Ναυπηγική Μελέτη

576

Το ProjectForward ξεκίνησε το 2013 όταν η Arista Shipping και o ABS αποφάσισαν να συνεργαστούν στη σχεδίαση ενός μοντέρνου πλοίου που θα χρησιμοποιούσε το φυσικό αέριο (LNG) ως καύσιμο.

Η Arista Shipping μία ναυτιλιακή εταιρεία με παράδοση στα καινοτόμα και πρωτοποριακά πλοία (βλ. Superfast Ferries). Ο ABS με μεγάλη εμπειρία και τεχνογνωσία στα πλοία μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου (και συνεπώς στην χρήση του φυσικού αερίου ως καύσιμο) υποστηρίζει ενεργά οποιαδήποτε προσπάθεια ανάπτυξης καινούριων σχεδιάσεων και τεχνολογίας που μπορούν να αποτελέσουν βιώσιμες λύσεις στις τεχνικές προκλήσεις του μέλλοντος και είναι σύμφωνες με τους διεθνείς κανονισμούς για το περιβάλλον και την ασφάλεια.

Η συνεργασία επεκτάθηκε προοδευτικά στη δημιουργία ενός Joint Development Project με την προσθήκη νέων μελών και συγκεκριμένα των GTT, Deltamarin και Wartsilaμέχρι το 2016.

Το πλοίο θα έπρεπε να ακολουθεί τις ανάγκες της αγοράς και να έχει μειωμένο κόστος ιδιοκτησίας (total cost of ownership) , να έχει όσο γίνεται πιο χαμηλές εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα, να έχει χαμηλό κόστος χρήσης (opex) και κτήσης (capex) και ουσιαστικά να παραμένει απλό.

Η προσαρμογή με τους σύγχρονους κανονισμούς σχετικά με τις εκπομπές ρύπων, αυτών που είναι ήδη σε ισχύ αλλά και των επερχομένων, απαιτεί σημαντικές μειώσεις σε CO2, SOx and NOx.

Για την προσαρμογή αυτή υπάρχουν διάφορες επιλογές και λύσεις όπως scrubbers και catalytic converters, αλλά κάθε επιλογή πρέπει να θεωρηθεί μέσα από το συνολικό αποτέλεσμα που μπορεί να έχει στη λειτουργία του πλοίου και όχι απλά σαν ένα μέσο συμμόρφωσης με τους κανονισμούς.

Η αρχική ανάλυση κατέδειξε ολοφάνερα πως η χρήση του φυσικού αερίου (LNG) ως καύσιμο εμπεριέχει ένα μοναδικό δυναμικό για εναρμόνιση με όλους τους κανονισμούς ταυτόχρονα, ενώ παράλληλα έρχεται και με επιπλέον πλεονεκτήματα συγκριτικά με το πετρέλαιο.

Όμως η χρήση του απαιτεί να επιλυθούν αρκετά προβλήματα, η συστηματική μελέτη των οποίων αποτέλεσε το σκοπό αυτού του project προκειμένου να σχεδιασθεί ένα εμπορικό πλοίο (φορτηγό ή πετρελαιοφόρο) με μεγάλη επιχειρησιακή εμβέλεια.

Το project χρειάστηκε να βασιστεί σε ένα υπάρχον και σύγχρονο σχέδιο πλοίου, στο οποίο θα ενσωματώνονταν όλες οι αναγκαίες αλλαγές .

Επιλέχθηκε το σχέδιο B.Delta 82 (μεταφοράς 82.000 τόνων ξηρού φορτίου) της Deltamarin λόγω της χαμηλής κατανάλωσης που είχε, τη μεγάλη μεταφορική ικανότητα αλλά και την υψηλή απόδοσή του.

Μολονότι ο πιο εύκολος τρόπος για να μειωθούν οι εκπομπές CO2 είναι η μείωση της ταχύτητας, αποφασίστηκε οι νέοι κανονισμοί να αποτελέσουν ένα μέσο για την αύξηση της απόδοσης  και να μη γίνει συμβιβασμός  στην επιχειρησιακή ταχύτητα των 14.5 κόμβων.

Η ποσότητα του φυσικού αερίου επιλέχθηκε με γνώμονα τη μεγάλη επιχειρησιακή ακτίνα δράσης, αναγκαία σε ποντοπόρα πλοία που απαιτεί μεγάλα διαστήματα μεταξύ διαδοχικών λήψεων καυσίμου.

Ένα σημαντικό πρόβλημα γύρω από το φυσικό αέριο είναι ότι ενώ έχει αρκετά μεγαλύτερη θερμογόνο δύναμη, η πυκνότητά του είναι πολύ μικρότερη απ’ αυτή του πετρελαίου με αποτέλεσμα να χρειάζεται πολύ μεγαλύτερος όγκος δεξαμενών συγκριτικά με το πετρέλαιο.

Το project μελέτησε όλες τις δυνατές λύσεις γύρω από τη μορφή και τη θέση τής δεξαμενής του φυσικού αερίου πάνω στο πλοίο και μεταξύ αυτών επιλέχθηκε η δεξαμενή τύπου μεμβράνης της GTT.

Αυτός ο τύπος δεξαμενής προσφέρει την καλύτερη δυνατή εκμετάλλευση του διαθέσιμου χώρου (όγκου) και έχει το χαμηλότερο κόστος και βάρος μεταξύ των άλλων λύσεων.

Ο διεθνής κώδικας για τη χρήση του φυσικού αερίου σαν καύσιμο (IGF) τέθηκε σε ισχύ το 2015 και επιτρέπει μια στοχαστική προσέγγιση στον υπολογισμό της πιθανότητας αστοχίας και έτσι κατέστη δυνατό να τοποθετηθεί στο πλοίο μια δεόντως μεγάλη δεξαμενή φυσικού αερίου (2500 κυβικά μέτρα) η οποία θα ενσωματωθεί ανάμεσα στα κύτη φορτίου με αποτέλεσμα να αυξηθεί το μήκος του πλοίου.

Αυτή η λύση επιτρέπει να μη μειωθεί η μεταφορική ικανότητα του πλοίου, τουναντίον να αυξηθεί κατά 1.500 τόνους. Επιπλέον εισάγει και άλλα πλεονεκτήματα όπως τη δυνατότητα της προσαρμογής τού μεγέθους της προς τα άνω ή κάτω ανάλογα με τις απαιτήσεις του εκάστοτε πλοιοκτήτη, καμία επιπλοκή σχετικά με τις στατικές και δυναμικές φορτίσεις του σκάφους, χωρίς επιχειρησιακούς περιορισμούς σχετικά με τα λιμάνια που θα μπορεί να επισκεφθεί το πλοίο λόγω αύξησης του μήκους, ενώ η ιδέα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί εξίσου καλά και σε περίπτωση μετατροπής υπαρχόντων πλοίων, σε περίπτωση που οι μελλοντικές τιμές των καυσίμων επιτρέψουν κάτι τέτοιο.

Επειδή είναι αναπόφευκτη η μετάδοση θερμότητας προς τη δεξαμενή όπου το φυσικό αέριο κρατείται σε υγρή μορφή και σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία, ένα μέρος του θα ατμοποιείται με αποτέλεσμα να αυξάνεται η πίεση μέσα στη δεξαμενή.

Στη διάρκεια του ταξιδιού, η κατανάλωση καυσίμου είναι πολύ μεγαλύτερη από το ρυθμό ατμοποίησης, όμως κατά την παραμονή στο λιμάνι και εξαιτίας του σχετικά περιορισμένου ηλεκτρικού φορτίου, θα είναι λιγότερη.

Στην περίπτωση αυτή ο ρυθμός αύξησης της πίεσης διαχειρίζεται πολύ αποτελεσματικά με τεχνητή βροχή υγρού καυσίμου που λαμβάνεται από τον  πυθμένα της δεξαμενής, και η οποία υγροποιεί πάλι το εξατμισθέν καύσιμο.

Η επιλογή της μηχανής εξετάσθηκε επίσης με τη δέουσα προσοχή. Η τυπική διάταξη των εμπορικών πλοίων είναι μια δίχρονη προωστήρια μηχανή που οδηγεί μια έλικα σταθερού βήματος και τρείς ηλεκτρομηχανές για την παραγωγή της αναγκαίας ηλεκτρικής ενέργειας.

Ένας βασικός στόχος του project ήταν το πλοίο να διατηρεί την ικανότητα πρόωσης με φυσικό αέριο κάθε φορά που αυτό θα είναι διαθέσιμο. Οπότε οι βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίχθηκε η επιλογή της μηχανής ήταν η αξιοπιστία σε αέριο καύσιμο και σε πετρέλαιο, η υψηλή απόδοση, η ασφάλεια, το αρχικό κόστος και η επιχειρησιακή ευελιξία.

Σε αντίθεση με το πετρέλαιο που η πίεση εισαγωγής του στη μηχανή είναι καθορισμένη, το φυσικό αέριο επιτρέπει την εισαγωγή του στη μηχανή είτε με χαμηλή είτε με υψηλή πίεση.

Το project μελέτησε συστηματικά τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε λύσης : υψηλής πίεσης με θερμικό κύκλο Diesel ή χαμηλής πίεσης με κύκλο Otto.

Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές προσεγγίσεις που εστιάζουν μόνο στη θερμική απόδοση της προωστήριας μηχανής, το project έλαβε υπόψιν όλους τους δυνατούς παράγοντες που εμπλέκονται και κυρίως τη συνολική απόδοση και συμπεριφορά τού συστήματος πρόωσης.

Ο πίνακας  που ακολουθεί παρουσιάζει τα κριτήρια που ελήφθησαν υπόψιν στην επιλογή της μηχανής.
Το νέο μηχανοστάσιο περιέχει μόνο δύο μηχανές που χρησιμοποιούνται και για πρόωση και για ηλεκτροπαραγωγή, χωρίς επιπλέον ηλεκτρομηχανές.

Ο κατασκευαστής μηχανών είναι η Wartsila και ο τύπος τους είναι 31DF (4χρονες), με δυνατότητα να λειτουργούν και σε πετρέλαιο και σε φυσικό αέριο (διπλού καυσίμου).

Μέσω μειωτήρα στροφών διπλής εισόδου/μονής εξόδου οι μηχανές οδηγούν μια έλικα μεταβλητού βήματος. Ανάλογα με την απαιτούμενη ταχύτητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο μία ή και οι δύο μηχανές, εξασφαλίζοντας έτσι τη βέλτιστη λειτουργία τους σε κάθε επιχειρησιακή κατάσταση.

Οι μηχανές θα μπορούν να δουλεύουν είτε σε σταθερές είτε σε μεταβλητές στροφές.

Η ηλεκτρική ισχύς θα παράγεται από εξηρτημένες γεννήτριες που θα παίρνουν κίνηση από τον άξονα εισόδου της κάθε μηχανής στο μειωτήρα, αλλά με frequency converter ώστε να διατηρείται σταθερή η συχνότητα και τάση των γεννητριών σε κάθε αριθμό στροφών των μηχανών.

Κυρίως λόγω του κόστους της δεξαμενής, η χρήση του φυσικού αερίου σαν καύσιμο εμπεριέχει ένα σημαντικό επιπλέον κόστος.

Η λύση που προτείνει το Project Forward προσφέρει το χαμηλότερο κόστος ανάμεσα σε όλες τις δυνατές λύσεις που χρησιμοποιούν το φυσικό αέριο ως καύσιμο.

Η έρευνα συνεχίστηκε με την τεχνο-οικονομική ανάλυση της χρήσης του φυσικού αερίου σαν καύσιμο και κατά πόσον το κόστος χρήσης (opex) θα μπορούσε να αντισταθμίσει το επιπλέον κόστος κτήσης (capex).

Εκτός από το φυσικό αέριο, η εναρμόνιση με τους νέους κανονισμούς επιτυγχάνεται επίσης με επιπλέον διατάξεις. Κατ’ ελάχιστον τα νέα πλοία θα πρέπει να έχουν καταλυτικούς μετατροπείς (Selective Catalytic Reactors) για τη μείωση των οξειδίων αζώτου στα πιο πρόσφατα επίπεδα (Tier III). Πέραν τούτου η προσαρμογή σχετικά με τα οξείδια του θείου (SOx) μπορεί να γίνει είτε με τη χρήση κατάλληλου καυσίμου (0.5% περιεκτικότητα σε θείο), είτε με scrubbers.

Σε περίπτωση που τοποθετηθεί και scrubber, το κόστος κτήσης είναι συγκρίσιμο με αυτό του φυσικού αερίου, ενώ αν επιλεχθεί η χρήση του καυσίμου 0.5% το φυσικό αέριο είναι πιο ακριβό σαν εγκατάσταση.

Το κόστος συντήρησης παραμένει σε συγκρίσιμα επίπεδα με το συμβατικό πλοίο. Η επιθεώρηση των εμβόλων γίνεται κάθε 5 χρόνια (δεξαμενισμούς), η κατανάλωση λιπαντικού ειναι χαμηλότερη στο φυσικό αέριο, και το κόστος συντήρησης του μειωτήρα και έλικας είναι πολύ χαμηλά.

Κάποια επιπλέον έξοδα που σχετίζονται με το σύστημα φυσικού αερίου είναι εφάμιλλα με το κόστος συντήρησης των catalytic converters&scrubbers που χρειάζονται στο συμβατικό πλοίο σε αντίθετη περίπτωση.

Επομένως, το μειωμένο κόστος χρήσης θα επιτευχθεί μέσα από τη διαφορά στο κόστος των δύο καυσίμων.

Προβλέψεις μας επιτρέπουν να θεωρούμε ότι μια λογικά αναμενόμενη τιμή του αερίου στο μέλλλον είναι τα 9 USD/MMBTU, που περιλαμβάνουν 3 USD/MMBTU συν το κόστος παράδοσης επί του πλοίου.

Με αυτή την τιμή, τα ετήσια έξοδα καυσίμων του προτεινόμενου πλοίου ισοφαρίζουν τα αντίστοιχα έξοδα ενός πλοίου που κινείται με πετρέλααιο που θα έχει τιμή 365 USD/MT.

Αν και δεν είναι δυνατόν να προβλέψουμε τιμές στο μέλλον, με αρκετή ασφάλεια μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η τιμή του πετρελαίου με περιεκτικότηταα 0.5% σε θείο θα είναι αρκετά μεγαλύτερη απ’ αυτή του βαρέως καυσίμου σήμερα.

Ο πίνακας που ακολουθεί παρουσιάζει το χρόνο αποπληρωμής της επένδυσης για διάφορες τιμές αερίου και πετρελαίου και όπως παρατηρούμε , για τις λογικά αναμενόμενες τιμές εκάστου καυσίμου, ο χρόνος αυτός είναι πολύ μικρός και καταστεί την επένδυση δυνατή και βιώσιμη.

Αξίζει να επισημάνουμε, ότι ανά μονάδα περιεχόμενης ενέργειας, ακόμα και σήμερα το φυσικό αέριο είναι λιγότερο ακριβό από το βαρύ καύσιμο που χρησιμοποιεί η ναυτιλία.

Οπότε ακόμα και αν επιλεγεί η χρήση scrubber, η λύση του φυσικού αερίου θα έχει περίπου το ίδιο capex, το ίδιο περίπου opex αλλά ασύγκριτα μεγαλύτερη απλότητα και αξιοπιστία.

Πρακτικά το βαρύ πετρέλαιο είναι σήμερα διαθέσιμο παντού, όμως για προφανείς λόγους που σχετίζονται με την τιμή του, ο εφοδιασμός των πλοίων γίνεται κατά κύριο λόγο σε μεγάλα λιμάνια. Κι αυτό αποδεικνύεται από το ακόλουθο διάγραμμα που παρουσιάζει το % του καυσίμου που λαμβάνει ένα όμοιο φορτηγό πλοίο και το οποίο επιχειρεί ανά τον κόσμο : όπως φαίνεται η συντριπτική πλειοψηφία της παρεχόμενης ποσότητας είναι σε μεγάλα λιμάνια.

Δεδομένου ότι οι εργασίες για την ανάπτυξη υποδομών για εφοδιασμό φυσικού αερίου είναι είτε προγραμματισμένες είτε σε εξέλιξη στα περισσότερα απ’ αυτά τα λιμάνια , η διαθεσιμότητα του φυσικού αερίου δεν θα πρέπει να θεωρείται ως εμπόδιο για την υιοθέτησή τους ως μελλοντικού καυσίμου.

Επιπλέον σε μια προσπάθεια για την ανεύρεση λύσεων , το Project Forward και η Shell έχουν αρχίσει συνεργασία για τον εφοδιασμό των ποντοπόρων φορτηγών , πετρελαιοφόρων και πλοίων μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων.

Συμπέρασμα

Ενσωματώνοντας μια σειρά από καινοτόμες λύσεις το Project Forward προσφέρει μια τεχνικά αξιόπιστη και οικονομικά βιώσιμη λύση για την εναρμόνιση με όλους τους περιβαλλοντικούς κανονισμούς προτείνοντας ένα νέο σχέδιο πλοίου κινούμενου με φυσικό αέριο, και μια βασική ιδέα που εφαρμόζεται εξίσου καλά σε διαφορετικούς τύπους και μεγέθη πλοίων.

Το σχέδιο έχει ήδη θεωρηθεί για τη συμμόρφωση με τους κανονισμούς από το American Βureau of Shipping (ABS) και έχει ήδη λάβει το Approval In Principle.

Στην περίπτωση του Project Forward, τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των εναλλακτικών λύσεων κινητήρα (κύκλος υψηλής πίεσης-Diesel vs κύκλου χαμηλής πίεσης-Otto) ερευνήθηκαν. Σε αντίθεση με τις “παραδοσιακές” αξιολογήσεις που εστιάζουν στην κατανάλωση καυσίμων και μόνο, η λύση για την πρόωση και γενικότερα την μηχανολογική διάταξη έπρεπε να λάβει υπόψη διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της συνολικής απόδοσης και κόστους του συστήματος.

Στο μηχανοστάσιο του πλοίου επιλέχθηκαν οι κινητήρες διπλού καυσίμου Wärtsilä 31DF. Η διβάθμια υπερπλήρωση συντελεί σε ένα πολύ αποδοτική κινητήρα. Η τελευταίας τεχνολογίας τετράχρονοι κινητήρες ικανοποιούν τους πρόσφατους κανονισμούς για τους αέριους ρύπους, ξεπερνούν το 50% σε θερμική απόδοση και έχουν σχεδιαστεί για το ελάχιστο methane slip.

Η Wärtsilä είναι παγκόσμιος ηγέτης στις προηγμένες τεχνολογίες και ολοκληρωμένες λύσεις για τις αγορές της ναυτιλίας και της ενέργειας. Δίνοντας έμφαση στη βιώσιμη καινοτομία και την συνολική απόδοση, η Wärtsilä μεγιστοποιεί τις περιβαλλοντικές και οικονομικές επιδόσεις των πλοίων και σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το 2016, οι καθαρές πωλήσεις Wärtsilä ανήλθαν σε 4,8 δισεκατομμύρια ευρώ με περίπου 18.000 εργαζόμενους. Η εταιρεία δραστηριοποιείται σε πάνω από 200 σημεία σε περισσότερες από 70 χώρες σε όλο τον κόσμο. Η Wärtsilä είναι εισηγμένη στο Nasdaq Ελσίνκι.

Antonis Trakakis

Technical Manager

Arista Shipping

 

 

Ηλίας Καρυαμπάς

Marine Business Development Manager

Global Marine Organization

 

ΚΟΙΝΟΠΟΙΗΣΗ
Προηγούμενο άρθροΔιατροφή
Επόμενο άρθροΣυνέντευξη