Rotorowce – okręty napędzane wiatrem na miarę XXI wieku

W poprzednim tekście rozważyliśmy Środowiskową Ocenę Cyklu Życia samochodów elektrycznych, odnosząc się do niegasnącej dyskusji na temat ich faktycznego wpływu na środowisko. Transport drogowy ma przeważający wpływ na środowisko [1], jednak należy pamiętać również o innych środkach transportu. Ten krótki tekst poświęcony jest technologii, która w nowoczesny sposób wraca do samych korzeni marynistyki – okrętów napędzanych wiatrem.

Od egzotycznych katamaranów, przez hiszpańskie galeony i angielskie liniowce, aż po nasz wyjątkowy „Dar Młodzieży”, okręty żaglowe od niepamiętnych czasów przemierzały i wciąż przemierzają siedem niespokojnych mórz. Począwszy od XVIII wieku sukcesywnie wypierane przez napęd parowy i spalinowy, obecnie okręty pochwalić się mogą zróżnicowanymi jednostkami napędowymi, w tym turbinami parowymi (nawet na paliwo jądrowe!) [2]. Wydawać by się mogło, że wobec tych zaawansowanych i sprawdzonych w boju technologii poleganie na zmiennej w swojej naturze sile wiatru powinno być domeną sportowców i pasjonatów. Być może stan taki utrzymałby się przez następne lata, jednak rosnąca świadomość ekologiczna objęła również transport morski, odpowiedzialny za 2% emisji gazów cieplarnianych związanych z transportem  [3]. Do tej liczby należy dodać negatywny wpływ żeglugi morskiej na środowisko obejmujący emisję NOx i związków siarki, spowodowaną min. złej jakości paliwem wykorzystywanym przez jednostki spalinowe [4]. Rozważając jako napęd Odnawialne Źródła Energii naturalnie wskażemy wiatr, jednak powrót do komercyjnej żeglugi żaglowej pozostaje w sferze marzeń miłośników mazurskich jezior. Czy można wykorzystać siłę wiatru pozostając przy obecnej konstrukcji okrętów? Okazuje się, że tak!

By zrozumieć działanie nowego napędu – rotora Flettnera, objaśnijmy szybko działanie tradycyjnych żagli. Intuicyjnie sam ruch powietrza utożsamiamy z napędem żaglowców, jednak to nie sam wiatr, a jego przyczyna, czyli różnica ciśnień, odpowiada za wszelkie siły  wykorzystywane przez żagiel. Tak jak różnica ciśnień na otwartej przestrzeni wywołuje wiatr (choćby przeciąg w mieszkaniu), tak różnica ciśnień powietrza „zebranego” przez żagiel i powietrza za nim powoduje powstanie siły, przenoszonej przez maszt na sam okręt. Dzięki temu możemy z żaglem płynąć „pod wiatr”, wystarczy odpowiednia geometria żagla. Rotor Flettnera wykorzystuje zaś sam ruch powietrza by wywołać „efekt Magnussa”. To ciekawe zjawisko zachodzi, gdy obracające się ciało znajduje się w poruszającym się płynie. W tym przypadku są to pionowo ustawione walce, obracające się wokół własnej osi. Obrót ciała ciągnie za sobą masy płynu, powodując nagromadzenie się go z jednej strony ciała i ubytek z drugiej, tym samym tworząc strefy wyższego i niższego ciśnienia. Sam opis tego zjawiska nie oddaje jak eleganckie i efektowne potrafi być, o czym szczególnie przekonują się fani piłki nożnej i wielu innych sportów. Zachęcam by spojrzeć na objaśnienie proponowane przez TED ED, jak i wspomniany w filmie legendarny rzut wolny w wykonaniu Roberto Carlosa [5] [6].

Podobnie jak przy żaglu, rotor wykorzystuje zatem różnicę ciśnień do wytworzenia siły napędowej, inny jest sposób wywołania tej różnicy. Dwie zasadnicze zmiany to: kierunek wiatru, bo by wykorzystać napęd wiatr musi wiać prostopadle do kierunku ruchu okrętu; oraz napęd rotora, gdyż obrót walca wywołany jest przez silnik, gdy żagiel wymaga jedynie dzielnej załogi do obsługi przy linach. Dodatkowo rotor musi obracać się w odpowiednim kierunku, w innym przypadku siła działająca na instalację będzie hamowała okręt. Czy w takim przypadku rotor może chociaż zrekompensować energię wykorzystaną do jego napędu?

Jak podaje Science przy zasilaniu rotora mocą 90 kW udawało się uzyskać do 3 MW napędu, a okręt testowany w 2015 roku z pomocą rotorów zaoszczędził 6% wykorzystanego paliwa [7]. Jak podaje producent tej technologii Norsepower, zainstalowanie dwóch 35 metrowych rotorów na okręcie S.C. Connector ma ograniczyć jego emisję aż o 25% [8]! Choć technologia ma swoje ograniczenia, szczególnie w przypadku kontenerowców, które oferują bardzo ograniczoną powierzchnię dla takich instalacji, została już zaadoptowana do wielu typów statków, ze szczególnym uwzględnieniem tankowców o wielkiej, niezagospodarowanej powierzchni pokładu. Jest ironią losu, że to właśnie klasa statków służąca do przewozu paliwa może na nim zaoszczędzić najbardziej!

Ta niezwykła technologia, jak i inne śmiałe plany na nową, ekologiczną żeglugę przedstawione są w filmie na kanale Real Engineering, który posłużył jako inspiracja do tego tekstu [9]. Zachęcam by zajrzeć na ten kanał, oferujący wiele materiałów związanych z energetyką. 

Autor:

Mateusz Jabłoński 

Źródła:

[1] Bill Gates, książka „Jak ocalić świat od katastrofy klimatycznej”, rozdział 7 „O przemieszczaniu się”,

[2] The Progress of Marine Propulsion Nature 

[3] https://www.epa.gov/.../fast-facts-transportation... 

[4] https://www.transportenvironment.org/.../shipping%E2%80... 

[5] https://www.youtube.com/watch?v=m57cimnJ7fc... 

[6] https://www.youtube.com/watch?v=crKwlbwvr88... 

[7] https://www.sciencemag.org/.../spinning-metal-sails-could... 

[8] https://www.norsepower.com/roro/ 

[9] https://www.youtube.com/watch?v=WWiX2edcBoA...