ArticlePDF Available

Abstract and Figures

W dążeniu do ograniczenia emisji dwutlenku węgla wszystkie obecnie nowo budowane statki większe niż 400 BRT muszą mieć określony Projektowy Wskaźnik Efektywności Energetycznej (Energy Efficiency Design Index – EEDI). Ponadto wprowadzono dobrowolnie określany Eksploatacyjny Wskaźnik Efektywności Energetycznej (Energy Efficiency Operational Indicator – EEOI), pozwalający na bieżącą ocenę efektywności transportowej statku. Korzystne wartości wskaźników możliwe są do osiągnięcia przez redukcję emisji CO2 m.in. dzięki zastosowaniu niekonwencjonalnych źródeł energii w układach energetycznych statków. W artykule przedstawiono analizę możliwości wykorzystania na statkach takich źródeł, w tym odnawialnych źródeł energii. Spośród wielu różnych źródeł rozważono tylko te, których zastosowanie jest najintensywniej rozwijane, tj. energię wiatru i promieniowania słonecznego.
Content may be subject to copyright.
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni
Scientific Journal of Gdynia Maritime University
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 181
Nr 108/2018, 181196 Złożony/submitted: 12.09.2018
ISSN 2451-2486 (online) Zaakceptowany/accepted: 14.09.2018
ISSN 1644-1818 (printed) Opublikowany/published: 29.12.2018
DOI: 10.26408/108.15
WYBRANE SPOSOBY POPRAWY WSKAŹNIKÓW
EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ STATKU
THE SELECTED WAYS OF IMPROVING THE FACTORS
OF ENERGY EFFICIENCY OF SHIPS
Wojciech Zeńczak
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, al. Piastów 41,
71-065 Szczecin, Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Katedra Inżynierii Bezpieczeństwa
i Energetyki, e-mail: wojciech.zenczak@zut.edu.pl
Streszczenie: W dążeniu do ograniczenia emisji dwutlenku węgla wszystkie obecnie nowo
budowane statki większe niż 400 BRT muszą mieć określony Projektowy Wskaźnik
Efektywności Energetycznej (Energy Efficiency Design Index EEDI). Ponadto wprowadzono
dobrowolnie określany Eksploatacyjny Wskaźnik Efektywności Energetycznej (Energy
Efficiency Operational Indicator EEOI), pozwalający na bieżącą ocenę efektywności
transportowej statku. Korzystne wartości wskaźników możliwe do osiągnięcia przez
redukcję emisji CO2 m.in. dzięki zastosowaniu niekonwencjonalnych źródeł energii
w układach energetycznych statków. W artykule przedstawiono analizę możliwości
wykorzystania na statkach takich źródeł, w tym odnawialnych źródeł energii. Spośród wielu
różnych źródeł rozważono tylko te, których zastosowanie jest najintensywniej rozwijane, tj.
energię wiatru i promieniowania słonecznego.
Słowa kluczowe: ochrona środowiska, odnawialne źródła energii, siłownie okrętowe.
Abstract: The aim to reduce the carbon dioxide emissions, for all newly built vessels of more
than 400 GRT the Energy Efficiency Design Index (EEDI) must be determined.
In addition, a voluntary determined Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) was
introduced to allow continuous assessment of the ship's transport efficiency. Favourable
values of indicators are possible to achieve by reducing CO2 emissions, among others thanks
to the use of unconventional energy sources in ship power systems. In the article an analysis
of the possibilities of using such sources on ships, including renewable energy sources is
presented. From many different energy sources, only those whose application is most
intensively developed, i.e. wind energy and solar radiation, were considered.
Keywords: environment protection, renewable energy sources, ship power systems.
Wojciech Zeńczak
182 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
1. WSTĘP
Aktualnie światowa żegluga morska odpowiedzialna jest za emisję 2,2% światowej
emisji CO2 [http://www.pgt.pl]. Nie jest to dużo, a zważywszy dodatkowo emisję
CO2 ze statków, przypadającą na jednostkę przewiezionego ładunku na dystansie
1 km, okazuje się, że statki należą do najefektywniejszych środków transportu.
Pomimo to oraz faktu, że w porównaniu do 2007 roku, kiedy udział emisji ze statków
stanowił 2,8%, uzyskano wyraźny postęp, perspektywa obowiązku redukcji emisji
CO2 o 40% do roku 2050 w porównaniu z rokiem 2005 wymaga podejmowania
różnych działań, dotyczących wprowadzania nowych rozwiązań siłowni statków,
w tym wprowadzania paliw alternatywnych. Działania te wymuszane przez
wprowadzanie coraz to nowych standardów i przepisów.
Obecnie wszystkie nowo budowane statki większe niż 400 BRT muszą mieć
określony Projektowy Wskaźnik Efektywności Energetycznej (Energy Efficiency
Design Index EEDI), wszystkie zaś statki, tj. nowe i wybudowane przed 1 stycznia
2013 roku objęte są Planem Zarządzania Efektywności Energetycznej Statku (Ship
Energy Efficiency Management Plan SEEMP), zapewniającym optymalną eksplo-
atację statku [http:// www.imo.org]. Ujmując najogólniej, EEDI stanowi pewien
dopuszczalny dla statków standard obciążenia środowiska emisją CO2, mierzo
w odniesieniu do korzyści dla społeczeństwa (pracy transportowej) [IMO 2016]:
projektowy wskaźnik CO2 =
Osiągnięcie małej wartości EEDI, który definiuje się dokładniej jako stosunek
całkowitej emisji CO2 ze spalania paliwa w silnikach głównych, pomocniczych
i kotłach do pracy transportowej, jest możliwe poprzez wszelkie przedsięwzięcia,
sprzyjające obniżeniu zużycia paliwa przez statek. Praca transportowa jest tu
określana jako iloczyn projektowej nośności statku (dwt) i projektowej prędkości
zmierzonej w warunkach maksymalnego załadowania przy 75% mocy nominalnej
na wale [http:// www.imo.org].
Do podstawowych działań zmniejszających EEDI należy np. wykorzystanie
ciepła odpadowego ze spalin. Na jego obniżenie ma również wpływ zastosowanie
odnawialnych źródeł energii, np. wiatru lub energii słonecznej, a także paliw
alternatywnych jak LNG czy metanol. Te właśnie paliwa zostały określone jako
najlepsze paliwa alternatywne w transporcie morskim według raportu Wspólnego
Centrum Badawczego UE. Zostały one także uznane za najistotniejsze w drodze
przejścia na biopaliwa [www. gospodarkamorska.pl]. Zarówno LNG, jak i metanol
mają bowiem swoje odpowiedniki w postaci biopaliw, tj. biometanu i biometanolu,
zaliczanych do odnawialnych źródeł energii jako gazowa lub ciekła postać biomasy.
Ich użycie sprzyja nie tylko ograniczeniu emisji CO2, ale także innych toksycznych
składników spalin.
obciążenie dla środowiska
korzyści dla społeczeństwa
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 183
Ponadto wprowadzono dobrowolnie określany Eksploatacyjny Wskaźnik
Efektywności Energetycznej (Energy Efficiency Operational Indicator EEOI),
pozwalający na bieżącą ocenę efektywności transportowej statku na podstawie
danych eksploatacyjnych statku. EEOI definiowany jest jako
Dm
CFC
EEOI
oc
j
Fjj
arg
, (1)
gdzie:
FCj masa zużytego paliwa w czasie podróży (jazda w morzu i postój w porcie)
przez silniki główne i pomocnicze, kotły oraz spalarkę,
J rodzaj paliwa,
CFj współczynnik konwersji, wyrażony stosunkiem masy CO2, powstałego
ze spalania zużytego paliwa rodzaju j,
mcargo masa przewiezionego ładunku (tony) lub wykonana praca (liczba
kontenerów TEU lub pasażerów) albo pojemność (GT) dla statków
pasażerskich,
D dystans w milach morskich, na którym przewieziono ładunek lub wykonano
pracę transportową.
Wartości współczynnika konwersji CF zależne od zawartości węgla
w paliwie. Przykładowo dla oleju napędowego CF = 3,206 [t CO2 / t paliwo], a dla LNG
CF = 2,75 [t CO2 / t paliwo] [Guidelines for Voluntary Use].
Między innymi ze względu na małą wartość CF LNG jest silnie promowanym
paliwem dla statków w UE.
Osiągnięcie małej wartości EEOI jest możliwe głównie poprzez wszelkie
przedsięwzięcia, sprzyjające obniżeniu zużycia paliwa przez statek, także w porcie.
Do podstawowych działań zmniejszających EEOI w czasie jazdy w morzu należy
np. zmniejszenie prędkości, wykorzystanie ciepła odpadowego ze spalin podobnie
jak w przypadku EEDI, ale także zastosowanie odnawialnych źródeł energii, na
którym skupiono główną uwagę w artykule. Niniejszy materiał opiera się w dużej
części na wcześniejszych publikacjach autora, poświęconych tym zagadnieniom
i stanowi podsumowanie tamtego etapu badań.
2. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ
ENERGII
Jedną z cech fizycznych energii odnawialnej jest mała gęstość jej strumienia
w porównaniu z energią konwencjonalną. Przykładowo promieniowanie słoneczne
charakteryzuje się gęstością strumienia <1,33 kW/m2, wiatr gęstością strumienia
EEOI
Wojciech Zeńczak
184 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
< 3 kW/m2, podczas gdy np. konwencjonalne spalanie węgla w komorze spalania
kotła to wartość 500 kW/m2 [Szargut i Ziębik 1998]. Ta cecha energii odnawialnej
sprawia, że jej wykorzystanie na statkach, gdzie mamy do czynienia z ograniczoną
powierzchnią, jest mało efektywne. Tym niemniej postęp technologiczny, jaki ma
miejsce w zakresie wykorzystania energii odnawialnych na lądzie, sprawia, że coraz
częściej sięga się po te źródła na statkach, aby zmniejszyć zużycie paliwa
konwencjonalnego i ograniczyć negatywne konsekwencje, wynikające z jego
spalania.
Kierując się własnymi doświadczeniami oraz faktami znanymi z literatury
przedmiotu w zakresie zastosowania odnawialnych źródeł energii na statkach,
przyjęto do rozważań dwa najważniejsze źródła energii odnawialnej, tj. energię
wiatru i energię promieniowania słonecznego.
3. SPOSOBY WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRU
3.1. Wprowadzenie
W energetyce wiatrowej z punktu widzenia możliwej do wykorzystania energii
wiatru przez siłownię wiatrową największe znaczenie ma średnioroczna prędkość
wiatru na danym terenie na określonej wysokości nad powierzchnią ziemi. Wraz ze
wzrostem wysokości nad powierzchnią ziemi rośnie średnia prędkość wiatru.
Profil prędkości wiatru, czyli wykres przedstawiający średnią prędkość wiatru
wiejącego z danego kierunku jako funkcję wysokości nad terenem ziemi lub wodą,
silnie zależy od ukształtowania terenu i chropowatości podłoża, a także czasu
uśredniania prędkości. Badania wykazują, że wpływ tarcia na poziome ruchy
powietrza istotny jest w warstwie powietrza, stykającej się bezpośrednio z ziemią,
o grubości rzędu 1 km [Flaga 2008]. Według wszelkich klasyfikacji szorstkości
terenu powierzchnia wody, jak otwarte morze, należy do terenów o najniższych
wartościach szorstkości. Poznanie tych cech wiatru spowodowało rozwój nowych
technologii wykorzystania wiatru obok znanego ze starożytności pędnika
żaglowego.
3.2. Pędnik żaglowy
Do czasów wynalezienia maszyny parowej tłokowej pędnik żaglowy był podsta-
wowym źródłem napędu na statkach, by później stać się ewentualnie pędnikiem
pomocniczym. Stosunkowo długo żagle utrzymywały się w tej roli na kutrach oraz
statkach rybackich i to nawet w czasach, kiedy do napędu stosowano już pow-
szechnie spalinowy silnik tłokowy. Wzrost mocy i sprawności silników spalino-
wych, stosunkowo niskie ceny paliwa, a także kłopotliwa obsługa i ograniczenia,
wynikające z podstawowej wady pędnika żaglowego, jaką jest konieczność
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 185
halsowania w przypadku niesprzyjającego kierunku wiatru, spowodowały, że żagle
na długo znikły ze statków.
Światowe kryzysy paliwowe i związane z tym wzrosty cen ropy naftowej
przywróciły zainteresowanie żaglem jako wspomagającym pędnikiem wiatrowym.
Tradycyjne typy ożaglowania ulegały przy tym znacznym modernizacjom, ukierun-
kowanym na uproszczenie obsługi. Stosowano ożaglowania zarówno z żaglami
prostokątnymi, jak i trójkątnymi. W porównaniu do rozwiązań tradycyjnych charak-
teryzowały się one korzystniejszymi właściwościami aerodynamicznymi i całko-
wicie zmechanizowanymi sposobami refowania i brasowania żagli, sterowanymi
z mostka z wykorzystaniem komputera. Żagle, takielunek i omasztowanie wykonane
były z nowych materiałów konstrukcyjnych.
Zastosowanie żagli jako wspomagającego napędu na statkach motorowych
łączy się jednak z wieloma ograniczeniami na różnych typach statków jak np.
trudności w za- i wyładunku przy użyciu portowych urządzeń przeładunkowych czy
też ograniczenia wykorzystania wiatru w zależności od trasy żeglugi. Być może są
to przyczyny tego, że mimo korzystnego wpływu tych rozwiązań na wartości EEDI
czy EEOI nie znajdują się one w powszechnym użyciu. Nie ustają jednak prace,
mające na celu poprawienie właściwości pędników żaglowych, np. poprzez
wykorzystanie wiatrów wiejących z większą prędkością na dużej wysokości.
Przykładem jest cargoproa, której koncepcja oparta jest na tradycyjnej proa z wysp
Mikronezji czyli jednokadłubowej łodzi z bocznym pływakiem. Zastosowanie
bocznego pływaka pozwala na zastosowanie masztów o wysokości 100–150 m bez
obawy o utratę stateczności statku [Laursen 2014].
Koncepcję tego rozwiązania przedstawia rysunek 1.
Rys.1. Cargoproa
Fig.1. Cargoproa
Źródło: [Laursen 2014].
Wojciech Zeńczak
186 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
3.3. Rotory Flettnera
Rotory Flettnera, wykorzystujące efekt Magnusa, po raz pierwszy zastosowano
w 1920 roku na niemieckim statku Buckau (rys. 2). Rozwiązanie to nie cieszyło
się jednak zbyt dużym zainteresowaniem do roku 2010, kiedy to oddano do
eksploatacji w Niemczech innowacyjny statek lo-ro „E-ship-1” z napędem spali-
nowo-elektrycznym wspomaganym czterema rotorami. Każdy z nich ma wysokość
27 m i średnicę 4 m. Optymalną siłę ciągu rotorów zyskuje się przy kącie wiatru
100130o w stosunku do kursu [Shiffbau & Schiffstechnik 2013]. Przy wietrze
przeciwnym do ruchu statku, aby w pełni móc wykorzystać rotory, niezbędne jest
halsowanie jak na tradycyjnym statku żaglowym. Jak pokazuje praktyka, zastoso-
wanie rotorów pozwala na 30% redukcję zużycia paliwa, co bardzo korzystnie
wpływa na wskaźnik EEOI.
Rys. 2.
Niemiecki statek Buckau z napędem spalinowym wspomaganym rotorami Flettnera
Fig. 2. German motor ship Buckau with assisted Flettner rotors
Źródło: http:// www.wikiwand.com.
W rotor Flettnera wyposażono także na wiosnę 2018 roku prom Viking
Grace, który znany jest z tego, że jest pierwszym dużym statkiem pasażerskim
napędzanym LNG. Zastosowanie tego wspomagającego pędnika wiatrowego
powinno obniżyć emisję CO2 przez ten statek o 900 Mg rocznie [http://www.hansa
online.de].
3.4. Technologia Oceanfoil
Technologia wykorzystania wiatru pozwalająca na uzyskanie 20% redukcji zużycia
paliwa przez statek, opracowana przez brytyjską firmę Oceanfoil, oparta jest na
zastosowaniu skrzydłożagli. Siła ciągu skrzydłożagli generowana jest na takiej
samej zasadzie jak siła nośna na skrzydle samolotu. Statek handlowy płynący
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 187
ze średnią prędkością 1718 w może mieć wiatr od dziobu średnio nawet więcej niż
przez 50% czasu podróży. Wiatrowy system energetyczny wykorzystuje wiatr
pozorny i generuje siłę wzdłuż osi statku, której wartość zależy od kąta natarcia.
Można oczekiwać pojawienia się dodatniej siły ciągu przy kierunku wiatru
pozornego w sektorze 18180º, co jest ogromnym osiągnięciem, eliminującym wady
innych pędników wiatrowych. Zespoły skrzydłożagli ustawione pionowo na
obrotowych platformach, obracających się optymalnie w stosunku do kierunku
wiatru. Dla uzyskania optymalnych osiągów duże statki mogą mieć do sześciu,
a małe 2–3 platformy ze skrzydłami. Całość sterowana jest z mostka za pośred-
nictwem komputera i nie wymaga ingerencji członków załogi. System dostępny jest
od roku 2015 i możliwe jest jego instalowanie na statkach wcześniej wybudowanych
[http://www.oceanfoil.com].
Na rysunku 3 przedstawiono widok statku ze skrzydłożaglami Oceanfoil oraz
możliwe ich rozmieszczenie na masowcu.
Rys. 3. Technologia skrzydłożagli Oceanfoil
Fig. 3. Oceanfoil Technology of Wings
Źródło: http://www. oceanfoil.com.
3.5. Pędnik wysokościowy
Współczesny pędnik wysokościowy stanowi latawiec, połączony ze statkiem liną
o długości 100–500 m, który konstrukcyjnie przypomina paralotnię. W rozwiązaniu
tym wykorzystuje się większe prędkości wiatrów wiejących na wysokościach od
100 do 500 m n.p.m. Wykorzystanie latawca sprowadza się wyłącznie do użycia go
jako wspomagającego napędu statku [Zeńczak 2012].
Najbardziej zaawansowany, przetestowany i oferowany już na rynku jest
system firmy Sky Sails. W tym przypadku latawiec przypomina dwupowłokową
paralotnię nadmuchiwaną powietrzem. Dzięki odpowiedniemu profilowi, na
latawcu, podobnie jak na skrzydle samolotu, pojawia się siła nośna ułatwiająca jego
wzniesienie. Wewnątrz liny holującej znajduje się kabel, zasilający umieszczoną
pod latawcem gondolę z elektronicznym układem sterującym. Dzięki utrzymywaniu
Wojciech Zeńczak
188 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
latawca w ciągłym ruchu po torze w kształcie „ósemki” wzrasta siła nośna,
rozwijająca dużą siłę holującą. Całość operacji nadzoruje komputer. Rozwiązania te
znalazły zastosowanie na dużych statkach morskich, ale mogą być też adaptowane
dla mniejszych jednostek jak np. kutry rybackie.
Latawiec jest atrakcyjnym pędnikiem, ponieważ siła, z jaką działa na statek
bezpośrednio, generuje moc holowania bez dodatkowych strat energii, wynikających
z jej konwersji. Przyjmując przeciętną wartość sprawności napędowej statku
motorowego jako stosunek mocy holowania do mocy doprowadzonej do stożka
śruby, równą ok. 0,5, ekwiwalentna moc silnika dla nadania tej samej prędkości
statkowi musi być dwukrotnie większa od mocy latawca.
Na przykładzie kutra rybackiego na rysunku 4 przedstawiono schemat układu
sił działających na statek [Zeńczak 2014].
Rys. 4. Układ sił działających na kuter oraz moc holowania wiatru Pdw
Fig. 4. Forces system acting on the cutter and the towing power of wind Pdw
Źródło: [Zeńczak 2014].
Mimo że użycie latawca sprowadza się nie tylko do wiatru pełnego, ale także
do półwiatru, a nawet do jednej czwartej wiatru, to podobnie jak pędnik żaglowy tak
i pędnik wysokościowy ma podstawową wadę, tj. konieczność halsowania
w przypadku niesprzyjającego kierunku wiatru.
Pierwszym na świecie towarowym statkiem z pełnym sterowaniem automa-
tycznym latawca był zwodowany w 2007 roku kontenerowiec 475 TEU, MS
Beluga SkySails”. Statek rozwijał prędkość 15,5 w przy mocy silnika głównego
równej 3840 kW. Według zapewnień producenta przy powierzchni latawca równej
160 m2 można osiągnąć ok. 15–20% oszczędność w zużyciu paliwa, a w przypadku
latawca o powierzchni dwukrotnie większej, operującego na wysokości do 420 m,
przewidzianego dla masowca o nośności 25 000 DWT, nawet do 35% [Zeńczak
2012].
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 189
3.6. Turbiny wiatrowe
Ponieważ moc turbiny wiatrowej wzrasta z kwadratem średnicy wirnika, to dąży się
do stosowania jak największych średnic. Wymiary turbin na statku muszą być jednak
ograniczone w stosunku do tych, jakie spotyka się na lądzie ze względu na
stateczność statku. W przypadku instalacji kilku turbin dodatkowo należy zachow
między nimi odległość nie mniejszą niż cztery średnice wirnika w celu uniknięcia
wzajemnego zakłócania strumienia wiatru. Moce osiągane przez turbiny o wymia-
rach adekwatnych do wymiarów statku mogą jedynie poprawić bilans energetyczny
przez częściowe odciążenie elektrowni okrętowej ze spalinowymi zespołami
prądotwórczymi i na ogół nie w stanie pokryć całkowitego zapotrzebowania na
energię elektryczną. Na małych jednostkach, jak jachty czy kutry, wykorzystywane
są do ładowania akumulatorów, co także przyczynia się do pewnych oszczędności
w zużyciu paliwa.
Jednym z największych statków, zbudowanych w jednej z polskich stoczni, był
produktowiec B573 o długości całkowitej 183 m i szerokości 32,2 m. Spełniając
wspomniane wcześniej kryteria, zakładając instalację turbin wiatrowych w najko-
rzystniejszym rejonie, tj. na nadbudówce, możliwe byłoby zastosowanie np. dwóch
turbin o średnicach wirnika 8 m.
Wykres przedstawiający zależność mocy pojedynczej turbiny od prędkości
wiatru przedstawia rysunek 5.
Rys. 5. Moc turbiny w funkcji prędkości wiatru
Fig. 5. Turbine power as a function of wind speed
Źródło: [Zeńczak 2012].
Jak widać z wykresu, przy założonej średnicy wirnika 8 m uzyskiwane moce
nie są duże. Z dwóch turbin przy sile wiatru odpowiadającej 6 do 7 w skali Beauforta
(ok. 16 m/s) można uzyskać moc ok. 120 kW. Stanowi to około 30% zapotrze-
bowania na moc elektryczną w czasie postoju tej jednostki na redzie. Można zatem
uzyskać pewne odciążenie spalinowego zespołu prądotwórczego oraz pewne
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
v [m/s]
D=8 m
D=15
m
Wojciech Zeńczak
190 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
oszczędności oleju napędowego rzędu 20 kg w ciągu godziny. Zastosowanie wirnika
o średnicy ok. 15 m dałoby przy takiej samej sile wiatru ok. 210 kW mocy z jednej
turbiny. Przy dwóch turbinach nastąpiłoby zatem pełne pokrycie potrzeb na energię
elektryczną w czasie postoju na redzie. Taka wielkość średnicy wirnika jest
akceptowalna pod warunkiem usytuowania turbin w większej odległości od siebie,
np. na rufie i na dziobie statku. Można także rozważyć przyjęcie innej ich liczby, np.
cztery turbiny po jednej na dziobie i na rufie oraz na skrzydłach nadbudówki.
Możliwe jest wykorzystanie na statkach także turbin o osi pionowej.
Przykładem udanej aplikacji jest rozwiązanie zastosowane w 2011 roku przez Stena
Lines. Polega ono na umieszczeniu na pokładzie dziobowym promu Stena
Jutlandica” dwóch czterometrowych turbin wiatrowych o osi pionowej typu
Darrieusa, osiągających łącznie moc 8 kW. W ciągu roku produkują one 23 000 kWh
energii elektrycznej, która służy do oświetlenia pokładu samochodowego.
Najistotniejszą zaletą zastosowanych turbin tego typu jest nie tyle produkcja
energii elektrycznej, co obniżenie czołowego oporu powietrza stawianego przez
nadbudówkę. Pozwala to na uzyskanie oszczędności od ok. 80 do 90 Mg paliwa
w ciągu roku przez silniki główne [Wind Turbine Power 2011].
Na rysunku 6 przedstawiono widok turbin umieszczonych na dziobie promu.
Rys. 6. Turbiny Darrieusa na dziobie promu Jutlandica
Fig. 6. Darrieus turbines on the bow of the Jutlandica ferry
Źródło: [Wind Turbine Power„World First” for Ferry, 2011, Motorship, nr 7–8].
Turbiny wiatrowe przeznaczone do zastosowań na małych jednostkach
pływających napędzają najczęściej generatory prądu przemiennego, który następnie
zamieniany jest na prąd stały 12, 24 lub 48 V.
Na jednostkach o długości w przedziale 1724 m można przyjąć, że realnie
możliwe jest zainstalowanie turbiny o średnicy wirnika równej nawet 2 m.
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 191
Przykładem takiej turbiny może być bardzo wydajna turbina japońskiej firmy
Zephyr typu Airdolphin Mark-Zero/Pro (Z-1000-24/Z-1000-48) o średnicy wirnika
1,8 m. Przy prędkości wiatru 12,5 m/s generuje ona 1 kW mocy elektrycznej.
W tabeli 1 przedstawiono roczną teoretyczną ilość wyprodukowanej energii
elektrycznej w zależności od prędkości wiatru i możliwe do zaoszczędzenia przez
jednostkę ilości paliwa przy założeniu jednostkowego zużycia paliwa przez silnik
0,240 kg/kWh [Zeńczak 2014]. Na większych jednostkach celowe może być
rozmieszczenie większej liczby takich turbin.
Tabela 1. Roczna produkcja energii elektrycznej przez jedną turbinę
Airdolphin Mark-Zero/Pro i możliwe oszczędności paliwa
Table. 1. Annual electricity production from one Airdolphin Mark-Zero / Pro turbine
and possible fuel savings
Średnioroczna prędkość wiatru [m/s]
3
4
6
7
8
Roczna produkcja energii elektrycznej [kWh]
260
660
2050
2970
3930
Zaoszczędzona ilość paliwa [kg]
62
158
492
713
943
Źródło: [Zeńczak 2014].
4. TECHNIKA SOLARNA NA STATKACH
Natężenie promieniowania słonecznego, jakie dociera do Ziemi wskutek odbić,
absorpcji i rozproszenia w atmosferze, nie przekracza 1 kW/m2. Średnio, największa
gęstość tego strumienia energii na Ziemi występuje w strefie tropikalnej. W praktyce
energia promieniowania słonecznego najczęściej przetwarzana jest na ciepło
(konwersja fototermiczna) lub na energię elektryczną (konwersja fotowoltaiczna).
W przypadku jednostek pływających jak dotąd zastosowanie znajduje konwersja
fotowoltaiczna. Początki jej wykorzystania do napędu statków miały miejsce
w końcu XX wieku. Dotychczasowe zastosowania skupiały się przede wszystkim na
użyciu ogniw fotowoltaicznych do wytwarzania prądu elektrycznego, zasilającego
silniki elektryczne, napędzające pędniki niewielkich jednostek rekreacyjnych,
głównie śródlądowych. Pierwszym statkiem wykorzystującym energię słoneczną do
napędu był elektryczny katamaran konstrukcji Lana Freemana, wybudowany w 1975
roku w Anglii. Silnik o mocy 750 W zapewniał prędkość 5 km/h [Szymczak 2002].
Największym do tej pory wybudowanym statkiem solarnym jest katamaran
„Mobicat” o długości 33 m, zabierający 150 pasażerów. Jest to statek śródlądowy,
eksploatowany na jeziorze Bielersee w Szwajcarii. Moduły fotowoltaiczne
o wysokiej sprawności rozmieszczone są na dachu o powierzchni 180 m2. Osiągana
moc elektryczna z ogniw 20 kW zapewnia pływanie z prędkością 14 km/h [Minder
i Vollenweider 2004].
Wojciech Zeńczak
192 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
Największy statek solarny pod względem powierzchni paneli to „PlanetSolar,
który w 2012 roku zakończył, trwającą 18 miesięcy, podróż dookoła świata.
Powierzchnia paneli o sprawności 18,8% wynosi 537 m2, a ich moc 93,5 kW. Jego
budowa, jak i rejs, mają głównie znaczenie marketingowe i promocyjne, ale
pokazują także szczyt możliwości napędu solarnego [http://www. planetsolar.org.].
Obecnie na świecie eksploatowanych jest też wiele małych łodzi i jachtów,
wykorzystujących ogniwa fotowoltaiczne do zasilania układu napędowego
z silnikiem elektrycznym lub tylko do ładowania akumulatorów. Wspólną cechą tych
jednostek są niewielkie wymiary, eksploatacja przy braku kołysań i mała prędkość
pływania, z czym wiąże się niewielkie zapotrzebowanie na moc do napędu.
Zapotrzebowanie mocy przez pędnik wzrasta z prędkością statku do potęgi trzeciej,
a zatem dla większych statków i większych prędkości wykorzystanie energii
promieniowania słonecznego jako jedynego źródła energii do napędu statku jest
obecnie nierealne, gdyż wymagałoby zastosowania bardzo dużych powierzchni
ogniw, co potwierdza konstrukcja statku PlanetSolar.
Niekiedy celowo wyposaża się statek w dodatkowe powierzchnie, pełniące
funkcję skrzydłożagli, które pokryte ogniwami fotowoltaicznymi. Przykładem
takiej jednostki jest statek Solar Sailor, wprowadzony do eksploatacji w roku 2000
i przeznaczony do wykonywania rejsów wycieczkowych po porcie Sydney (rys.7).
Rys. 7. Solar Sailor pierwszy statek z napędem hybrydowym wiatrowo-słonecznym
Fig. 7. Solar Sailor the first wind-/solar-powered hybryd vessel
Źródło: http://www. solarsailor.com/solar-sails.
Innym przykładem, gdzie zastosowano skrzydłożagle, jest wybudowany
później również przez firmę Solar Sailor statek Solar Albatros [http://www.solar-
sailor.com/solar-sails]. to więc jednostki o napędzie hybrydowym wiatrowo-
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 193
słonecznym, które najczęściej są przedstawiane wśród rozwiązań dla statków
przyszłości.
Na pełnomorskich statkach towarowych, wymagających większych mocy
napędu głównego, nawet panele fotowoltaiczne o stosunkowo dużej powierzchni nie
będą w stanie zaspokoić zapotrzebowania na energię elektryczną do napędu. Celowe
natomiast jest wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do wspomagania
produkcji energii elektrycznej na potrzeby ogólnookrętowe. Wśród dużych statków
jest już wiele takich przykładów. Najbardziej spektakularnym przykładem jest
samochodowiec „Emerald Ace” o zainstalowanej całkowitej mocy ogniw równej
160 kW i akumulatorach o pojemności 2,2 MWh. Pozwala to na korzystanie w porcie
wyłącznie z energii elektrycznej, wyprodukowanej przez ogniwa fotowoltaiczne.
Jest to pierwszy w świecie statek oceaniczny o zerowej emisji spalin podczas postoju
w porcie [http://www.mol.co.jp].
Ogniwa fotowoltaiczne na statkach towarowych muszą być tak usytuowane, aby
możliwe było prowadzenie przeładunków i aby nie były przy tym narażone
na uszkodzenia mechaniczne. Stosunkowo najłatwiej jest rozmieścić moduły ogniw
na masowcach i drobnicowcach na pokrywach luków ładowni, a także na zbiorni-
kowcach na skrzydłożaglach (rys. 8).
Rys. 8. Wizja zbiornikowca wyposażonego w skrzydłożagle
pokryte ogniwami fotowoltaicznymi
Fig. 8. The vision of a tanker equipped with wing wings covered with photovoltaic cells
Źródło: [Dawning of the Age of Aquarius 2012].
Projektanci systemu skrzydłożagli z panelami fotowoltaicznymi dla zbiorni-
kowca, przedstawionego na rysunku 8, zapewniają redukcję w zużyciu paliwa na
poziomie 20%. Nadają się do tego także inne statki, np. typu ro-ro z dodatkowo
Wojciech Zeńczak
194 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
wykonanymi zadaszeniami, natomiast praktycznie nie nadają się do tego konte-
nerowce, na których kontenery ładowane są ponad pokład główny.
Przykładowe obliczenia możliwej do wyprodukowania ilości energii elektrycz-
nej przy wykorzystaniu modułów ogniw fotowoltaicznych, rozmieszczonych
w nadających się do tego miejscach, wykonano także dla trzech statków wybu-
dowanych w jednej z polskich stoczni. W każdym przypadku przyjęto ten sam typ
modułu solarnego o sprawności 14%.
Wyniki obliczeń dla wybranych statków przedstawia tabela 2 [Zeńczak 2004].
Uzyskane z modułów moce prądu porównano z zapotrzebowaniem na moc
elektryczną w dwóch charakterystycznych stanach eksploatacyjnych, tj. w czasie
postoju i podczas jazdy w morzu. Jak widać, największe pokrycie potrzeb można
uzyskać na zbiornikowcu ze względu na największą powierzchnię ogniw. Na tym
statku uzyskać można też największe oszczędności paliwa.
Tabela 2. Wyniki obliczeń dla wybranych typów statków
Table 2. Calculation results for selected ship types
Typ statku
Powierzchnia
pod moduły
[m2 ]
Moc łączna
modułów
[kW]
Pokrycie potrzeb
[%]
Oszczędność
paliwa
[kg/h]
Reda
Morze
Masowiec
672
83,0
28,2
16
11
Zbiornikowiec
2304
308,1
88,3
47,3
58
Statek typu ro-ro
1817
160,5
44,2
11,7
8
Źródło: [Zeńczak 2002].
Ogniwa fotowoltaiczne mają jednak pewne wady, w szczególności istotne, gdy
przewidywane są jako podstawowe źródło energii do napędu, np. na wspomnianych
jednostkach śródlądowych. Podstawową wadą jest brak możliwości produkcji
energii elektrycznej w nocy, a także niska sprawność i wyłączanie się przy
przeciążeniach.
Nad poprawą sprawności ogniw fotowoltaicznych trwają nieustanne prace.
Aktualny rekord sprawności należy do nowego typu ogniw, wykorzystujących
technologię skupiania na nich promieni (ogniwa CPV) i wynosi 46%. Osiągnięcie
to należy do francuskiej firmy Soitec, a jej celem jest teraz uzyskanie 50-procentowej
wydajności ogniwa [http://www.gramwzielone.pl]. Zastosowanie tych ogniw na
statkach pozwoliłoby na nieomal potrojenie produkowanej energii z tej samej
powierzchni co obecnie.
Wybrane sposoby poprawy wskaźników efektywności energetycznej statku
Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 108, grudzień 2018 195
5. PODSUMOWANIE
Przedstawione sposoby wykorzystania energii wiatru i promieniowania słonecznego
na statkach przyczyniają się do poprawy wskaźników EEDI oraz EEOI. Trudno
jednoznacznie wskazać, które z nich powinny być w pierwszym rzędzie brane pod
uwagę, ponieważ zależy to od rodzaju statku, a także od jego wielkości. Każdy statek
należy zatem traktować indywidualnie. Może być także zasadne w niektórych
przypadkach jednoczesne zastosowanie różnych źródeł i instalacji wykorzystu-
jących wiatr, jak np. skrzydłożagli pokrytych ogniwami fotowoltaicznymi,
zaangażowanych bezpośrednio do napędu statku i produkcji energii elektrycznej
oraz turbin wiatrowych do produkcji energii elektrycznej.
Wskazane byłoby zalecenie stosowania układów hybrydowych wiatrowo
słonecznych, ponieważ ta sama powierzchnia na statku jest najczęściej wykorzys-
tywana jednocześnie przez dwa źródła, co umniejsza istotną wadę źródeł energii
odnawialnych, jaką jest mała gęstość strumienia energii.
Na statkach możliwe jest także wykorzystanie innych źródeł energii
odnawialnej, w szczególności różnych postaci biomasy. Pierwsze pozytywne
doświadczenia ze statkami napędzanymi LNG czy metanolem otwierają drogę do
szerokiego wykorzystania biometanu i biometanolu. Celowe może być zastoso-
wanie w siłowni turboparowej biomasy stałej w postaci peletu, szczególnie toryfiko-
wanego, o wysokiej wartości opałowej. Zastosowanie kotła fluidalnego zasilanego
peletem jest wyjątkowo ekologiczne [Zeńczak 2010].
LITERATURA
Dawning of the age of Aquarius, 2012, Motorship, nr 3.
Flaga, A., 2008, Inżynieria wiatrowa, Arkady Sp z o.o., Warszawa.
Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI)
MEPC.1/circ.684.
IMO, 2016, Methanol as Marine Fuel: Environmental Benefits, Technology Readiness, and Economic
Feasibility, Report No. 20151197, Rev.
Laursen, W., 2014, Wind Propulsion Designers Wait on Shipowner Participation, Motorship, nr 9.
Minder, R., Vollenweider, J., 2004, MobiCat- das Zurzeit Größte Solarschiff der Welt, Bulletin
SEV/AES, nr 9.
Schiffbau & Schiffstechnik, Schiffsbeschreibung, 2011, Innovatives Spezialschiff mit kombiniertem
Antriebssystem, Shiff & Hafen, nr 1, s. 2833.
Szargut, J., Ziębik, A., 1998, Podstawy energetyki cieplnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
Szymczak, P., 2002, EnergyEfficient Electric Drive for Floating Vessels Supplied with Solar Batteries,
Proceedings of the 9th International Symposium on Heat Transfers and Renewable Sources of
Energy, Szczecin.
Wind Turbine Power „World First” for Ferry, 2011, Motorship, nr 78.
Zeńczak, W., 2004, The Possibility of Renewable Energy Use on Ships, Proceedings of the 10th
International Symposium on Heat Transfers and Renewable Sources of Energy, Szczecin.
Wojciech Zeńczak
196 Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
Zeńczak, W., 2010, The Concept of Ship’s Power Plant Arrangement Involving Biomass Fired Boiler,
Journal of Polish CIMAC, vol. 5, no.1, Energetic Aspects, Gdańsk, s. 205212.
Zeńczak, W., 2012, The Selected Methods of Utilizing the Wind Power as the Auxiliary Source of
Energy on Diesel Engine Powered Ships, Journal of Polish CIMAC, vol. 7, no. 1, Energetic
Aspects, Gdańsk, s. 305314.
Zeńczak, W., 2014, The Possibilities of Fishing Cutter Energetic Efficiency Improvement through the
Application of the Renewable Energy Sources, Journal of Polish CIMAC, vol. 9, no. 1, Energetic
Aspects, Gdańsk, s.145154.
Źródła internetowe
www. gospodarkamorska.pl (dostęp 13.05.2016).
www.gramwzielone.pl (dostęp 13.09.2016).
www. hansa online.de (dostęp 17.04.2018).
www.imo.org (dostęp 15.06.2013).
www.mol.co.jp (dostęp 13.09.2016).
www.oceanfoil.com/technology/ (dostęp 09.09.2016).
www.pgt.pl (dostęp 07.09.2016).
www. planetsolar.org (dostęp 13.09.2016).
www.solarsailor.com/solar-sails (dostęp 25. 04.2014).
www.wikiwand.com (dostęp 10.09.2016).
... Technologies and methods for improving the EEDI that implement the above actions are widely described in the literature [10,11]. These methods include hydrodynamic optimisations (hull design optimisations), propulsion optimisations (innovative propulsion system solutions), alternative fuels (LNG -Liquefied Natural Gas, CNG -Compressed Natural Gas), and other approaches (the use of renewable energy sources, operational methods, and innovative solutions for controlling the equipment in shipboard electrical systems). ...
Article
Full-text available
In this study, the authors present a theoretical analysis and experimentally verified methods to improve the Energy Efficiency Design Index (EEDI) of ships. The improvements were studied via the application of an innovative solution of a thruster supplied by a hybrid power system on board a passenger-car ferry. The authors performed sea trials of a ship’s electrical power system supplied by battery packs with diesel generating set power units. The experimental study focused on energy balance and management, which were considered together with related power quality issues. The authors found that the application of an energy storage system to the ferry, such as batteries, with the simultaneous adaption of the operation modes of the electrical power system for current exploitation, significantly improved energy efficiency. Fuel consumption and CO 2 emission were reduced, while adequate parameters of electrical power quality were maintained to meet classification standards.
Article
The aim of the paper is to draw attention to the emissions of toxic compounds into the atmosphere problem by seagoing ships. Annex VI of the MARPOL Convention, which came into force in 2005, concern the prevention of air pollution from ships, forced shipowners to use solutions aimed at limiting the emission of these harmful substances into the atmosphere. One of the instruments enabling the implementation of these guidelines is the design energy efficiency index EEDI, introduced obligatorily for designed and newly built ships. In turn from 2013, the regulations also oblige shipowners to maintain an effective energy management plan during ship's operation, SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan). The paper presents factors that influence the reduction of fuel consumption by ships, leading to a reduction in emissions of harmful substances into the atmosphere and thus achieving the required EEDI and other indicators. These are factors related to the ship's hull, the main propulsion engine and the propeller-rudder system. The influence of each of these factors on the level of fuel consumption by the ship was indicated. The work highlights the methods of reducing fuel consumption by seagoing ships aimed at reducing emissions of toxic compounds into the atmosphere, which are currently the most popular and effective, and relate mainly to the hull and main propulsion engines.
Article
The article presents the results of the analysis of the possibilities of the application of the solid biomass in the form of pellets as the fuel for ships in consideration of the environment protection as well as due to increase of the liquid fuel prices and decreasing resources of the crude oil. As the object of investigation a ship of minor cruising range of river – sea type has been assumed, chiefly intended for the service on the Baltic Sea. The ship's power system solution has been discussed. A simplified comparative analysis of the fuel costs for a ship with power plant including biomass fired boilers and a ship with the conventional solution of the motor power plant supplied by Diesel oil has been demonstrated. The advantage of the application of the fluidised bed biomass fired boiler has been indicated and the research trends have been presented.
Inżynieria wiatrowa, Arkady Sp z o.o., Warszawa. Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI)
  • A Flaga
Flaga, A., 2008, Inżynieria wiatrowa, Arkady Sp z o.o., Warszawa. Guidelines for Voluntary Use of the Ship Energy Efficiency Operational Indicator (EEOI) MEPC.1/circ.684.
Wind Propulsion Designers Wait on Shipowner Participation, Motorship
  • W Laursen
Laursen, W., 2014, Wind Propulsion Designers Wait on Shipowner Participation, Motorship, nr 9.
  • R Minder
  • J Vollenweider
Minder, R., Vollenweider, J., 2004, MobiCat-das Zurzeit Größte Solarschiff der Welt, Bulletin SEV/AES, nr 9.
Energy-Efficient Electric Drive for Floating Vessels Supplied with Solar Batteries
  • J Szargut
  • A Ziębik
  • Wydawnictwo Podstawy Energetyki Cieplnej
  • Pwn Naukowe
  • Warszawa
  • P Szymczak
Szargut, J., Ziębik, A., 1998, Podstawy energetyki cieplnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Szymczak, P., 2002, Energy-Efficient Electric Drive for Floating Vessels Supplied with Solar Batteries, Proceedings of the 9 th International Symposium on Heat Transfers and Renewable Sources of Energy, Szczecin. Wind Turbine Power "World First" for Ferry, 2011, Motorship, nr 7-8.
The Possibility of Renewable Energy Use on Ships
  • W Zeńczak
Zeńczak, W., 2004, The Possibility of Renewable Energy Use on Ships, Proceedings of the 10 th International Symposium on Heat Transfers and Renewable Sources of Energy, Szczecin. Scientific Journal of Gdynia Maritime University, No. 108, December 2018
The Selected Methods of Utilizing the Wind Power as the Auxiliary Source of Energy on Diesel Engine Powered Ships
  • W Zeńczak
Zeńczak, W., 2012, The Selected Methods of Utilizing the Wind Power as the Auxiliary Source of Energy on Diesel Engine Powered Ships, Journal of Polish CIMAC, vol. 7, no. 1, Energetic Aspects, Gdańsk, s. 305-314.
The Possibilities of Fishing Cutter Energetic Efficiency Improvement through the Application of the Renewable Energy Sources
  • W Zeńczak
Zeńczak, W., 2014, The Possibilities of Fishing Cutter Energetic Efficiency Improvement through the Application of the Renewable Energy Sources, Journal of Polish CIMAC, vol. 9, no. 1, Energetic Aspects, Gdańsk, s.145-154.