由于國際海事組織（IMO）邁向2050年軌跡，以及不斷上漲的燃料價(jià)格導(dǎo)致減少燃料消耗與碳排放的需要，航運(yùn)業(yè)正在重新挖掘風(fēng)力推動(dòng)的潛能。目前正在進(jìn)行中的多個(gè)項(xiàng)目對商船利用風(fēng)能的可行性開展研究。
世界各地港口的船舶觀測者都在納悶：有些船舶的甲板上，那些看上去有點(diǎn)滑稽的構(gòu)造是什么？高大的柱狀物看起來像尺寸超標(biāo)的煙囪，或者讓人聯(lián)想起飛機(jī)的機(jī)翼。
他們看到的是現(xiàn)代的風(fēng)帆，這是運(yùn)用最新科學(xué)發(fā)現(xiàn)推動(dòng)船舶的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于航運(yùn)業(yè)認(rèn)識到脫碳的必要性，目前產(chǎn)生了數(shù)量驚人、種類繁多的風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)（WAPS）項(xiàng)目，這些項(xiàng)目通常得到了政府支持。雖然眼下還不清楚，未來碳中和背景下有哪些驅(qū)動(dòng)船舶的燃料和技術(shù)，成本會(huì)是多少，但對于有遠(yuǎn)見的利益相關(guān)方來說，風(fēng)力輔助推進(jìn)技術(shù)已經(jīng)成為減少船舶碳足跡的技術(shù)之一，也為確定和開發(fā)下一代動(dòng)力源贏得了時(shí)間。
對風(fēng)力輔助推進(jìn)重拾興趣
“近年來已經(jīng)開展了大量的WAPS開發(fā)工作，但大部分不為主流市場所知”，DNV首席工程師Uwe Hollenbach表示，“現(xiàn)在這個(gè)行業(yè)開始意識到，降速航行和其他效率增強(qiáng)方式的效果有限，你必須想得更遠(yuǎn)?！?/p>
致力于風(fēng)能的倡議和聯(lián)合項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)。各類大會(huì)、研究和論文推動(dòng)航運(yùn)業(yè)界迎接風(fēng)力輔助推進(jìn)的到來。IMO近期更新了EEDI和EEXI的計(jì)算模式，讓W(xué)APS系統(tǒng)能發(fā)揮更大的現(xiàn)實(shí)效益。
新風(fēng)帆材料和虛擬建模實(shí)現(xiàn)效率水平最大化
這一領(lǐng)域肯定會(huì)出現(xiàn)新的動(dòng)態(tài)，而且是件嚴(yán)肅的事。“風(fēng)力是一種用之不竭的能源—可能有些不穩(wěn)定，但足夠強(qiáng)大，值得我們重新考慮”，DNV頂級帆船專家、高級首席工程師Hasso Hoffmeister說，“你基本上不會(huì)在風(fēng)能上出錯(cuò)—免費(fèi)、零碳，而且有很多改造方案可供選擇，其中不少都易于安裝。此外，在合適的地區(qū)，總能獲得零成本的風(fēng)能—它提供了一定的規(guī)劃可靠性，不再受制于燃燒燃料的供應(yīng)和價(jià)格波動(dòng)?！?/p>
帆船和流體動(dòng)力學(xué)專家、尤其是從事賽艇領(lǐng)域的專家一直在開發(fā)和改進(jìn)創(chuàng)新風(fēng)帆系統(tǒng)。通過先進(jìn)的輕量化材料和虛擬建模仿真，實(shí)現(xiàn)和展示了前所未有的效率水平。傳感器系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)對復(fù)雜的現(xiàn)代風(fēng)力推進(jìn)裝置的處理與控制加以優(yōu)化。目前成熟的技術(shù)使輔助風(fēng)力推進(jìn)成為貨輪現(xiàn)實(shí)可行的選擇之一。
風(fēng)力推進(jìn)的基本考量因素
在Uwe Hollenbach看來，考慮采用風(fēng)力輔助推進(jìn)時(shí)，需要考量以下基本因素：
-運(yùn)營地區(qū)應(yīng)具備足夠的風(fēng)力。相比中高緯度地區(qū)，熱帶地區(qū)的風(fēng)力不夠可靠。
-小型船舶可選擇的系統(tǒng)更多。但大型船舶往往受到限制，因?yàn)榭諝庾枇档土孙L(fēng)帆系統(tǒng)的效率。裝載甲板貨物的船舶也需要高效布置風(fēng)帆系統(tǒng)的新理念。
-天氣導(dǎo)航有助于提升WAPS效率。
-在啟動(dòng)WAPS項(xiàng)目前，強(qiáng)烈建議開展危害識別研究（HAZID）。桅桿和風(fēng)帆必須遠(yuǎn)離駕駛臺和吊桿，并保護(hù)其免受惡劣天氣和海況的影響。否則會(huì)影響船舶的操控和裝卸、視線及安全。
-新船規(guī)劃WAPS的效果要優(yōu)于改造，設(shè)計(jì)師可以考慮穩(wěn)性、效率以及電力需求，并將WAPS納入混動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)投資效益最大化。
由于這些因素，在現(xiàn)有采用風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)的船舶中，燃料節(jié)省和減排數(shù)值的差異很大。“DNV擁有全面的風(fēng)能專業(yè)知識和模擬工具。作為獨(dú)立第三方，我們能夠預(yù)測設(shè)計(jì)方案的輔助推進(jìn)功率和燃料節(jié)省情況，并計(jì)算EEDI或EEXI”，Hasso Hoffmeister說。DNV已經(jīng)制訂了WAPS系統(tǒng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，并對市場上很多WAPS系統(tǒng)授予了AiP（原則性認(rèn)可證書）。
基于DNVST-0511標(biāo)準(zhǔn)的DNV船級標(biāo)識WAPS，用于風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)，涵蓋了諸多常見的風(fēng)帆類型。
旋翼帆技術(shù)已得到證實(shí)
目前商船上最受歡迎也是風(fēng)險(xiǎn)最小的WAPS技術(shù)是旋翼帆，也被稱為福萊特納帆，以上世紀(jì)二十年代的發(fā)明者命名，Hoffmeister說。在小型船舶上安裝旋翼帆，通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了4.5%的燃料節(jié)省，最高可達(dá)25%。渡船、汽車船、多用途船、散貨船和油船上的旋翼帆改造相對簡單。
18米的“經(jīng)濟(jì)型福萊特納”旋翼帆最高可節(jié)省20%的燃料。
例如，Norsepower在一艘成品油船上改造了兩臺DNV認(rèn)證的旋翼帆，節(jié)約了8.2%的燃料消耗。之后，有兩艘混動(dòng)渡船安裝了DNV認(rèn)證的福萊特納旋翼帆。目前為止安裝旋翼帆的最大船舶是一艘散貨船，共安裝了五臺，旋翼帆在貨物裝卸時(shí)可以放倒，預(yù)計(jì)可節(jié)省8%的燃料消耗。DNV入級的滾裝船“SC Connector”安裝了兩臺福萊特納旋翼帆，預(yù)計(jì)將減少25%的排放，船舶通過大橋時(shí)可以放倒帆。目前驗(yàn)證測量工作正在進(jìn)行中。
“經(jīng)濟(jì)型福萊特納”平均節(jié)省10-20%的燃料消耗
“經(jīng)濟(jì)型福萊特納”的首個(gè)應(yīng)用項(xiàng)目是多用途船“Fehn Pollux”，該船安裝了一臺旋翼帆，其平均燃料節(jié)省高達(dá)10-12%，超出了所有人的預(yù)期。福萊特納大家庭的另一個(gè)成員，是倫敦的Anemoi海事技術(shù)公司在一艘散貨船上改建了四臺旋翼帆，并同樣通過了DNV認(rèn)證。旋翼帆安裝在滑軌上，可以避開碼頭吊桿。“福萊特納”原理越來越普及：DNV近期為韓國大宇造船海洋株式會(huì)社開發(fā)的旋翼帆系統(tǒng)授予了原則性認(rèn)可證書。
運(yùn)用帆船競賽技術(shù)減少商船的碳排放
與此同時(shí)，最初為帆船競賽發(fā)明的創(chuàng)新風(fēng)帆類型已經(jīng)進(jìn)入了商船貨運(yùn)領(lǐng)域，主要航運(yùn)公司都對運(yùn)用這些技術(shù)表示意愿。英國樸茨茅斯的BAR技術(shù)公司以及Yara海運(yùn)技術(shù)公司開發(fā)了名為“風(fēng)翼”的固體翼帆系統(tǒng)，并于2021年11月獲得了DNV的原則性認(rèn)可證書。這種模仿飛機(jī)機(jī)翼的翼帆設(shè)計(jì)為兩組到五組，完全由計(jì)算機(jī)控制。據(jù)BAR技術(shù)公司介紹，平均可以減少船舶30%的二氧化碳排放。
“為海事行業(yè)開發(fā)新的風(fēng)力推進(jìn)技術(shù)并非易事，因?yàn)榘踩幱谧钪匾牡匚?。在‘風(fēng)翼’的早期安裝中，與DNV的合作非常重要，我們獲益良多。通過原則性認(rèn)可的專業(yè)方法和架構(gòu)以及設(shè)計(jì)審批，我們的工作不僅確保績效，還注重可靠性與安全性”，BAR技術(shù)公司首席執(zhí)行官John Cooper表示。
“風(fēng)翼”可以折疊，能讓船舶通過橋梁，并確保貨艙口的自由出入。BAR技術(shù)公司與跨國食品巨頭嘉吉等公司建立了合作關(guān)系，將于2022年底在嘉吉一艘大型干散貨船上改造首臺“風(fēng)翼”。嘉吉宣布，計(jì)劃在未來幾年中租賃20艘以上的新型風(fēng)力輔助船。
翼帆可減少高達(dá)45%的環(huán)境足跡
DNV還向VPLP設(shè)計(jì)公司開發(fā)的AYRO海翼3.6.3風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)授予了原則性審批證書。這艘121米長的滾裝船計(jì)劃于2022年交付，將配備四臺自動(dòng)化“海翼”翼帆，預(yù)計(jì)該船的環(huán)境足跡將減少20-45%。
AlfaWall Oceanbird是華輪威爾森和阿法拉伐組建的合資公司，從事風(fēng)力推進(jìn)和風(fēng)力輔助的飛機(jī)機(jī)翼型剛性翼帆的開發(fā)工作。整個(gè)“海鳥”概念包括了翼帆、特殊設(shè)計(jì)的船體和航速/航線推薦，能減少最多90%的排放?！皬纳弦淮沃盅芯匡L(fēng)帆動(dòng)力以來，技術(shù)已經(jīng)大為改觀”，該公司董事總經(jīng)理Niclas Dahl介紹，“自動(dòng)化、傳感器、材料技術(shù)、航線規(guī)劃、天氣預(yù)報(bào)，所有這些結(jié)合在一起，讓我們從全新的角度審視風(fēng)力推進(jìn)。我們可以做15年前不可能做的事情?！?/p>
Cousteau演示吸力翼帆
吸力翼帆是指利用內(nèi)部的風(fēng)扇、通過開孔矩陣吸入周圍的空氣，從而產(chǎn)生翼帆的“抬升”效應(yīng)。這項(xiàng)技術(shù)由Jacques-YvesCousteau在他的“Alcyone”船上首次成功應(yīng)用，并得到了eConowind的優(yōu)化。目前在兩艘普通貨船上安裝了兩臺移動(dòng)箱式裝置，類似項(xiàng)目也在西班牙落地。
風(fēng)箏歸來
風(fēng)箏正在迎來復(fù)興：2022年，一種創(chuàng)新的自動(dòng)化風(fēng)箏帆將開展為期半年的海上試航，空客公司的子公司Airseas將在一艘滾裝船上布置半幅尺寸的“海翼”演示風(fēng)箏。另有一艘安裝海翼風(fēng)箏系統(tǒng)的LNG動(dòng)力散貨船計(jì)劃于2024年交付。
風(fēng)箏被視為一種非常有效的風(fēng)能利用方式。2022年，空客公司旗下的Airseas將在一艘滾裝船上布置半幅尺寸的“海翼”演示風(fēng)箏。
綠色融資青睞風(fēng)力推進(jìn)
隨著所有WAPS項(xiàng)目績效數(shù)據(jù)的出爐，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也會(huì)相當(dāng)可觀。而且新造船采用風(fēng)力輔助推進(jìn)對于綠色融資計(jì)劃來說更具吸引力。征收碳稅以及不斷收緊的脫碳目標(biāo)會(huì)增強(qiáng)風(fēng)力推進(jìn)的吸引力。在DNV全球航運(yùn)咨詢總監(jiān)Jan-Henrik Hübner看來，鑒于當(dāng)前燃料價(jià)格高企而WAPS技術(shù)已經(jīng)成熟，技術(shù)可行性方面已經(jīng)不存在壁壘，這是一個(gè)好消息：“運(yùn)營商無需購買的每一噸燃料都是額外的利潤”。畢竟，風(fēng)力就是金錢！
