάλογα την ταχύτητα του πλοίου αλλά και την κατανάλωση. Μερικοί από τους τύπους αυτούς είναι:
Οι προπέλες σταθερού βήματος
(FPP Fixed Pitch Propellers), που αντιπροσωπεύουν τις συμβατικές προπέλες και χρησιμοποιούνται ευρέως σε διάφορα μεγέθη, χωρίς να παρουσιάζουν ιδιαίτερες δυσκολίες στην κατασκευή τους, καλύπτοντας τις ανάγκες πρόωσης μικρών σκαφών μέχρι μεγάλων δεξαμενόπλοιων. Οι βελτιώσεις στις προπέλες σταθερού βήματος είναι οι:
Ι. Προπέλα Boss Cap Fins (PBCF):
πρόκειται για μικρά πτερύγια που εφαρμόζονται στο υφιστάμενο καπάκι της προπέλας και είναι κατασκευασμένα από το ίδιο υλικό με το αυτό ή δημιουργείται εκ νέου καπάκι με πτερύγια (εικόνα 3). Μπορεί να εγκατασταθεί εύκολα, με τον ίδιο τρόπο που εγκαθίσταται το καπάκι της προπέλας και εφαρμόζονται από τα τέλη της δεκαετίας του 1980. Οι προπέλες  PCBF αναπτύχθηκαν από κοινού από τις εταιρείες Mitsui OSK.Lines, West Japan Fluid Engineering Laboratory Co.Ltd και Mikado Propeller Co.Ltd, ενώ έχουν τοποθετηθεί και σε πλοία της Mitsui OSK Lines. Από πραγματικές μετρήσεις σε περισσότερα από 60 πλοία, έχει υπολογιστεί ότι το όφελος φτάνει το 4-5% στην εξοικονόμηση καυσίμων και η αύξηση στην ταχύτητα είναι της τάξης του 2%. Με την εφαρμογή των πτερυγίων επιτυγχάνεται η μείωση της ενέργειας που χάνεται στη δίνη της πλήμνης, η οποία δημιουργείται γύρω από την προπέλα με τη ροή του νερού. Στα οφέλη πρέπει να συμπεριληφθούν ακόμα η μείωση των δονήσεων στην πρύμνη και η μείωση του θορύβου της προπέλας.
II. Οι προπέλες τύπου Kappel:
σε αυτό τον τύπο της προπέλας η αποδοτικότητα αυξάνεται με την ανάπτυξη των πτερυγίων της (εικόνα 4). Με την πρόωση από προπέλες τύπου Kappelεπιτυγχάνεται βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης και μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σύμφωνα με μελέτες που ολοκληρώθηκαν το 2002. Η αύξηση του κόστους παραγωγής σε σχέση με μια συμβατική προπέλα εκτιμάται ότι είναι περίπου 20%,  ενώ από τη μαθηματική και τη φυσική μοντελοποίηση προβλέπεται βελτίωση που αναμένεται να προσφέρει όσον αφορά την εξοικονόμηση του καυσίμου είναι έως και 7% σε σύγκριση με μια καλά σχεδιασμένη συμβατική προπέλα.

Εικόνα 5:

Ducted propeller. ΦΩΤΟ:

http://www.sintef.no/home/MARINTEK/

ΙΙΙ. Οι προπέλες Ducted:
πρόκειται για ένα σύστημα προπέλας που αποτελείται από δύο στοιχεία, ένα δακτυλιοειδή αγωγό που έχει αεροτομική διατομή και την προπέλα που τοποθετείται στο εσωτερικό του αγωγού (εικόνα 5). Η παρουσία του αγωγού σκοπό έχει να μειώνει τις δυνάμεις πίεσης που ασκούνται στο κύτος, ενώ ταυτόχρονα προστατεύει την προπέλα από ζημιές.  Η απόδοση της προπέλας αυξάνεται ανάλογα με τη φορτίο της και η βελτίωση κυμαίνεται μεταξύ 1% και 5% σε σύγκριση με μια ανοικτού τύπου προπέλα.

 

Αντίθετα περιστρεφόμενες προπέλες (Contra Rotating Propellers CRPs) 
Οι αντίθετα περιστρεφόμενες προπέλες είναι ένα σύστημα πρόωσης που αποτελείται από δύο προπέλες τοποθετημένες η μία απέναντι στην άλλη (εικόνα 6), ικανό να βελτιώσει την απόδοση του πλοίου και έχει εγκατασταθεί με διάφορες τροποποιήσεις σε πλοία όπως: μεγάλα RO/RΟ Ferries, μεγάλα Container Ships, LNGCarriers και σε Ερευνητικά Σκάφη για την εγκατάστασηOffshore/Deepsea Floating Platforms που απαιτούν δυναμική τοποθέτηση. 

Εικόνα 6:

Contra Rotating Propellers (αντίθετα

περιστρεφόμενες προπέλες). ΦΩΤΟ:

http://www.shipgaz.com/old/magazine/issues/2002/08/lng_0802.php

Η λειτουργία του συστήματος βασίζεται στην ανάκτηση ενός μέρους των απωλειών ενέργειας από την οπίσθια προπέλα στο ρεύμα που δημιουργείται καθώς περιστρέφεται η εμπρόσθια προπέλα, παρέχοντας σημαντική βελτίωση στην αποδοτικότητα και μείωση στην κατανάλωση του καυσίμου. Η περιστροφή της οπίσθιας προπέλας γίνεται στον ίδιο οριζόντιο άξονα με την εμπρόσθια προπέλα χωρίς να είναι άμεσα συνδεμένες.

Τα κύρια οφέλη μαζί με τις αδυναμίες των Contra RotatingPropellers είναι:

Ανάκτηση των απωλειών ενέργειας από την περιστροφή της προπέλας με τη χρήση μιας προπέλας ανάποδης περιστροφής.

Βελτίωση στην απόδοση πρόωσης κατά 10% έως 15%.

Μείωση της σπηλαίωσης.

Μεγάλο όφελος κυρίως σε ταχύτητες επιχειρησιακής πλεύσης (ταξιδίου). 

Πολύπλοκο σχέδιο και υψηλότερο κόστος κατασκευής.

 

Azimuth προπέλες και συστήματα πρόωσης 
Στο σύστημα πρόωσης Azimuth η προπέλα τοποθετείται σε ένα λοβό με περίβλημα ή απλώς μόνο στο λοβό (εικόνα 7α), ο οποίος μπορεί και περιστρέφεται σε πλήρη κύκλο παρέχοντας τη δυνατότητα η ώθηση να δίνεται σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Με αυτό τον τρόπο στήριξης της προπέλας δίνεται η δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί ένας μεγάλος λοβός ο οποίος ουσιαστικά είναι και ο κινητήρας που περιστρέφει την προπέλα. Το μέγεθος που έχουν οι τυπικές μονάδες ισχύος είναι 5-8Μw, αλλά σε μεγάλα πλοία και κρουαζιερόπλοια  έχουν τοποθετηθεί μονάδες που φτάνουν 20Μw. Σε ένα λοβό είναι δυνατόν να εγκαθίστανται δύο προπέλες, μία εμπρός και μία μετά από το λοβό όπως στην εικόνα (7β). 

Με την ανάπτυξη των συστημάτων αυτού του τύπου επιτρέπεται η ανάπτυξη των πτερυγίων της προπέλας να γίνεται σε ευρύτερη περιοχή και αυτό σχετίζεται με την αύξηση της απόδοσης,. Υποστηρίζεται ότι τα πλοία με σύστημα Azimuth είναι περισσότερο οικονομικά κατά την εκτέλεση των ταξιδιών, μια και μπορεί να είναι μικρότερα συγκριτικά με άλλα στη μεταφορά μια δεδομένης ποσότητας φορτίου. Βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων πρόωσης Azimuth είναι η ευελιξία που προσφέρεται από την περιστροφή των λοβών στις μανούβρες του πλοίου.

 

Πρόωση Azipod

Το σύστημα Azipod αποτελεί ένα σύστημα πρόωσηςAzimuthing podded που παρέχει το συνδυασμό της πρόωσης του πλοίου και του συστήματος διεύθυνσης σε μια ενιαία μονάδα. Αναπτύχθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1980 για να καλυφθούν οι απαιτήσεις πλοίων που ταξίδευαν σε περιοχές με πάγους. Η βελτίωση του Azipodμηχανικά, ηλεκτρικά και υδροδυναμικά, όλα αυτά τα χρόνια έχει οδηγήσει σε ένα βέλτιστο τυποποιημένο προϊόν. Το Azipod αποτελείται από ένα ηλεκτρικό κινητήρα μεταβλητής ταχύτητας και την προπέλα που είναι εγκατεστημένη απευθείας στον άξονα του κινητήρα. Το Azipod τοποθετείται ως μια ενιαία μονάδα με το σύστημα διεύθυνσης και η τροφοδότηση της ισχύος πραγματοποιείται μέσω ολισθαίνοντος δακτυλίου δίνοντάς του ικανότητα περιστροφής 360^ο, ενώ εναλλακτικά μπορεί να τοποθετηθεί ως μια σταθερή συσκευή πρόωσης (Fixipod) χωρίς τη μονάδα διεύθυνσης. Οι ηλεκτροκινητήρες των Azipod ελέγχονται από  μετατροπέα συχνότητας, παρέχοντας πλήρη ονομαστική ροπή, με ομαλή και συνεχή ικανότητα μεταβολής της ταχύτητας προς  οποιαδήποτε κατεύθυνση σε όλο το φάσμα στροφών. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει σύστημα οδοντωτών τροχών ή απώλειες από μηχανική μετάδοση της ισχύος, η αποδοτικότητα του Azipod είναι υψηλότερη από άλλα συστήματα πρόωσης.

Eικόνα 8:

Τυπική διάταξη διανομής ενέργειας σε σύστημα με δύο Azipod. ΦΩΤΟ:http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/0/227a4fa87117cece
482573f00016c3e9/$file/Azipod+technolgoy+brochure.pdf

Η ηλεκτρική ενέργεια και η μονάδα διανομής της αποτελείται από περισσότερους του ενός κινητήρες μεσαίας ή υψηλής ταχύτητας, ντίζελ ή φυσικού αερίου. Οι κινητήρες λειτουργούν τις ηλεκτρογεννήτριες που συνδέονται με τον κεντρικό ηλεκτρικό πίνακα. Όλα τα φορτία που συμπεριλαμβάνουν την πρόωση αλλά και τα βοηθητικά συστήματα του πλοίου, τροφοδοτούνται από αυτή τη μονάδα παραγωγής ενέργειας και το συνολικό φορτίο μοιράζεται μεταξύ των ηλεκτρογεννητριών οι οποίες επιλέγονται αυτόματα για να καλύψουν το σύνολο της απαιτούμενης ενέργειας. Η τροφοδότηση του Azipod γίνεται μέσω μετασχηματιστών και μετατροπέων όπως φαίνεται στην τυπική διάταξη της εικόνας (8).

Προωστήριες μηχανές Υγροποιημένου φυσικού αέριου (LNG)

Το υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG) ως καύσιμο στις προωστήριες εγκαταστάσεις των πλοίων αποτελεί μια ακόμα τάση της ανάπτυξης στις τεχνολογίες πρόωσης και θεωρείται ένα πολύ καθαρό καύσιμο που οδηγεί σε πολύ χαμηλές εκπομπές ρύπων. Από μερικούς ειδικούς θεωρείται ότι σε 5-10 χρόνια η πλειοψηφία των πλοίων της ακτοπλοΐας που καταναλώνουν συμβατικές μορφές καυσίμων θα χρησιμοποιούν ως καύσιμο το LNG. 

Το φυσικό αέριο είναι κυρίως μεθάνιο (CH₄) το οποίο περιέχει την υψηλότερη ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα του άνθρακα σε σύγκριση με όλα τα άλλα ορυκτά καύσιμα. Η ποσότητα σε οξείδια NO_x είναι 85%, ενώ η ποσότητα σε SO_x και αιωρούμενα σωματίδια που περιέχονται στα καυσαέρια είναι αμελητέα. Επίσης η μείωση στα επίπεδα εκπομπών CO₂ είναι κατά 30% σε σύγκριση με τα καύσιμα ντίζελ όπως φαίνεται και στην εικόνα (9).

Εικόνα 9:

Συγκριτικός πίνακας εκπομπών ρύπων HFO & LNG-DF.

Είναι σημαντικό ότι τα αποθέματα φυσικού αερίου είναι υψηλότερα από τα υπόλοιπα αποθέματα πετρελαίου που θα μπορούσε να εξαντληθούν σε περίπου 30-50 χρόνια. Ως εκ τούτου με δεδομένη την ανάπτυξη των υποδομών φυσικού αερίου και της τεχνολογικής ανάπτυξης το LNG θα μπορούσε να γίνει το καύσιμο του μέλλοντος.

Οι κατασκευαστές μηχανών πρόωσης ήδη κατασκευάζουν μηχανές Dual Fuel (DF) (εικόνα 10) που χρησιμοποιούν ως καύσιμο το LNG σε ορισμένα πλοία κατά την διάρκεια του ταξιδιού.  

Εικόνα 10: Εγκατάσταση Dual Fuel σε κρουαζιερόπλοιο (WARTSILA).  

ΦΩΤΟ: www.wartsila.com

Υβριδικά συστήματα πρόωσης LNG (Hybrid LNG systems)

Το φυσικό αέριο είναι μεθάνιο, με χαμηλές συγκεντρώσεις άλλων υδρογονανθράκων, νερού, διοξειδίου του άνθρακα, αζώτου, οξυγόνου και ορισμένων ενώσεων του θείου (εικόνα 11). Όταν ψύχεται στους -161C^o, γίνεται ένα διαυγές, μη τοξικό, άχρωμο και άοσμο υγρό. Κατά τη διάρκεια της υγροποίησης, ψύχεται κάτω από το σημείο βρασμού του και έτσι απομακρύνεται  το μεγαλύτερο μέρος των άλλων ενώσεων, ώστε κατά κύριο λόγο μένει το μεθάνιο με μικρές ποσότητες των υδρογονανθράκων. Επίσης το ειδικό βάρος του υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG), είναι σχεδόν  το μισό από το ειδικό βάρος του νερού έτσι ώστε να επιπλέει σε περίπτωση απόρριψής του στη θάλασσα.

Το LNG μεταφέρεται από πλοία διπλού κύτους, που είναι ειδικά κατασκευασμένα ώστε να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις χειρισμού των χαμηλών θερμοκρασιών μεταφοράς του φορτίου. Έτσι περιορίζεται η ποσότητα που μεταφέρεται να φτάσει το σημείο βρασμού (boil off gas BOG) και να εξατμιστεί. Όμως κατά τη μεταφορά, για να διατηρηθεί η χαμηλή θερμοκρασία που απαιτείται και λόγω της θερμοκρασίας από το εξωτερικό περιβάλλον των δεξαμενών η εξάτμιση είναι αναπόφευκτη. Προκειμένου να ελεγχθεί η αύξηση της πίεσης των δεξαμενών, ένα μέρος των εξατμίσεων της ποσότητας του αερίου που φτάνει στο σημείο βρασμού επαν-υγροποιείται (boil-off-gas (BOG) re- liquefaction plant) και ένα μέρος καίγεται στο λέβητα παραγωγής ατμού για το στρόβιλο ή σε μηχανήdual fuel συμπληρώνοντας την ποσότητα καυσίμου του πλοίου.

Εικόνα 11: Σύσταση κατ’ όγκο του LNG.

Η εγκατάσταση που υποστηρίζει αυτές τις λειτουργίες αποτελεί ένα υβριδικό σύστημα όπως της εικόνας (12), που δημιουργήθηκε και αναπτύχθηκε από την Mitsubishi Heavy Industries  Ltd. (MHI ). Σε αυτό συνδυάζονται:

• Η μηχανή εσωτερικής καύσης με πετρέλαιο ή Dual Fuel για τη πρόωση.
• Ο ατμολέβητας Dual Fuel για το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ηλεκτρογεννήτρια με ατμοστρόβιλο, που δίνει ηλεκτρική ενέργεια στη βοηθητική πρόωση και στις καταναλώσεις του πλοίου.
• Το σύστημα επαν-υγροποίησης του φυσικού αέριου (ΒΟG).

Το υβριδικό σύστημα που συνδυάζει μηχανή εσωτερικής καύσης με βοηθητικό ηλεκτροκίνητο σύστημα πρόωσης και σύστημα υγροποίησης του φυσικού αερίου, είναι κατάλληλο για ταχύπλοα πλοία με μεγάλες απαιτήσεις ισχύος όπως τα κρουαζιερόπλοια και τα ταχύπλοα πλοία εμπορευματοκιβωτίων της επόμενης γενιάς.

Κυψέλες καυσίμων (Fuel Cells)   

Οι κυψέλες καυσίμου θεωρούνται άλλο ένα από τα εναλλακτικά καύσιμα για  να επιτευχθεί ο στόχος της μείωσης των εκπομπών ρύπων που παράγονται από την κατανάλωση καυσίμων. Με τη χρήση τους η μείωση των εκπομπών CO₂  και οι μηδενικές εκπομπές σε NO_x  και SO_xείναι ανακουφιστικές στις ανησυχίες για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη λειτουργία των πλοίων. 

Οι κυψέλες καυσίμου είναι μια καθαρή, αθόρυβη, αποδοτική και αξιόπιστη μέθοδος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κατάλληλη για θαλάσσιες και ναυτιλιακές εφαρμογές ώστε να είναι μια πολύ ελκυστική επιλογή με την εγκατάστασή τους στα εμπορικά πλοία. Πρόκειται για συσκευές που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα από τη μετατροπή της χημικής ενέργειας ενός καυσίμου και ενός οξειδωτικού.

Εικόνα 12:

Σχηματική παράσταση υβριδικού συστήματος πρόωσης  

Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.

Οι περισσότερες κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν υδρογόνο στο σημείο της ενεργειακής μετατροπής, αλλά αυτό μπορεί να μεταρρυθμιστεί και για συμβατικά καύσιμα, όπως η βενζίνη, το φυσικό αέριο ή η μεθανόλη. Σε αντίθεση με τους συμβατικούς κινητήρες το καύσιμο δεν καίγεται, με αποτέλεσμα οι κυψέλες καυσίμου να είναι μια αποδοτική και φιλική προς το περιβάλλον.

Η εγκατάστασή τους ήδη σε μικρά πλοία και υποβρύχια που επιτρέπουν το υψηλό τους κόστος δημιουργεί τις συνθήκες εισαγωγής τους στην αγορά συστημάτων πρόωσης για μεγάλα πλοία.

Ένα από τα πλεονεκτήματα των κυψέλων καυσίμου είναι η ευελιξία εγκατάστασής τους σε διάφορα σημεία ενός σκάφους παρέχοντας ανάλογη ευελιξία στη διανομή ισχύος μεταξύ των στοιχείων του συστήματος και στο σχεδιασμό του πλοίου. Επίσης είναι 50% πιο αποδοτικές απ’ ότι ένας συμβατικός κινητήρας που σε συνδυασμό με την αθόρυβη χωρίς κραδασμούς λειτουργία τους έχουν συγκριτικά πλεονεκτήματα ώστε να εγκατασταθούν σε επιβατικά πλοία και κρουαζιερόπλοια.

Η ναυπήγηση πλοίων με τεχνολογία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από κυψέλες καυσίμων για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών μηχανημάτων, των πινάκων ελέγχου και των συστημάτων πρόωσης, συναντάει μεγάλο ενδιαφέρον από τους κατασκευαστές στην Ευρώπη, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ, ενώ αναμένεται να επιτευχθεί μαζική αύξηση στην αγορά των μεταφορών μέχρι το 2020.

Εικόνα 13:

Πλοίο με Fuel Cells. ΦΩΤΟ:

http://www.motorship.com/news101/gl-solutions-for-a-cleaner-maritime-industry

Εγκαταστάσεις πλοίων με πυρηνική ενέργεια
Η λειτουργία του πυρηνικού αντιδραστήρα που εγκαθίσταται σε ένα πλοίο με σκοπό την δημιουργία ενέργειας για την πρόωσή του βασίζεται στην πυρηνική σχάση, όπου πραγματοποιείται ο διαχωρισμός του πυρήνα ενός ατόμου για την παραγωγή περισσότερων μικρότερων πυρήνων και σε μερικά ελεύθερα παραπροϊόντα σωμάτια όπως τα νετρόνια.

Η διάσπαση του ατόμου έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή θερμικής ενέργειας και την εκπομπή ακτινοβολίας γ. Τα στοιχεία του πυρήνα έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής ώστε ο ανεφοδιασμός ενός πλοίου να είναι απαραίτητος μια φορά περίπου κάθε δέκα χρόνια. Έτσι τα πλοία με πυρηνικό αντιδραστήρα όπως και τα ιστιοφόρα είναι ανεξάρτητα από τις ιδιαιτερότητας στην προμήθεια των καυσίμων σε κάθε λιμάνι εξαλείφοντας σε μεγάλο βαθμό την δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασία πετρέλευσης στη λειτουργική διάρκεια της ζωής ενός πλοίου.

Αν και το κόστος κατασκευής των πυρηνικών στοιχείων καυσίμου είναι υψηλό, το συνολικό κόστος του είναι πολύ χαμηλότερο απ’ ότι το κόστος των ορυκτών καυσίμων που απαιτείται για την παραγωγή της ίδιας ποσότητας ενέργειας. Μια μικρή ποσότητα πυρηνικών καυσίμων παρέχει ενέργεια ισοδύναμη με εκατομμύρια φορές την ποσότητα άνθρακα ή πετρελαίου. Συνυπολογίζοντας το χαμηλό κόστος καυσίμων, τις σχεδόν μηδενικές εκπομπές ρύπων και την εξάλειψη των ανησυχιών για την ασφάλεια του πληρώματος, δημιουργούνται οι προϋποθέσεις ώστε η δημοτικότητα της τεχνολογίας πρόωσης των πλοίων με πυρηνική ενέργεια να αυξάνεται συνεχώς.

Η θερμότητα που παράγεται από την πυρηνική σχάση στον αντιδραστήρα είναι η ενέργεια που χρησιμοποιείται για την πρόωση και την λειτουργία του πλοίου. Για τη διαχείριση αυτής της ενέργειας, ο πυρηνικός σταθμός πρόωσης κατά τη λειτουργία του απαιτεί την συνεχή υπό πίεση επανακυκλοφορία του νερού, ενώ το όλο σύστημα περιέχει δύο υποσυστήματα το πρωτοβάθμιο και το δευτεροβάθμιο (εικόνα 15).

- Το πρωτοβάθμιο σύστημα, αποτελείται από τον αντιδραστήρα, τις αντλίες και την μονάδα παραγωγής του ατμού. Η θερμότητα που εκπέμπεται από τον πυρηνικό αντιδραστήρα χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού που κυκλοφορεί με μεγάλη πίεση στα στοιχεία που τον περιβάλλουν (για να αποφευχθεί η ατμοποίηση σε αυτό το στάδιο). Το ζεστό νερό στη συνέχεια οδηγείται στα στοιχεία της μονάδας παραγωγής ατμού, όπου μεταδίδει τη θερμότητα στο νερό χαμηλότερης θερμοκρασίας που κυκλοφορεί εξωτερικά των στοιχείων, χωρίς να αναμιχτεί με αυτό και επιστρέφει στον αντιδραστήρα για επαναθέρμανση. Με τη μετάδοση της θερμότητας ατμοποιείται το νερό που υπάρχει εξωτερικά των στοιχείων και ο ατμός παρέχεται στο δευτεροβάθμιο σύστημα.

- Το δευτεροβάθμιο σύστημα, αποτελείται από τον κύριο ατμοστρόβιλο, τους μειωτήρες με το σύστημα της κίνησης προς την προπέλα, την ηλεκτρογεννήτρια που κινείται από ατμοστρόβιλο, τη συσκευή συμπύκνωσης των εξατμίσεων ατμού και τις αντλίες που τροφοδοτούν τη μονάδα παραγωγής ατμού.

Η τεράστια ποσότητα ατμού που παράγεται στο πρωτοβάθμιο σύστημα χρησιμοποιείται για την λειτουργία του ατμοστρόβιλου, που συνδέεται με το σύστημα κίνησης της προπέλας και της στροβιλογεννήτριας για την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι εξατμίσεις των ατμοστροβίλων συμπυκνώνονται και επιστρέφουν ως τροφοδοτικό νερό στη μονάδα παραγωγής ατμού, ενώ το πλεόνασμα της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται αποθηκεύεται σε μπαταρίες, για να χρησιμοποιηθεί σε περίπτωση εκτάκτου ανάγκης καλύπτοντας τις ενεργειακές ανάγκες του πλοίου.

Εικόνα 15:

Πρωτοβάθμιο και δευτεροβάθμιο σύστημα πυρηνικής

εγκατάστασης πλοίου.(Drawn by Willie Scott 2010)

Η ποιότητα, η αντοχή και η σταθερότητα των τμημάτων του αντιδραστήρα είναι πολύ σημαντικοί παράγοντες για την αποτελεσματική λειτουργία του. Έτσι τα σημερινά πυρηνοκίνητα πλοία κατασκευάζονται με προηγμένες τεχνολογίες, ασφαλή, με μεγάλα χυτά προστατευτικά του αντιδραστήρα, καλύπτοντας τις αρνητικές κριτικές που έχουν γίνει κατά καιρούς και αφορούν την ασφάλεια του πληρώματος και τους περιβαλλοντικούς κινδύνους.

Συμπέρασμα

Η βελτιστοποίηση του λειτουργικού προφίλ ενός πλοίου είναι ανάλογη με την ελαχιστοποίηση του λειτουργικού κόστους και την επίτευξη της μείωσης των εκπομπών ρύπων. Έτσι η αναμονή για την ανάπτυξη νέων συστημάτων και η βελτίωση των υφιστάμενων είναι αναμενόμενη τα επόμενα χρόνια, αποτελώντας παράγοντες ζωτικής σημασίας για την ναυτιλία.
http://perialos.blogspot.gr/2014/02/blog-post.html

 

Ευχαριστούμε πολύ για την επίσκεψη! thiva post