由于國際海事組織（IMO）邁向2050年軌跡，以及不斷上漲的燃料價格導致減少燃料消耗與碳排放的需要，航運業(yè)正在重新挖掘風力推動的潛能。目前正在進行中的多個項目對商船利用風能的可行性開展研究。
世界各地港口的船舶觀測者都在納悶：有些船舶的甲板上，那些看上去有點滑稽的構造是什么？高大的柱狀物看起來像尺寸超標的煙囪，或者讓人聯(lián)想起飛機的機翼。
他們看到的是現(xiàn)代的風帆，這是運用最新科學發(fā)現(xiàn)推動船舶的創(chuàng)新設計。由于航運業(yè)認識到脫碳的必要性，目前產(chǎn)生了數(shù)量驚人、種類繁多的風力輔助推進系統(tǒng)（WAPS）項目，這些項目通常得到了政府支持。雖然眼下還不清楚，未來碳中和背景下有哪些驅動船舶的燃料和技術，成本會是多少，但對于有遠見的利益相關方來說，風力輔助推進技術已經(jīng)成為減少船舶碳足跡的技術之一，也為確定和開發(fā)下一代動力源贏得了時間。
對風力輔助推進重拾興趣
“近年來已經(jīng)開展了大量的WAPS開發(fā)工作，但大部分不為主流市場所知”，DNV首席工程師Uwe Hollenbach表示，“現(xiàn)在這個行業(yè)開始意識到，降速航行和其他效率增強方式的效果有限，你必須想得更遠。”
致力于風能的倡議和聯(lián)合項目不斷涌現(xiàn)。各類大會、研究和論文推動航運業(yè)界迎接風力輔助推進的到來。IMO近期更新了EEDI和EEXI的計算模式，讓WAPS系統(tǒng)能發(fā)揮更大的現(xiàn)實效益。
新風帆材料和虛擬建模實現(xiàn)效率水平最大化
這一領域肯定會出現(xiàn)新的動態(tài)，而且是件嚴肅的事?！帮L力是一種用之不竭的能源—可能有些不穩(wěn)定，但足夠強大，值得我們重新考慮”，DNV頂級帆船專家、高級首席工程師Hasso Hoffmeister說，“你基本上不會在風能上出錯—免費、零碳，而且有很多改造方案可供選擇，其中不少都易于安裝。此外，在合適的地區(qū)，總能獲得零成本的風能—它提供了一定的規(guī)劃可靠性，不再受制于燃燒燃料的供應和價格波動。”
帆船和流體動力學專家、尤其是從事賽艇領域的專家一直在開發(fā)和改進創(chuàng)新風帆系統(tǒng)。通過先進的輕量化材料和虛擬建模仿真，實現(xiàn)和展示了前所未有的效率水平。傳感器系統(tǒng)與計算機對復雜的現(xiàn)代風力推進裝置的處理與控制加以優(yōu)化。目前成熟的技術使輔助風力推進成為貨輪現(xiàn)實可行的選擇之一。
風力推進的基本考量因素
在Uwe Hollenbach看來，考慮采用風力輔助推進時，需要考量以下基本因素：
-運營地區(qū)應具備足夠的風力。相比中高緯度地區(qū)，熱帶地區(qū)的風力不夠可靠。
-小型船舶可選擇的系統(tǒng)更多。但大型船舶往往受到限制，因為空氣阻力降低了風帆系統(tǒng)的效率。裝載甲板貨物的船舶也需要高效布置風帆系統(tǒng)的新理念。
-天氣導航有助于提升WAPS效率。
-在啟動WAPS項目前，強烈建議開展危害識別研究（HAZID）。桅桿和風帆必須遠離駕駛臺和吊桿，并保護其免受惡劣天氣和海況的影響。否則會影響船舶的操控和裝卸、視線及安全。
-新船規(guī)劃WAPS的效果要優(yōu)于改造，設計師可以考慮穩(wěn)性、效率以及電力需求，并將WAPS納入混動推進系統(tǒng)，實現(xiàn)投資效益最大化。
由于這些因素，在現(xiàn)有采用風力輔助推進系統(tǒng)的船舶中，燃料節(jié)省和減排數(shù)值的差異很大?！癉NV擁有全面的風能專業(yè)知識和模擬工具。作為獨立第三方，我們能夠預測設計方案的輔助推進功率和燃料節(jié)省情況，并計算EEDI或EEXI”，Hasso Hoffmeister說。DNV已經(jīng)制訂了WAPS系統(tǒng)認證標準，并對市場上很多WAPS系統(tǒng)授予了AiP（原則性認可證書）。
基于DNVST-0511標準的DNV船級標識WAPS，用于風力輔助推進系統(tǒng)，涵蓋了諸多常見的風帆類型。
旋翼帆技術已得到證實
目前商船上最受歡迎也是風險最小的WAPS技術是旋翼帆，也被稱為福萊特納帆，以上世紀二十年代的發(fā)明者命名，Hoffmeister說。在小型船舶上安裝旋翼帆，通過先進的計算機控制技術實現(xiàn)了4.5%的燃料節(jié)省，最高可達25%。渡船、汽車船、多用途船、散貨船和油船上的旋翼帆改造相對簡單。
18米的“經(jīng)濟型福萊特納”旋翼帆最高可節(jié)省20%的燃料。
例如，Norsepower在一艘成品油船上改造了兩臺DNV認證的旋翼帆，節(jié)約了8.2%的燃料消耗。之后，有兩艘混動渡船安裝了DNV認證的福萊特納旋翼帆。目前為止安裝旋翼帆的最大船舶是一艘散貨船，共安裝了五臺，旋翼帆在貨物裝卸時可以放倒，預計可節(jié)省8%的燃料消耗。DNV入級的滾裝船“SC Connector”安裝了兩臺福萊特納旋翼帆，預計將減少25%的排放，船舶通過大橋時可以放倒帆。目前驗證測量工作正在進行中。
“經(jīng)濟型福萊特納”平均節(jié)省10-20%的燃料消耗
“經(jīng)濟型福萊特納”的首個應用項目是多用途船“Fehn Pollux”，該船安裝了一臺旋翼帆，其平均燃料節(jié)省高達10-12%，超出了所有人的預期。福萊特納大家庭的另一個成員，是倫敦的Anemoi海事技術公司在一艘散貨船上改建了四臺旋翼帆，并同樣通過了DNV認證。旋翼帆安裝在滑軌上，可以避開碼頭吊桿?！案ＨR特納”原理越來越普及：DNV近期為韓國大宇造船海洋株式會社開發(fā)的旋翼帆系統(tǒng)授予了原則性認可證書。
運用帆船競賽技術減少商船的碳排放
與此同時，最初為帆船競賽發(fā)明的創(chuàng)新風帆類型已經(jīng)進入了商船貨運領域，主要航運公司都對運用這些技術表示意愿。英國樸茨茅斯的BAR技術公司以及Yara海運技術公司開發(fā)了名為“風翼”的固體翼帆系統(tǒng)，并于2021年11月獲得了DNV的原則性認可證書。這種模仿飛機機翼的翼帆設計為兩組到五組，完全由計算機控制。據(jù)BAR技術公司介紹，平均可以減少船舶30%的二氧化碳排放。
“為海事行業(yè)開發(fā)新的風力推進技術并非易事，因為安全處于最重要的地位。在‘風翼’的早期安裝中，與DNV的合作非常重要，我們獲益良多。通過原則性認可的專業(yè)方法和架構以及設計審批，我們的工作不僅確?？冃?，還注重可靠性與安全性”，BAR技術公司首席執(zhí)行官John Cooper表示。
“風翼”可以折疊，能讓船舶通過橋梁，并確保貨艙口的自由出入。BAR技術公司與跨國食品巨頭嘉吉等公司建立了合作關系，將于2022年底在嘉吉一艘大型干散貨船上改造首臺“風翼”。嘉吉宣布，計劃在未來幾年中租賃20艘以上的新型風力輔助船。
翼帆可減少高達45%的環(huán)境足跡
DNV還向VPLP設計公司開發(fā)的AYRO海翼3.6.3風力輔助推進系統(tǒng)授予了原則性審批證書。這艘121米長的滾裝船計劃于2022年交付，將配備四臺自動化“海翼”翼帆，預計該船的環(huán)境足跡將減少20-45%。
AlfaWall Oceanbird是華輪威爾森和阿法拉伐組建的合資公司，從事風力推進和風力輔助的飛機機翼型剛性翼帆的開發(fā)工作。整個“海鳥”概念包括了翼帆、特殊設計的船體和航速/航線推薦，能減少最多90%的排放。“從上一次著手研究風帆動力以來，技術已經(jīng)大為改觀”，該公司董事總經(jīng)理Niclas Dahl介紹，“自動化、傳感器、材料技術、航線規(guī)劃、天氣預報，所有這些結合在一起，讓我們從全新的角度審視風力推進。我們可以做15年前不可能做的事情?！?/p>
Cousteau演示吸力翼帆
吸力翼帆是指利用內部的風扇、通過開孔矩陣吸入周圍的空氣，從而產(chǎn)生翼帆的“抬升”效應。這項技術由Jacques-YvesCousteau在他的“Alcyone”船上首次成功應用，并得到了eConowind的優(yōu)化。目前在兩艘普通貨船上安裝了兩臺移動箱式裝置，類似項目也在西班牙落地。
風箏歸來
風箏正在迎來復興：2022年，一種創(chuàng)新的自動化風箏帆將開展為期半年的海上試航，空客公司的子公司Airseas將在一艘滾裝船上布置半幅尺寸的“海翼”演示風箏。另有一艘安裝海翼風箏系統(tǒng)的LNG動力散貨船計劃于2024年交付。
風箏被視為一種非常有效的風能利用方式。2022年，空客公司旗下的Airseas將在一艘滾裝船上布置半幅尺寸的“海翼”演示風箏。
綠色融資青睞風力推進
隨著所有WAPS項目績效數(shù)據(jù)的出爐，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也會相當可觀。而且新造船采用風力輔助推進對于綠色融資計劃來說更具吸引力。征收碳稅以及不斷收緊的脫碳目標會增強風力推進的吸引力。在DNV全球航運咨詢總監(jiān)Jan-Henrik Hübner看來，鑒于當前燃料價格高企而WAPS技術已經(jīng)成熟，技術可行性方面已經(jīng)不存在壁壘，這是一個好消息：“運營商無需購買的每一噸燃料都是額外的利潤”。畢竟，風力就是金錢！
