Vindstödd framdrivning

Vindstödd framdrivning är metoden att minska bränsleförbrukningen för ett handelsfartyg genom att använda segel eller någon annan vindfångstanordning. Segel brukade vara det primära sättet att driva fartyg , men med tillkomsten av ångmotorn och dieselmotorn kom segel att användas endast för fritidssegling. Under de senaste åren med ökande bränslekostnader och ökat fokus på att minska utsläppen har intresset ökat för att utnyttja vindens kraft för att driva kommersiella fartyg.

En viktig barriär för implementeringen av alla koldioxidutsläppstekniker och i synnerhet vindstödda sådana, diskuteras ofta i den akademiska världen och branschen är tillgången på kapital. Å ena sidan har sjöfartslångivare totalt sett minskat sina åtaganden, medan nybyggnationer med låga koldioxidutsläpp samt renoveringsprojekt medför högre kapitalutgifter än vanligt (CapEx). Forskningsinsatser riktas därför mot utveckling av delad ekonomi och affärsmodeller för leasing, där fördelarna från minskad förbrukning av fossila bränslen samt vinster från koldioxidutsläpp eller minskade avgifter delas mellan användare, teknikleverantörer och operatörer .

Design

Det mekaniska sättet att omvandla vindens kinetiska energi till dragkraft för ett fartyg är föremål för många nya studier. Där tidiga fartyg konstruerade främst för segling designades runt segel som drev dem, är kommersiella fartyg nu konstruerade till stor del kring lasten som de transporterar, vilket kräver ett stort överskådligt däck och minimal riggning över huvudet för att underlätta lasthantering. En annan designhänsyn vid utformningen av ett segelframdrivningssystem för ett kommersiellt fartyg är att för att det ska vara ekonomiskt fördelaktigt kan det inte kräva en betydligt större besättning för att operera och det kan inte äventyra fartygets stabilitet. Med hänsyn till dessa designkriterier har tre huvudkoncept uppstått som de ledande designerna för vindassisterad framdrivning: "Wing Sail Concept", "Kite Sail" och "Flettner Rotor."

Vingsegel

Som ett resultat av de stigande oljepriserna på 1980-talet beställde den amerikanska regeringen en studie om den ekonomiska genomförbarheten av att använda vindstödd framdrivning för att minska bränsleförbrukningen för fartyg i US Merchant Marine . Denna studie övervägde flera konstruktioner och drog slutsatsen att ett vingsegel skulle vara det mest effektiva. Det studerade vingsegelalternativet bestod av ett automatiserat system av stora rektangulära solida segel uppburna av cylindriska master. Dessa skulle vara symmetriska segel, vilket skulle tillåta en minimal mängd hantering för att bibehålla segelorienteringen för olika vindvinklar; denna design var dock mindre effektiv. Ett litet fraktfartyg utrustades med detta system för att utvärdera dess faktiska bränslevinster, med resultatet att det beräknades spara mellan 15–25 % av fartygets bränsle.

Drakesegel

Drakesegelkonceptet har den senaste tiden fått stort intresse. Denna rigg består av att flyga en gigantisk drake från fören på ett skepp med hjälp av den dragkraft som draken utvecklat för att hjälpa till att dra skeppet genom vattnet. Andra koncept som har utforskats var designade för att drakriggen växelvis dras ut och dras tillbaka på en rulle och driver en generator. Draken som används i denna uppsättning liknar drakarna som används av rekreationsdrakeboardåkare, i mycket större skala. Denna design tillåter också användare att utöka sin skala genom att flyga flera drakar i ett staplat arrangemang.

Idén med att använda drakar var 2012 den mest populära formen av vindstödd framdrivning på kommersiella fartyg, till stor del på grund av den låga kostnaden för att eftermontera systemet på befintliga fartyg, med minimal störning av befintliga strukturer. Detta system tillåter också en stor mängd automatisering, med hjälp av datorkontroller för att bestämma den idealiska drakens vinkel och position. Att använda en drake gör det möjligt att fånga vind på större höjder, där vindhastigheten är högre och mer konsekvent. Detta system har använts på flera fartyg, med det mest anmärkningsvärda under 2009 var MS Beluga Skysails , ett handelsfartyg chartrat av US Military Sealift Command för att utvärdera anspråken på effektivitet och möjligheten att montera detta system på andra fartyg.

Flettner rotor

Ett tidigt skepp som visar användningen av Flettner rotorer

Diagram som visar driftprinciperna för Flettner-rotorn

Den tredje designen som övervägs är Flettner-rotorn . Detta är en stor cylinder monterad upprätt på ett fartygsdäck och mekaniskt snurrad. Effekten av detta snurrande område i kontakt med vinden som strömmar runt det skapar en dragkraftseffekt som används för att driva fartyget. Flettner rotorer uppfanns på 1920-talet och har haft begränsad användning sedan dess. 2010 utrustades ett 10 000 dwt lastfartyg med fyra Flettner-rotorer för att utvärdera deras roll för att öka bränsleeffektiviteten. Sedan dess har flera lastfartyg och en passagerarfärja försetts med rotorer.

Den enda parametern för Flettner-rotorn som kräver kontroll är rotorns rotationshastighet, vilket innebär att denna metod för vindframdrivning kräver mycket lite operatörsinsats. Jämfört med kitesegel erbjuder Flettners rotorer ofta betydande effektivitetsvinster jämfört med storleken på ett segel eller en drake, jämfört med rotorns storlek och rådande vindförhållanden.

Exempel på 2018 Flettner rotorinstallationer inkluderar:

• Kryssningsfärjan Viking Grace blev det första passagerarfartyget med en rotor.
• Vätskebulktankern Maersk Pelican i eftermonterades med två rotorer.
• Ultramax bulkfartyget Afros fick fyra rotorer, som kan flyttas åt sidan under hamndrift.

Flensburgs katamaran vid Kielveckan 2007

Maersk Pelican med Flettner-rotorer

Stigande trender

Effektivitetsvinsterna för dessa tre framdrivningsassistansmekanismer är vanligtvis runt 15–20 % beroende på systemets storlek. Den främsta anledningen till att användningen av dessa mekanismer inte är mer utbredd är främst rederiernas tveksamhet att installera oprövad utrustning. Med statliga initiativ för att uppmuntra till en minskning av koldioxidutsläppen och med stigande bränslekostnader, verkade det troligt att dessa framdrivningssystem skulle få mer utbredd användning under de kommande åren.

Projekt

• Smart Green Shipping Alliance
• Vindskip : Ett fartygsdesign med skrovet som segel
• Vindutmanarprojekt
• Ventifoil
• Havsfågel
• Segellast

Organisationer

• International Windship Association

Se även

• Viking Grace - rotorassisterat kryssningsfartyg
• Vindsurfning vindassisterat kryssningsfartyg
• Turbosegel – Typ av fartygsframdrivningssystem
• DynaRig – Modern form av rigg för segelfartyg
• Vätgasdrivet fartyg
• Nukleär marin framdrivning
• Intern drivning framdrivning
• Integrerad elektrisk framdrivning
• Kombinerad kärnkraft och ångframdrivning
• Bakåtdrivning
• Marin framdrivning
• Luftoberoende framdrivning