Statki towarowe i wycieczkowe mogą wkrótce wykorzystać siłę wiatru i fal, aby zmniejszyć emisję dwutlenku węgla dzięki badaczom finansowanym przez UE.

Autor: Tom Cassauwers.

W sierpniu 2023 r. pięcioletni statek towarowy Pyxis Ocean przeszedł do historii, gdy wyruszył z Szanghaju w Chinach w kierunku południowo-brazylijskiego portu Paranaguá. Była to podróż o długości prawie 25 000 km.

Historyczne w tej podróży było to, że zamiast działać wyłącznie na silnie zanieczyszczającym paliwie bunkrowym, Pyxis Ocean był pierwszym statkiem tego rodzaju, który uzupełniał energię paliwową energią wiatrową. Testowano na nim pionierskie WindWings® – 37,5-metrowe, składane „żagle” ze stali i włókna szklanego, zdolne do wykorzystania energii wiatru do napędzania ogromnego masowca przez wodę.

Powrót do przyszłości

Zaprojektowane przez brytyjską firmę BAR Technologies, zbudowane przez norweską firmę Manta Marine Technologies i zamontowane w Chinach na statku wyczarterowanym przez międzynarodową firmę Cargill, WindWings® są wynikiem ambitnej międzynarodowej współpracy – projektu CHEK – który otrzymał dofinansowanie z UE, aby pomóc żegludze komercyjnej wytyczyć kurs w kierunku przyszłości o niższej emisji dwutlenku węgla.

„W tamtym czasie było to spore wyzwanie” – powiedział Suvi Karirinne, dyrektor Vaasa Energy Business Innovation Centre (VEBIC) na Uniwersytecie Vaasa w Finlandii, który koordynował to przedsięwzięcie.

Pierwszy rejs Pyxis Ocean był pierwszym testem WindWings® w świecie rzeczywistym – i okazją do oceny, czy powrót do tej tradycyjnej metody napędzania statków może być drogą naprzód w przemieszczaniu ładunków na morzu.

W maju 2024 r. DNV Maritime Advisory, uznany międzynarodowy organ certyfikujący i testujący, potwierdził, że podczas żeglugi w sprzyjających warunkach dwa WindWings® zainstalowane na Pyxis Ocean zmniejszyły zużycie energii przez główny silnik o 32% na milę morską.

Oczekuje się, że technologia WindWings® zostanie z czasem szeroko przyjęta i już teraz ma zostać włączona do 20 nowych statków, które zostaną zainstalowane w 2025 roku i później.

Czystsza żegluga

Aż 90% towarów i surowców na świecie jest transportowanych drogą morską – która nie jest tak czystym środkiem transportu, jak mogłoby się wydawać. Załadowany kontenerowiec może spalać nawet 150 ton ciężkiego paliwa dziennie, co jest niezrównoważone z punktu widzenia ochrony środowiska.

Według Międzynarodowej Agencji Energii transport morski jest głównym źródłem emisji dwutlenku węgla – około 2% globalnej emisji. W kwietniu 2018 r. Międzynarodowa Organizacja Morska zgodziła się zmniejszyć emisje o co najmniej 50% do 2050 r. w porównaniu z poziomem bazowym z 2008 r.

Aby pomóc w osiągnięciu tego celu, eksperci CHEK współpracowali nad opracowaniem innowacyjnych rozwiązań projektowych, które mogłyby zostać zintegrowane z istniejącymi statkami komercyjnymi. Ich ostatecznym celem jest stworzenie statków o zerowej emisji poprzez synergiczne połączenie różnych opcji.

Synergiczna integracja

Zespół ekspertów postanowił zintegrować szereg różnych technologii i koncepcji w dwóch typach statków: masowcu i statku wycieczkowym. Niektóre z tych projektów zostały przetestowane w rzeczywistych warunkach na Pyxis Ocean i pasażerskim statku wycieczkowym należącym do MSC Cruises, globalnej linii wycieczkowej.

Wykorzystując synergię między różnymi technologiami operacyjnymi, zasilania i redukcji oporu, opracowano szereg rozwiązań, które można dostosować do innych typów statków, takich jak tankowce, kontenerowce, drobnicowce i promy.

Proponowane innowacje obejmują m.in. silniki napędzane wodorem, ultradźwiękowe urządzenia przeciwporostowe i zaawansowane systemy planowania tras, które uwzględniają panujące warunki atmosferyczne i morskie, aby zapewnić najbardziej energooszczędną trasę.

Eksperci CHEK uważają, że opracowane i przetestowane przez nich rozwiązania mogą zmniejszyć zużycie energii przez statki o 50%, a emisję gazów cieplarnianych o 99%.

„Nie ma cudownego rozwiązania technologicznego dla dekarbonizacji morskiej” – powiedział Karirinne, który uważa, że postęp można najlepiej osiągnąć poprzez integrację zarówno nowych, jak i już istniejących innowacyjnych technologii.

Poprawa wydajności

„Żegluga musi ograniczyć swoje emisje”, powiedział Anders Öster, kierownik ds. badań w Wärtsilä, fińskiej firmie inżynieryjnej. „Dlatego też musimy znaleźć rozwiązania, które sprawią, że statki będą bardziej wydajne i zdekarbonizują swój napęd”.

Oprócz udziału w CHEK, Öster koordynował inny międzynarodowy projekt badawczy o nazwie SeaTech, który również otrzymał dofinansowanie z UE w celu poprawy wydajności żeglugi komercyjnej.

Badania SeaTech, prowadzone w latach 2020-2023, obejmowały zarówno firmy żeglugowe, jak i partnerów akademickich, takich jak University of Southampton w Wielkiej Brytanii, National Technical University of Athens i University of Tromsø w Norwegii. W ramach projektu opracowano dwie kluczowe technologie, które można doposażyć w istniejące statki, a tym samym szybko wpłynąć na emisje w sektorze.

Energia fal

Zainspirowani ruchem wielorybów i delfinów w wodzie, naukowcy przymocowali dynamiczne podwodne skrzydło, podobne do przednich płetw rekina młota, do przedniej części 10-metrowego modelu statku.

Skrzydło, które wykorzystuje siłę fal do napędzania statku, zostało przetestowane zarówno w zbiornikach z falami, jak i na Morzu Egejskim. Naukowcy odkryli, że generuje ono ciąg, szczególnie na wzburzonym morzu, pozwalając silnikom na zmniejszenie mocy.

„Te skrzydła pobierają energię z fal i pchają statek do przodu” – mówi Öster. „Stabilizują również ruchy statku”.

Ponadto zespół SeaTech wykorzystał czujniki i oprogramowanie do kontrolowania procesu spalania w silniku gazowym statku, poprawiając jego wydajność.

„W porównaniu do silników wysokoprężnych, nasz silnik gazowy emituje o jedną trzecią mniej CO2” – powiedział Öster. Te dwie innowacje szczególnie dobrze ze sobą współpracują, ponieważ oprogramowanie sterujące silnikiem może szybko reagować na te same warunki, które określają moc wyjściową skrzydeł. Rezultat to więcej niż suma jego części, mówi Öster.

„Jeden plus jeden równa się trzy, gdy połączymy te technologie. Biorąc różne technologie i łącząc je, wzmacniamy ich wydajność”.

Naukowcy odkryli, że łącznie te dwie technologie mogą zmniejszyć emisję CO2 ze statków napędzanych silnikiem wysokoprężnym o 46%.

Korzyści ekonomiczne

Kolejnym wyzwaniem będzie przekonanie branży żeglugowej do przyjęcia tych innowacji. Karirinne wierzy, że wyniki będą mówić same za siebie.

Chociaż branża żeglugowa może być dość konserwatywna, według Karirinne jest ona również bardzo konkurencyjna. Ponadto rozszerzenie unijnego systemu handlu uprawnieniami do emisji (EU ETS) w styczniu 2024 r. na emisje CO2 ze wszystkich dużych statków stanowi dodatkowy bodziec do zmian.

Oczekuje, że technologie CHEK zostaną pozytywnie przyjęte przez operatorów żeglugowych, ponieważ mogą znacznie obniżyć koszty dzięki zmniejszeniu zużycia paliwa – a tym samym emisji CO2.

„Technologie te są atrakcyjne nie tylko dlatego, że zmniejszają emisje, ale istnieje również społeczna i ekonomiczna potrzeba ich stosowania” – powiedziała.

Tempo ich wdrażania będzie zależeć zarówno od postrzeganych korzyści ekonomicznych, jak i od tego, jak łatwo można wdrożyć poszczególne innowacje. Może minąć trochę czasu, zanim wszystkie statki towarowe zostaną wyposażone w gigantyczne żagle, ale silniki SeaTech są już modernizowane na statkach.

„Żegluga jest uważana za sektor trudny do dekarbonizacji” – mówi Karirinne. „Ale pokazaliśmy przykłady, jak to zrobić. Jest to możliwe i istnieją opcje. Musimy tylko z nich skorzystać”.

Badania zawarte w tym artykule zostały sfinansowane z unijnego programu Horyzont. Poglądy rozmówców niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Komisji Europejskiej.

Więcej informacji

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Horizon, magazynie UE poświęconym badaniom i innowacjom.