Πως επηρεάζει η αερολίπανση της γάστρας την ενεργειακή απόδοση του πλοίου;

0

του Καπτ. Γεώργιου Γεωργούλη

Το 2018, ο Διεθνής Ναυτιλιακός Οργανισμός εξέδωσε στρατηγικές για τη μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα από τα πλοία. Στην προσπάθεια αυτή για μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και συμμόρφωση με τον δείκτη σχεδιασμού ενεργειακής απόδοσης (Energy Efficiency Design Index ‒ EEDI) διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας, όπως η «αερολίπανση», αναπτύχθηκαν για να καλύψουν τις ανάγκες της βιομηχανίας. Τα συστήματα «αερολίπανσης» αναγνωρίζονται από τον ΙΜΟ ως Κατηγορία Β-1 «Καινοτόμος Τεχνολογία Ενεργειακής Απόδοσης», όπως περιγράφεται στη MEPC.1/Circ.815.

Το σύστημα της «αερολίπανσης» με φυσαλίδες αέρα

Το σύστημα της «αερολίπανσης» με φυσαλίδες αέρα

Η πρώτη εφαρμογή που χρησιμοποιούσε φυσαλίδες αέρα για τα πλοία ήταν το Prairie / Masker Air System, που αναπτύχθηκε από την Εθνική Επιτροπή Έρευνας Άμυνας στα Αμερικανικά Ναυτικά Εργαστήρια κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Το σύστημα Masker εκπέμπει φυσαλίδες αέρα κάτω από το κύτος, με στόχο την απόκρυψη του θορύβου των μηχανών. Το σύστημα Prairie εκπέμπει φυσαλίδες γύρω από την έλικα με τον ίδιο στόχο. Και τα δύο συστήματα δημιουργήθηκαν προκειμένου να μειωθεί το ηχητικό αποτύπωμα του πλοίου στη θάλασσα, καθιστώντας το έτσι λιγότερο ανιχνεύσιμο από το σόναρ των εχθρικών υποβρυχίων.

Αργότερα οι επιστήμονες εξέτασαν την παραπάνω τεχνολογία ως εφαρμογή για τη μείωση της αντίστασης της γάστρας στο νερό κατά τον πλου και συνεπώς τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας από τις μηχανές, βελτιώνοντας την ενεργειακή του απόδοση.

Στην αντίσταση του πλοίου στο νερό, τα τρία στοιχεία είναι η τριβή, η αντίσταση από το σχήμα της γάστρας και, τέλος, η αντίσταση στον κυματισμό.

Για τα πλοία των οποίων η γάστρα έχει κατασκευαστεί για υψηλές ταχύτητες, η αντίσταση τριβής είναι περίπου 40%, αλλά για τα πλοία των οποίων η γάστρα έχει κατασκευαστεί για χαμηλές ταχύτητες η αντίσταση τριβής είναι σαφώς υψηλότερη και μπορεί να φτάσει το 85% της συνολικής αντίστασης. Είναι λοιπόν σαφές ότι, για τα πλοία χαμηλής ταχύτητας, η μείωση της αντίστασης στην τριβή θα οδηγούσε σε ακόμα μεγαλύτερη μείωση της κατανάλωσης του καυσίμου, πέρα από αυτή που επιτυγχάνεται με την παραδοσιακή βελτιστοποίηση της σχεδίασης του πλοίου και την αντίσταση στον κυματισμό.

Η αντίσταση στην τριβή του εξωτερικού κελύφους του πλοίου εξαρτάται από την επιφάνεια που καταλαμβάνουν τα βρεχάμενά του. Η τεχνολογία της «αερολίπανσης» μπορεί να μειώσει αυτή την αντίσταση τριβής για τα πλοία, επειδή αυτή η τεχνολογία δεν απαιτεί σημαντικές αλλαγές στη μορφή της γάστρας. Χωρίς σημαντικές αλλαγές στη μορφή της γάστρας ή αλλαγή στην επιχειρησιακή ταχύτητα, η αντίσταση κυματισμού είναι σχεδόν σταθερή, ενώ μειώνεται η τριβή.

Η «αερολίπανση» είναι η παροχή αέρα με τη μορφή φυσαλίδων κάτω από τη γάστρα, δημιουργώντας ένα στρώμα, με αποτέλεσμα να «γλιστράει» το πλοίο στο νερό μειώνοντας την τριβή του πάνω σε αυτό. Υπάρχουν τρεις μεγάλες κατηγορίες:
• Μείωση τριβής με φυσαλίδες (Bubble Drag Reduction).
• Μείωση τριβής με στρώμα αέρα (Air Layer Drag Reduction).
• Μείωση της μερικής ολίσθησης (Partial Cavity Drag Reduction).

Μείωση τριβής με φυσαλίδες (Bubble Drag Reduction – BDR)
Η πιο αποτελεσματική μείωση με τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιεί πολύ μικρού μεγέθους φυσαλίδες, συνήθως μικρότερες από 0,1 mm. Ωστόσο, οι μικρο-φυσαλίδες είναι δύσκολο να καλύψουν τη γάστρα σε όλο της το μήκος και είναι λιγότερο αποτελεσματικές σε χαμηλές ταχύτητες. Καθώς οι φυσαλίδες, ανερχόμενες, μεγαλώνουν σε μέγεθος, δεν μπορούν να διατηρήσουν το σφαιρικό σχήμα τους και παραμορφώνονται, δημιουργώντας αναταράξεις.

Μείωση τριβής με στρώμα αέρα (Air Layer Drag Reduction – ALDR)
Έπειτα από πολλά χρόνια μελέτης της μεθόδου BDR, οι έρευνες επεκτάθηκαν στη μέθοδο της δημιουργίας στρώματος αέρα. Με τη μέθοδο αυτή, μεγάλη ποσότητα αέρα διοχετεύεται μεταξύ της γάστρας του πλοίου και της θάλασσας, με στόχο τη δημιουργία συνεχούς στρώματος αέρα, που παρεμβάλλεται μεταξύ της γάστρας και όλων των βρεχάμενων του πλοίου, το οποίο μειώνει δραστικά την τριβή του μεταλλικού σκελετού του πλοίου με τη θάλασσα.

Μείωση της μερικής ολίσθησης (Partial Cavity Drag Reduction – PCDR)
Η μέθοδος της κοιλότητας χρησιμοποιεί μια εσοχή στο κάτω μέρος της γάστρας, από όπου εισάγεται ο αέρας, έτσι ώστε να σχηματίζεται μια κοιλότητα αέρα και να διατηρείται σε όλη τη γάστρα, διαχωρίζοντάς την από το νερό, μειώνοντας έτσι την αντίσταση στην τριβή. Το στρώμα αέρα στην κοιλότητα είναι πολύ παχύτερο στη γάστρα του πλοίου και απαιτεί μικρότερο ρυθμό παροχής αέρα για τη διατήρηση του στρώματος από τις μεθόδους του BDR ή του ALDR.

Έως το 2018, είκοσι τρία πλοία αναγνωρίστηκαν ότι φέρουν συστήματα «αερολίπανσης» σχεδόν σε όλους τους τύπους των πλοίων, όπως φαίνεται στο διάγραμμα 1.

Διάγραμμα 1. Χρήση της «αερολίπανσης» ανά τύπο πλοίου

Διάγραμμα 1. Χρήση της «αερολίπανσης» ανά τύπο πλοίου

Η ανάλυση της απόδοσης των συστημάτων «αερολίπανσης» που παρουσιάζονται βασίζεται αποκλειστικά σε συνολικά δεκαοκτώ δοκιμές απόδοσης πλήρους κλίμακας μεταξύ του 2002 και του 2015. Η καθαρή εξοικονόμηση ενέργειας που αναφέρθηκε κυμαίνεται μεταξύ 4% και 10%. Η καθαρή εξοικονόμηση από την «αερολίπανση» είναι δύσκολο να προσδιοριστεί και να εκτιμηθεί.

Τα δεδομένα των θαλάσσιων δοκιμών (sea trials) που μελετήθηκαν όπως απαιτείται, σύμφωνα με το EEDI, δεν είναι έγκυρα, δεδομένου ότι πολλά από τα αναφερόμενα πλοία δεν συμμορφώνονταν με τους κανονισμούς EEDI κατά την παράδοση.

Κατά τη διεξαγωγή θαλάσσιων δοκιμών σύμφωνα με το EEDI, πρέπει να μελετηθούν τα ακόλουθα στοιχεία για τον υπολογισμό της «αερολίπανσης»:
• Περιοχή της επιφάνειας του πλοίου που είναι καλυμμένη με αέρα.
• Πάχος του στρώματος αέρα.
• Ρυθμός μείωσης της αντίστασης τριβής λόγω της κάλυψης του στρώματος αέρα.
• Αλλαγή της απόδοσης της πρόωσης λόγω της αλληλεπίδρασης με φυσαλίδες αέρα.
• Αλλαγή αντοχής λόγω πρόσθετης συσκευής, εάν υπάρχει.

Η μέθοδος της «αερολίπανσης» φαίνεται να λειτουργεί και δεν απαιτεί μεγάλο κόστος μετασκευής. Σε συνδυασμό με την τοποθέτηση των ανεμογεννητριών, όπως αυτές στο πλοίο «Afros», με τις οποίες εξοικονομείται περίπου 5% ενέργεια, το πλοίο τελικά μπορεί να μειώσει το ενεργειακό του αποτύπωμα από 10-15%, ποσοστό τεράστιο αν αναλογιστεί κανείς την τεράστια προσπάθεια που καταβάλλεται σήμερα ώστε να λειτουργεί το πλοίο με όσο δυνατόν μεγαλύτερη μείωση των εκπομπών του.

Απόσπασμα από τo άρθρο του καπτ. Γεώργιου Γεωργούλη, με τίτλο «Η επίδραση της τεχνολογίας της «αερολίπανσης» της γάστρας στην ενεργειακή απόδοση του πλοίου», Ναυτικά Χρονικά, Μάιος 2019, σ. 74- 76
 

Φωτο: YouTube