Γράφει ο Νίκος Δαφνιάς, Managing Director ALPHA MARINE LTD
Είκοσι χρόνια πριν, συνάντησα στο Μονακό μια ομάδα επιστημόνων της International SeaKeepers Society. Μου εξήγησαν ότι το φαινόμενο της «κλιματικής αλλαγής» ήταν ήδη μη-αναστρέψιμο. Κατ΄ αυτούς, το μονό που έπρεπε να κάνουμε, ήταν να το καθυστερήσουμε λαμβάνοντας αυστηρά μέτρα ώστε να δοθεί χρόνος στις κοινωνίες και τους θεσμούς τους να το κατανοήσουν και να πάρουν αποφάσεις για την αντιμετώπιση των σοβαρών επιπτώσεών του. Και αυτά στις αρχές του 2000.
Όπως διαπιστώνουμε σήμερα, οι «μεγάλοι» του πλανήτη μας, ήταν και είναι διστακτικοί στη λήψη δραστικών μέτρων, έχοντας να διαχειριστούν πολύπλοκες οικονομικές και πολιτικές δεσμεύσεις. Παρ΄ όλα αυτά υπήρξαν σημαντικές εξελίξεις και σε ερευνητικό και σε τεχνολογικό επίπεδο που δίνουν χώρο να ενεργήσουμε προς την κατεύθυνση της μείωσης της ρύπανσης του περιβάλλοντος.
Στον τομέα της σχεδίασης και κατασκευής σκαφών μπορούμε να εφαρμόσουμε λύσεις προς αυτήν την κατεύθυνση, με προτεραιότητα τα σκάφη που ενεργούν σε ιδιαίτερα επιβαρυμένες αστικές περιοχές ή σε άλλες ευαίσθητες περιοχές.
Τα ερωτήματα είναι:
- Υπάρχουν τεχνολογικά ώριμες λύσεις προς εφαρμογή;
- Μπορεί το ship design & building να ακολουθήσει την επανάσταση της αυτοκινητοβιομηχανίας, έστω και με μειωμένη ταχύτητα;
- Πώς αυτές οι λύσεις επηρεάζουν το κόστος κατασκευής;
Σε αυτό το μικρό άρθρο επιχειρείται μια ανίχνευση των παραπάνω ερωτημάτων, κυρίως στον τομέα των συστημάτων παραγωγής ενέργειας στα σκάφη.
Μια ολιστική αντιμετώπιση του θέματος πρέπει να συμπεριλάβει τα υλικά κατασκευής και τον εξοπλισμό που απαρτίζουν ένα σύνθετο προϊόν όπως το πλοίο, τον τρόπο παραγωγής και μεταφοράς τους, την υλική τους σύνθεση, των μεθόδων ενσωμάτωσής τους στο τελικό προϊόν (κατασκευή) και πολλά άλλα.
Όμως αυτό είναι θέμα μελέτης και μάλιστα μεγάλης έκτασης, που δεν μπορεί να αντιμετωπίσει αυτό το μικρό άρθρο.
Ας ξεκινήσουμε καταγράφοντας συνοπτικά, τις βασικές παραμέτρους που συμβάλλουν στην εκπομπή ρύπων. Αφορούν κυρίως τους κινητήρες παραγωγής ισχύος στα σκάφη.
Για την μείωση της ισχύος πρόωσης, βασικές παράμετροι είναι:
- Η επιλογή της ταχύτητας, βασισμένη στην κάλυψη των απαιτήσεων λειτουργίας του σκάφους και η αποφυγή αχρείαστων υπερβολών είναι κομβικής σημασίας. Οι επιλογές αυτές αφορούν και τους ιδιοκτήτες αλλά και κυρίως τους σχεδιαστές.
Στα Yachts π.χ., πολύ συχνά συναντάμε εγκατεστημένη ισχύ πρόωσης μεγαλύτερη από αυτήν που απαιτεί η αποδεδειγμένη στη πράξη, ταχύτητα λειτουργίας.
- Η υδροδυναμική βελτιστοποίηση της γάστρας είναι επίσης μεγάλης σημασίας, αφού μειώνει την αντίσταση και κατά συνέπεια την ισχύ πρόωσης.
- Η επιλογή του κατάλληλου συστήματος πρόωσης, προσαρμοσμένη στο κάθε είδος σκάφους και στις ανάγκες λειτουργίας του, με στόχο τη μεγιστοποίηση του βαθμού απόδοσης του συστήματος.
- Η μείωση του Light Ship Weight με τη χρήση σύγχρονων μελετητικών εργαλείων και την επιλογή ελαφρότερου βάρους υλικών και εξοπλισμού.
- Η εφαρμογή των κανονισμών της MARPOL (IMO TIER III) για την επεξεργασία των καυσαερίων (και όχι μόνον).
Στα Mega Yachts, θεωρώ μάλιστα ότι πρέπει να υπερβούμε τους κανονισμούς.
- Η χρήση τέλος της υπάρχουσας τεχνολογίας για εγκατάσταση DIESEL ELECTRIC – HYBRID λύσης πρόωσης στην οποία θα αναφερθούμε στη συνέχεια.
Παρατηρούμε ότι τα παραπάνω αφορούν τη φάση της σχεδίασης-μελέτης του σκάφους. Προφανώς δεν είναι μόνον τεχνικές-σχεδιαστικές οι παράμετροι λήψης αποφάσεων αλλά και οικονομικές.
Θα αναφερθώ συνοπτικά στα υπάρχοντα συστήματα πρόωσης:
Α. ΣΥΜΒΑΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ
Είναι ο γνωστός συνδυασμός Diesel Engines, Gearboxes-Shafts, Propellers και Πηδαλίων. Είναι ανταγωνιστικό σύστημα για ταχύτητες έως 16-17 Knots, αν λάβουμε υπ΄όψιν και το κόστος του.
Ο βαθμός απόδοσης των ελίκων έχει βελτιωθεί. Ο συνολικός όμως βαθμός απόδοσης του συστήματος περιορίζεται από την ύπαρξη αξόνων, V-brackets και πηδαλίων.
Το σύστημα αυτό είναι επίσης το κυρίως υπεύθυνο για την παραγωγή noise & vibration που για κάποια σκάφη (όπως τα Yachts) είναι μεγάλης σημασίας.
Β. DIESEL ELECTRIC PROPULSION SYSTEM ΜΕ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ AZIMUTH THRUSTERS (ΕΛΙΚΟΠΗΔΑΛΙΩΝ)
Ο συνδυασμός αποτελείται από τα Diesel Generators που παράγουν την απαιτούμενη ενέργεια (και πρόωσης και ενεργειακών καταναλώσεων σκάφους) και των AZIMUTH THRUSTERS (με ενσωματωμένους ηλεκτροκινητήρες) για την πρόωση.
Ο βαθμός απόδοσης του συστήματος είναι μεγαλύτερος (από αυτόν του συμβατικού).
Τα βασικά επιπλέον πλεονεκτήματα είναι:
- Ανάλογα με την επιθυμητή ταχύτητα λειτουργούν και οι απαιτούμενες Diesel Generators και μάλιστα στο σημείο της ελάχιστης ειδικής κατανάλωσής τους. Π.χ. από 4-5 εγκατεστημένες γεννήτριες μπορεί να λειτουργεί ακόμα και μόνο μία για χαμηλές ταχύτητες. Τα πλεονεκτήματα είναι προφανή (ελαχιστοποίηση κατανάλωσης πετρελαίου, redundancy, low cost maintenance, ασφάλεια, κ.λπ.)
- Εξαιρετικοί ελιγμοί, ιδανική συνεργασία με DPS, μικρότερο crash stop distance (ασφάλεια)
- Ελαχιστοποίηση του παραγόμενου noise & vibration
- Το σύστημα είναι «ανοιχτό» για συνεργασία με συστοιχίες μπαταριών
Τα μειονεκτήματά του είναι:
- Πολύπλοκο electrical power management & control system, λυμένο όμως τεχνολογικά
- Έχει αυξημένο βάρος, πράγμα όμως απόλυτα διαχειρίσιμο στην φάση του design, αφού το KG αυτού του βάρους είναι μικρό, συμβάλλοντας στη ευστάθεια του σκάφους
- Έχει αυξημένο κόστος
Από μελέτες της Alpha Marine Ltd., προκύπτει ότι για Mega Yacht ολικού μήκους 95 m και μέγιστης ταχύτητας 18 Knots, η διαφορά κόστους μεταξύ των συστημάτων Α και Β είναι της τάξης των 3 εκατομμυρίων Ευρώ.
Γ. HIGH SPEED VESSELS
Γ.1. Water Jets
Έχουν καλό βαθμό απόδοσης στις υψηλές ταχύτητες και χαμηλό στις μικρές ταχύτητες και στους ελιγμούς.
Γ.2. Linear Jet
Έχει πολύ καλό βαθμό απόδοσης και στις υψηλές και στις μικρές ταχύτητες και μικρότερο βάρος από τα Water Jets.
Δ. ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗ VPS (VOITH SCHNEIDER PROPULSION SYSTEM)
Αντί για AZIMUTH THRUSTERS μπορούμε να εγκαταστήσουμε VPS.
- Έχει καλύτερο βαθμό απόδοσης
- Άριστη συνεργασία με DPS
- Λειτουργεί και ως stabilizer και σε πορεία και σε άγκυρα
- Έχει μεγαλύτερο όγκο και βάρος από το αντίστοιχο Azimuth Thruster
- Μειώνει περαιτέρω τις επιπτώσεις σε noise-vibration αφού δεν υπάρχουν οι περιοδικοί παλμοί πίεσης της προπέλας στο hull
Όλες οι παραπάνω εφαρμογές είναι σύγχρονης κατεκτημένης τεχνολογίας, χωρίς να αποτελούν σήμερα τεχνολογία αιχμής.
Ε. ΣΥΝΤΟΜΗ ΑΝΑΦΟΡΑ ΣΕ HYBRID & FULL ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS
Εδώ πλέον αναφερόμαστε σε τεχνολογία αιχμής.
Η έρευνα εξελίσσεται ταχύτατα ενώ ήδη διαθέτουμε εφαρμόσιμες προτάσεις.
Πάντα οι τεχνολογίες αιχμής βελτιστοποιούνται μέσω της εφαρμογής τους στην πράξη. Έτσι επισημαίνονται και αντιμετωπίζονται αδυναμίες ή και αστοχίες που προέρχονται από απρόβλεπτα σενάρια όπου υπεισέρχεται είτε το τεχνικό είτε το ανθρώπινο λάθος.
Η χρήση συστοιχιών μπαταριών και μάλιστα τεχνολογίας η Lithion-Ion είναι σήμερα η πιο ώριμη προς εφαρμογή. Η τεχνολογία των μπαταριών εξελίσσεται γρήγορα, προς όφελος της μείωσης του όγκου, του βάρους και του κόστους.
Οι μπαταρίες αυτές απαιτούν συνεχή έλεγχο της κατάστασής τους (υπερφόρτωση, θερμοκρασία, capacity, κ.λπ.). Βλάβη μια μπαταρίας λιθίου μπορεί να προκαλέσει συνολική ζημία στη συστοιχία και το κόστος αντικατάστασης είναι μεγάλο.
Γι΄ αυτό αναπτύσσονται ιδιαίτερα εκτεταμένα και έξυπνα (software) control systems για τον έλεγχό τους.
Ο συνδυασμός Diesel Electric Propulsion με επιπλέον συστοιχίες μπαταριών μας δίνει την υβριδική πρόωση.
Το σύστημα διαχείρισης ισχύος (Power Management System) είναι αρκετά πολύπλοκο, ώστε να «αποφασίζει σωστά» για κάθε δυνατό σενάριο ενεργειακών απαιτήσεων, προστατεύοντας παράλληλα τις μπαταρίες από πιθανή ζημιά, σε συνεργασία με το Batteries Control System.
Η τεχνολογική εξέλιξη είναι πραγματικά καθημερινή.
Όταν οι ενεργειακές απαιτήσεις ενός σκάφους είναι μεγάλες (μεγάλη ταχύτητα για μεγάλες αποστάσεις) εφαρμόζουμε την υβριδική λύση, αποφασίζοντας ποια φορτία και σε ποια σενάρια λειτουργίας θα αναλάβουν οι μπαταρίες και ποια οι γεννήτριές του.
Αντίστοιχα, όταν οι ενεργειακές απαιτήσεις είναι μικρότερες, μπορούμε να εφαρμόσουμε και την εξυπηρέτησή τους μόνο από συστοιχίες μπαταριών (ηλεκτρική πρόωση).
Σε αυτές τις περιπτώσεις η ύπαρξη Emergency Diesel Generator θα εξασφαλίσει και τη φόρτιση των μπαταριών σε έκτακτη ανάγκη και την ασφαλή επιστροφή σε λιμάνι.
Στα ηλεκτροκινούμενα σκάφη είναι απαραίτητη και η ύπαρξη στην ξηρά συστημάτων φόρτισης των μπαταριών τους.
Η φόρτιση των μπαταριών έως 80% της χωρητικότητάς τους είναι γρήγορη (ακόμη και 30 λεπτά). Η φόρτιση στο 100% της χωρητικότητάς τους διαρκεί 4 ώρες τουλάχιστον.
Η αποφόρτισή τους δεν πρέπει να ξεπερνά το 20% της χωρητικότητάς τους, κυρίως για την προστασία του χρόνου ζωής τους. Οι κατασκευαστές σήμερα δίνουν εγγύηση ζωής τους 8 χρόνια με δυνατότητα επιστροφής τους και έκπτωση (έως και 50%) για την αγορά καινούριων.
Όπως προαναφέρθηκε, σε πέντε χρόνια από σήμερα τα πράγματα θα είναι πολύ διαφορετικά. Παραπέμπω ενδεικτικά στην εξέλιξη (και το κόστος) των λαμπτήρων LED.
Στη φάση λοιπόν της μελέτης του κάθε σκάφους, αφού επιλεγούν τα σενάρια λειτουργίας του, καθορίζεται με οικονομοτεχνικά κριτήρια και η ενεργειακή κατανομή μεταξύ Diesel Generators και μπαταριών.
Η παράλληλη εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας είναι επίσης σημαντική. “To save even a drop of fuel is important”.
Η ενσωμάτωση των solar panels και από αισθητικής και από ναυπηγικής πλευράς, είναι ευθύνη των designers.
Θα αναφέρω δύο συγκεκριμένα παραδείγματα εφαρμογής υβριδικής πρόωσης:
Ι. MEGA YACHT 90 M
Σε MEGA YACHT ολικού μήκους 90 m (Gross Tonnage 3500 tons) με εγκατάσταση Diesel Generators συνολικής ισχύος 4800 KW και συστοιχιών μπαταριών συνολικού capacity 4200 KWh, έχουμε τις παρακάτω δυνατότητες :
- Επίτευξη μέγιστης ταχύτητας 18 Knots με ταυτόχρονη κάλυψη των ενεργειακών αναγκών και του σκάφους
- Προσέγγιση λιμένων ή μαρίνων με καθαρά ηλεκτρική πρόωση (Zero Emission) για 10 n.m. από το λιμάνι και με ταχύτητα 8 Knots και εκτέλεση ελιγμών πρόσδεσης με ταυτόχρονη εξυπηρέτηση των ενεργειακών αναγκών του σκάφους
- Εκτέλεση πλόων με ταχύτητα 7-8 Knots για 5-6 ώρες, με κίνηση μόνο μέσω μπαταριών (Zero Emission)
- Παραμονή στην άγκυρα (Μεσόγειος, summer season) για όλη τη νύχτα, με εξυπηρέτηση των ενεργειακών αναγκών του σκάφους μόνο από τις μπαταρίες (Zero Emission – Zero Noise & Vibration)
- Συνδυασμός Diesel Generators και μπαταριών για μεγαλύτερα ταξίδια, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι παραγόμενοι ρύποι
Το κόστος της εν λόγω εγκατάστασης μπαταριών (Lithion-Ion technology) που περιλαμβάνει την αγορά τους, την κατασκευή battery room, την εγκατάσταση του control, τις μονώσεις, τον αερισμό και την ψύξη του χώρου είναι της τάξης των 3.5m Ευρώ.
ΙΙ. Ε/Γ – ΤΟΥΡΙΣΤΙΚΑ & Ε/Γ ΔΡΟΜΟΛΟΓΙΑΚΑ ΣΚΑΦΗ
Η Alpha Marine Ltd. σε συνεργασία με το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (Ε.Μ.Π.) σχεδιάζει και μελετά τρία διαφορετικά μεγέθη σκαφών τύπου Catamaran με υβριδική ή και καθαρά ηλεκτρική πρόωση (μπαταρίες). Η ερευνητική μελέτη επιδοτείται από τη Γενική Γραμματεία Έρευνα και Τεχνολογίας (Γ.Γ.Ε.Τ. – ΕΡΕΥΝΩ-ΔΗΜΙΟΥΡΓΩ -ΚΑΙΝΟΤΟΜΩ).
Τα διαφορετικά μεγέθη των σκαφών έχουν σχέση με τη χρήση τους και θα μπορούν να ενεργούν:
- Σαν δρομολογιακά σκάφη, είτε μεταξύ κεντρικών λιμένων και περιφερειακών νησιών, είτε για ενδονησιακή επικοινωνία
- Σαν σκάφη ημερησίων εκδρομών (τουριστικά)
- Για παράκτια συγκοινωνία (π.χ. στην Αθηναϊκή Ριβιέρα) όπως μεταξύ Πειραιά και Βουλιαγμένης
Οι ανάγκες που υπάρχουν είναι τεράστιες σε όλον τον Ελληνικό θαλάσσιο χώρο.
Όπως αναφέρθηκε ήδη, το μέγεθος του σκάφους εξαρτάται από τη μεταφορική απαίτηση, τις επικρατούσες ανά περιοχή καιρικές συνθήκες, κ.λπ.
Η επιλογή υβριδικής ή καθαρά ηλεκτρικής πρόωσης εξαρτάται από τη διανυόμενη απόσταση και την ταχύτητά του (τις ενεργειακές ανάγκες του δηλαδή).
Είναι σαφές ότι π.χ. τα σκάφη αστικής συγκοινωνίας θα λειτουργούν μόνο ηλεκτρικά (μπαταρίες) όπως επίσης και τα δρομολογιακά σκάφη μικρών αποστάσεων (π.χ. Πειραιάς-Αίγινα, Σκιάθος-Σκόπελος-Αλόννησος και δεκάδες άλλες περιοχές).
Σε μεγαλύτερες αποστάσεις και ταχύτητες θα εγκατασταθεί υβριδική λύση πρόωσης (Diesel Generators και μπαταρίες).
Είναι προφανές το περιβαλλοντικό όφελος και το αποτύπωμα πράσινης κατεύθυνσης που θα αφήσει η χώρα μας διεθνώς.
Η μελέτη αυτή θα καταλήξει και στην εκτίμηση κόστους κατασκευής των σκαφών καθώς και την εκτίμηση του λειτουργικού κόστους και επομένως και στο κόστος χρήσης του σκάφους από τον επιβάτη.
Είναι πιθανό αυτό το κόστος να είναι μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των σημερινών συμβατικών λύσεων.
Εδώ υπεισέρχεται πλέον η απόφαση της πολιτείας (και της Ευρωπαϊκής Ένωσης) για θέσπιση επιδοτήσεων των νέας τεχνολογίας σκαφών, ώστε να μην μεταφερθεί όλο το βάρος της «πράσινης μετατροπής» στους χρήστες.
Εξάλλου, το κόστος ενός προϊόντος δεν είναι μόνο το κόστος κατασκευής του, αλλά το συνολικό κόστος του κύκλου ζωής του (Life Cycle Cost).
Σε αυτό το κόστος σήμερα επιβάλλεται να συνυπολογίσουμε το κόστος αποκατάστασης της «ζημίας» που προξενεί το προϊόν στο περιβάλλον, που τελικά ζητά την πληρωμή του και πάλι από τους πολίτες των κοινωνιών. Σε πολλές περιπτώσεις μάλιστα η «ζημία» δεν αποκαθίσταται.
Ίσως σήμερα δεν είναι εύκολο να μετρήσουμε το κόστος αυτής της «ζημίας» με ακρίβεια. Γι΄αυτό όμως που είμαστε σίγουροι είναι ότι δεν πρέπει να αφήσουμε την κατάσταση ως έχει και να βρεθούμε σε μια δεκαετία να μετράμε τη «ζημία» με ακρίβεια. Αυτό θα είναι απλά καταστροφικό.
Όσον αφορά τα Yachts, η εφαρμογή της νέας τεχνολογίας είναι ευθύνη όλων: των ιδιοκτητών, των designers, των ναυπηγείων, των brokers, των δημοσιογράφων και των πληρωμάτων.
Όλοι σήμερα συζητάμε την ανάγκη εφαρμογής των νέων προτάσεων και πρέπει από την συζήτηση να περάσουμε στην πράξη. Δεν νοείται innovative yacht, αν το Exterior & Interior design δεν συνοδεύεται από τεχνολογία αιχμής σε Naval Architecture & Marine Engineering design.
