Использование современных ветровых энергетических установок на крупных грузовых судах становится одним из наиболее доступных способов сокращения выбросов парниковых газов в морском транспорте. Согласно требованиям европейского экологического регламента «FuelEU Maritime», перед сектором стоит задача сократить углеродный след на 6% к 2030 году и на 80% к 2050 году. Крупные суда водоизмещением более 5 тысяч тонн, включая контейнеровозы, балкеры и танкеры, обеспечивают около 90% выбросов углекислого газа во всем мировом торговом флоте. В условиях, когда экологически чистые виды топлива, такие как водород или аммиак, еще не готовы к коммерческому применению, а полная электрификация крупнотоннажных судов технически невозможна, судовладельцы все чаще возвращаются к использованию энергии ветра.

Интерес к жестким парусам и роторным технологиям быстро растет. Если в начале 2020 года вспомогательными ветровыми установками были оборудованы всего девять крупных судов в мире, то сегодня их число увеличилось до 64. Однако на практике эффективность таких систем сильно варьируется: фактическая экономия топлива и снижение объемов вредных выбросов колеблются в диапазоне от 2% до 25%. Исследователи признают, что столь существенный разброс показателей во многом связан с недостаточным пониманием реальной аэродинамики ветра в море и несовершенством применяемых математических моделей.

Для решения этой задачи в Норвегии запущен исследовательский проект «reSail», рассчитанный до 2028 года. В консорциум под руководством научного института SINTEF вошли Норвежский университет естественных и технических наук, судоходная компания Odfjell, технологические партнеры Fugro Norway и bound4blue, а также европейский научно-исследовательский центр холдинга HD Hyundai. Финансирование инициативы частично обеспечивается Научным советом Норвегии. Главная цель ученых – детально изучить сложное взаимодействие ветра с парусными системами и корпусом судна для максимизации экологического эффекта.

Современные вспомогательные ветровые технологии делятся на три основных типа. Роторные паруса представляют собой вращающиеся цилиндры, создающие тягу за счет эффекта Магнуса, возникающего при разнице давлений по обе стороны вращающегося тела. Крыльевые паруса работают по принципу вертикального крыла самолета, генерируя подъемную силу, которая толкает судно вперед. Третий тип – всасывающие паруса, в которых крыльевая конструкция дополняется вентилятором, втягивающим воздух с тыльной стороны крыла для искусственного увеличения перепада давления. Исследовательская группа «reSail» сосредоточила свое внимание именно на крыльевых и всасывающих парусных системах.

Ученые отмечают, что реальные ветровые условия в море существенно отличаются от теоретических моделей. Воздушные потоки над палубой оказываются гораздо более турбулентными и изменчивыми, причем на их направление и скорость активно влияет само судно и уже установленные на нем конструкции. Из-за упрощенных расчетов, которые используются сегодня при проектировании и эксплуатации, судовладельцы теряют значительную часть потенциальной экономии.

Для детального анализа воздушных потоков исследователи провели серию измерений на танкере «Bow Olympus», принадлежащем компании Odfjell, на котором недавно были установлены жесткие паруса производства bound4blue. Замеры проводились как до монтажа мачт, так и после него с помощью лазерной системы «LiDAR», предоставленной компанией Fugro. Эта технология фиксирует скорость и направление ветра, анализируя отражение лазерных лучей от микрочастиц и пыли в воздухе на основе эффекта Доплера.

Полученные данные будут использованы для проведения испытаний в аэродинамической трубе с уменьшенными моделями судов, что позволит определить оптимальное расположение мачт на палубе. Кроме того, ученые намерены разработать систему предиктивного контроля, которая сможет оценивать состояние ветра до того, как поток достигнет судна, и автоматически корректировать угол наклона парусов. Ожидается, что комплексный подход к управлению судами и точная настройка оборудования позволят стабильно удерживать показатель экономии топлива на уровне не менее 25%.