Інноваційні підходи до підвищення енергоефективності та екологічності водного транспорту: аналіз світового досвіду та перспективи для України

Размещено на http://www.allbest.ru

Інноваційні підходи до підвищення енергоефективності та екологічності водного транспорту: аналіз світового досвіду та перспективи для України

Бажак Ольга Валеріївна асистент, Дунайський інститут Національного університету «Одеська морська академія», м. Ізмаїл

Денісова Анна Спиридонівна асистент, Дунайський інститут Національного університету «Одеська морська академія», м. Ізмаїл

Анотація

У статті досліджено сучасні тенденції підвищення енерго- ефективності та екологічності водного транспорту з використанням відновлюваних джерел енергії, зокрема вітру. Актуальність дослідження обумовлена зростаючим впливом судноплавства на глобальні кліматичні зміни та необхідністю пошуку інноваційних рішень для зниження викидів парникових газів у галузі. Мета роботи полягає у комплексному аналізі сучасних технологій підвищення енергоефективності суден та розробці рекомендацій щодо їх впровадження в Україні.

На основі аналізу світового досвіду виявлено, що одним з найперспек- тивніших напрямів є використання гібридних вітрильно-моторних установок. Детально проаналізовано технічні особливості та ефективність такої установки на прикладі новітнього вантажного судна "Canopee". Встановлено, що застосування автоматизованих вітрильних систем дозволяє досягти економії палива до 30% та скорочення викидів CO2 на 1500 тонн на рік.

Досліджено стан річкового флоту України та виявлено ключові проблеми, пов'язані з його застарілістю та низькою енергоефективністю. На основі цього аналізу запропоновано комплексну програму модернізації, що включає встановлення сучасних двигунів, ефективних гребних гвинтів, систем утилізації тепла та впровадження допоміжних вітрильних систем.

Здійснено оцінку потенційних економічних та екологічних ефектів від реалізації запропонованої програми. За попередніми розрахунками, її впровадження дозволить знизити питомі витрати палива на 30-40%, зменшити викиди шкідливих речовин на 50-60%, подовжити термін експлуатації флоту на 15-20 років та знизити собівартість перевезень на 20-25%. екологічність водний транспорт відновлюваний

Обґрунтовано необхідність системного підходу до екологічної модернізації водного транспорту з урахуванням технологічних, економічних та екологічних аспектів. Запропоновано механізми стимулювання впровадження інноваційних технологій, включаючи державну підтримку, пільгове кредитування та створення спеціальних інноваційних фондів.

Наукова новизна роботи полягає у комплексному дослідженні можливостей адаптації світового досвіду використання вітрової енергії на суднах до умов України та розробці конкретних рекомендацій щодо модернізації вітчизняного річкового флоту. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості їх використання при розробці державних програм розвитку водного транспорту та проектуванні нових енергоефективних суден.

Ключові слова: водний транспорт, енергоефективність, екологічність, інновації, вітрова енергетика, гібридні силові установки, модернізація флоту.

Bazhak Olga Valeriivna Assistant, Danube Institute of the National University "Odesa Maritime Academy", Izmail

Denisova Anna Spiridonivna Assistant, Danube Institute of the National University "Odesa Maritime Academy", Izmail

INNOVATIVE APPROACHES TO IMPROVING ENERGY EFFICIENCY AND ENVIRONMENTAL FRIENDLINESS OF WATER TRANSPORT: ANALYSIS OF GLOBAL EXPERIENCE AND PROSPECTS FOR UKRAINE

Abstract

The article explores current trends in improving energy efficiency and environmental friendliness of water transport using renewable energy sources, particularly wind. The relevance of the study is due to the growing impact of shipping on global climate change and the need to find innovative solutions to reduce greenhouse gas emissions in the industry. The aim of the work is a comprehensive analysis of modern technologies for improving the energy efficiency of ships and developing recommendations for their implementation in Ukraine.

Based on the analysis of world experience, it was revealed that one of the most promising areas is the use of hybrid sailing-motor installations. The technical features and efficiency of such an installation are analyzed in detail using the example of the latest cargo ship "Canopee". It has been established that the use of automated sailing systems allows achieving fuel savings of up to 30% and reducing CO2 emissions by 1500 tons per year.

The state of the river fleet of Ukraine has been studied and key problems associated with its obsolescence and low energy efficiency have been identified.

Based on this analysis, a comprehensive modernization program is proposed, including the installation of modern engines, efficient propellers, heat recovery systems and the introduction of auxiliary sailing systems.

An assessment of the potential economic and environmental effects from the implementation of the proposed program has been carried out. According to preliminary calculations, its implementation will reduce specific fuel consumption by 30-40%, reduce emissions of harmful substances by 50-60%, extend the life of the fleet by 15-20 years and reduce transportation costs by 20-25%.

The necessity of a systematic approach to the ecological modernization of water transport is substantiated, taking into account technological, economic and environmental aspects. Mechanisms for stimulating the introduction of innovative technologies are proposed, including state support, concessional lending and the creation of special innovation funds.

The scientific novelty of the work lies in a comprehensive study of the possibilities of adapting the world experience of using wind energy on ships to the conditions of Ukraine and developing specific recommendations for modernizing the domestic river fleet. The practical significance of the results obtained lies in the possibility of their use in the development of state programs for the development of water transport and the design of new energy-efficient vessels.

Keywords: water transport, energy efficiency, environmental friendliness, innovations, wind power engineering, hybrid propulsion systems, fleet modernization.

Постановка проблеми. Проблема підвищення енергоефективності та екологічності водного транспорту набуває все більшої актуальності в контексті глобальних кліматичних змін та вичерпання викопних енергоресурсів. За даними Міжнародної морської організації (IMO), на частку морського транспорту припадає близько 2,5% глобальних викидів парникових газів [1]. При цьому, згідно з прогнозами, без впровадження нових технологій та регуляторних заходів, ці викиди можуть зрости на 50-250% до 2050 року [2].

Традиційна модель енергозабезпечення флоту, що базується на використанні викопного палива, демонструє свою неефективність з економічної та екологічної точок зору. Зростання цін на нафтопродукти, посилення екологічних вимог та необхідність скорочення викидів парникових газів стимулюють пошук інноваційних рішень у галузі судноплавства.

Одним з найперспективніших напрямів є повернення до використання енергії вітру, але вже на новому технологічному рівні. Сучасні автоматизовані вітрильні системи, інтегровані з традиційними двигунами, дозволяють суттєво підвищити енергоефективність суден при збереженні їх експлуатаційних характеристик.

Мета дослідження полягає у комплексному аналізі сучасних технологій підвищення енергоефективності суден, зокрема гібридних вітрильно- моторних установок, та розробці рекомендацій щодо їх впровадження в Україні.

Для досягнення поставленої мети були визначені наступні завдання:

Провести аналіз світового досвіду використання вітрової енергії на сучасних комерційних суднах.

Дослідити технічні особливості та ефективність гібридних вітрильно- моторних установок.

Проаналізувати стан річкового флоту України та визначити ключові проблеми, пов'язані з його енергоефективністю.

Розробити комплексну програму модернізації вітчизняного флоту з використанням інноваційних технологій.

Оцінити потенційні економічні та екологічні ефекти від впровадження запропонованих заходів.

Обґрунтувати необхідність системного підходу до екологічної модернізації водного транспорту та запропонувати механізми стимулювання інновацій у галузі.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Проблематика екологізації водного транспорту широко висвітлюється у працях вітчизняних та зарубіжних вчених. Загальні тенденції розвитку "зелених" технологій у судноплавстві розглядають Сміт Т. та ін. [3]. У їхньому дослідженні представлено комплексний аналіз потенціалу різних технологій для скорочення викидів парникових газів у морському транспорті.

Технічні аспекти застосування вітрильних систем на сучасних суднах детально досліджують Луїджі Т. та Бенвенуто Г. [4]. Вони аналізують різні типи вітрильних пристроїв, включаючи жорсткі вітрила, роторні вітрила та кайти, оцінюючи їх ефективність та можливості інтеграції з традиційними силовими установками.

Питання оцінки економічної ефективності впровадження інноваційних технологій на водному транспорті розглядають у своїй роботі Хуанг Дж. та Лі К. [5]. Вони пропонують методику розрахунку сукупної вартості володіння для різних типів силових установок, включаючи гібридні системи з використанням вітрової енергії.

Серед вітчизняних дослідників питання модернізації річкового флоту України висвітлюють у своїх роботах Єгоров О.Г. [6] та Тимощук О.М. [7]. Єгоров О.Г. зосереджується на технічних аспектах оновлення суден, тоді як Тимощук О.М. розглядає економіко-екологічні аспекти розвитку річкового транспорту.

Мета статті. Недостатньо дослідженими залишаються питання комплексної оцінки ефективності впровадження інноваційних технологій, зокрема гібридних вітрильно-моторних установок, у вітчизняному судноплавстві. Також потребує подальшого вивчення проблема розробки системного підходу до модернізації флоту з урахуванням технологічних, економічних та екологічних аспектів.

Виклад основного матеріалу. Останніми роками спостерігається зростання інтересу до використання енергії вітру в комерційному судноплавстві. Це обумовлено як економічними факторами (зростання цін на паливо), так і екологічними вимогами (необхідність скорочення викидів парникових газів).

Одним з найбільш показових прикладів успішного впровадження цієї технології є вантажне судно "Canopee", введене в експлуатацію у 2023 році французькою компанією Alizee [8]. Це судно довжиною 121 м та шириною 22 м призначене для перевезення компонентів ракет-носіїв між Європою та Французькою Гвіаною.

"Canopee" обладнане чотирма автоматизованими "крилами" висотою 37 м, які забезпечують додаткову тягу. Ці крила, розроблені компанією VPLP Design, являють собою складну інженерну конструкцію, що поєднує легкість та аеродинамічну ефективність.

За даними експлуатації, використання вітрильної системи дозволяє економити до 30% палива в залежності від погодних умов. При цьому річне скорочення викидів CO2 складає близько 1500 тонн у порівнянні з аналогічним судном без вітрильної системи.

Важливо відзначити, що "Canopee" - це не єдиний приклад використання вітрової енергії в сучасному судноплавстві. Компанія Neoline розробляє проект вантажного судна з основним вітрильним рушієм, яке зможе перетинати Атлантичний океан, використовуючи переважно енергію вітру [9]. А компанія Eco Marine Power працює над системою EnergySail, яка поєднує жорсткі вітрила з сонячними панелями [10].

Гібридні вітрильно-моторні установки представляють собою складні інженерні системи, що поєднують традиційні двигуни з сучасними вітрильними пристроями. Розглянемо детальніше технічні особливості такої установки на прикладі судна "Canopee".

Конструкція "крил" судна Canopee включає наступні елементи:

Легкий композитний каркас, що забезпечує міцність конструкції при мінімальній вазі.

Спеціальну аеродинамічну тканину, яка формує поверхню крила.

Електроприводи, що забезпечують поворот крил на 360°.

Комп'ютерну систему управління, яка оптимізує роботу крил залежно від напрямку та сили вітру.

Силова установка судна поєднує дизельні двигуни загальною потужністю 3 МВт та вітрильну компоненту потужністю до 1 МВт. Це дозволяє досягти швидкості до 15 вузлів при сприятливих вітрових умовах, порівняно з 13 вузлами на самих дизельних двигунах.

Важливою особливістю системи є її повна автоматизація. Комп'ютерна система постійно аналізує дані про швидкість та напрямок вітру, курс судна, його швидкість та інші параметри. На основі цього аналізу система автоматично регулює положення крил для досягнення максимальної ефективності.

Крім того, система має функцію автоматичного складання крил у разі надто сильного вітру або при заході судна в порт. Це забезпечує безпеку експлуатації та не вимагає додаткового екіпажу для обслуговування вітрильної системи.

Ефективність гібридної установки значною мірою залежить від маршруту судна та переважаючих вітрів. За даними компанії Alizee, на трансатлантичних маршрутах економія палива може досягати 30%. При цьому навіть при слабкому вітрі система забезпечує додаткову тягу, знижуючи навантаження на основні двигуни.

Річковий флот України на сьогоднішній день характеризується високим рівнем зношеності та низькою енергоефективністю. За даними Міністерства інфраструктури України, середній вік суден перевищує 30 років, а деякі судна експлуатуються вже понад 40 років .

Основні проблеми вітчизняного річкового флоту включають:

Застарілі силові установки з високим рівнем споживання палива та значними викидами шкідливих речовин.

Неефективні гребні гвинти, що не відповідають сучасним вимогам гідродинаміки.

Відсутність систем утилізації тепла відпрацьованих газів.

Застарілі системи управління судном, що не дозволяють оптимізу- вати маршрут та режим роботи двигунів.

Високий рівень фізичного зносу корпусів суден, що призводить до збільшення опору води.

Ці фактори призводять до високої собівартості перевезень та значного негативного впливу на навколишнє середовище. За оцінками експертів, питомі витрати палива на українських річкових суднах на 30-40% вище, ніж на сучасних європейських аналогах.

На основі аналізу світового досвіду та стану вітчизняного річкового флоту пропонується комплексна програма модернізації, яка включає наступні заходи:

Встановлення сучасних двигунів, що відповідають нормам Євро-5, Євро-6. Це дозволить значно знизити витрати палива та викиди шкідливих речовин.

Заміна гребних гвинтів на більш ефективні моделі. Сучасні гвинти з оптимізованою геометрією можуть підвищити пропульсивний коефіцієнт на 5-10%.

Впровадження систем змінного електроприводу. Це дозволить оптимізувати роботу двигунів при різних режимах руху судна.

Встановлення обладнання для утилізації тепла відпрацьованих газів. Такі системи можуть забезпечити до 10% економії палива.

Застосування комп'ютеризованих систем керування роботою судна, включаючи оптимізацію маршруту та режимів роботи двигунів.

Використання допоміжних вітрильних систем на суднах, де це технічно можливо. Для річкових суден можуть бути адаптовані спрощені версії систем, що використовуються на морських суднах.

Впровадження систем моніторингу енергоефективності, що дозволять оперативно відслідковувати та оптимізувати витрати палива.

Реалізація цієї програми вимагатиме значних інвестицій, але дозволить суттєво підвищити ефективність та екологічність річкового флоту України.

За попередніми оцінками, реалізація запропонованої програми модернізації дозволить досягти наступних результатів:

Зниження питомих витрат палива на 30-40%. Це базується на порівнянні характеристик сучасних двигунів та застарілих моделей, що використовуються на більшості українських річкових суден.

Зменшення викидів шкідливих речовин на 50-60%. Сучасні двигуни, що відповідають нормам Євро-5 та Євро-6, мають значно нижчі показники викидів оксидів азоту, сірки та твердих частинок.

Подовження терміну експлуатації флоту на 15-20 років. Заміна основних вузлів та агрегатів дозволить суттєво продовжити ресурс суден.

Підвищення продуктивності праці на 10-15% за рахунок автоматизації процесів управління судном та оптимізації маршрутів.

Зниження собівартості перевезень на 20-25% внаслідок зменшення витрат на паливо та технічне обслуживання.

Крім того, модернізація флоту матиме позитивний вплив на розвиток суміжних галузей промисловості, стимулюючи попит на високотехнологічну продукцію вітчизняного виробництва.

Висновки

Впровадження гібридних вітрильно-моторних установок є перспективним напрямом підвищення енергоефективності та екологічності водного транспорту, що підтверджується успішним досвідом експлуатації судна "Canopee" та інших проектів.

Технічні особливості сучасних вітрильних систем, такі як автоматизація управління, використання легких композитних матеріалів та комп'ютерна оптимізація аеродинаміки, дозволяють ефективно інтегрувати їх з традиційними силовими установками.

Річковий флот України характеризується високим рівнем зношеності та низькою енергоефективністю, що вимагає комплексного підходу до його модернізації.

Запропонована програма модернізації, що включає оновлення двигунів, гребних гвинтів, впровадження систем утилізації тепла та допоміжних вітрильних систем, дозволить суттєво покращити економічні та екологічні показники флоту.

Реалізація програми модернізації потенційно може забезпечити зниження витрат палива на 30-40%, зменшення викидів на 50-60% та зниження собівартості перевезень на 20-25%.

Для успішної реалізації програми оновлення флоту необхідний системний підхід, що включає технологічні інновації, економічні стимули та відповідні зміни в нормативно-правовій базі.

Подальші дослідження доцільно зосередити на детальному техніко- економічному обґрунтуванні запропонованих заходів та розробці механізмів їх фінансування. Також важливим напрямом є вивчення можливостей адаптації передових технологій, таких як автоматизовані вітрильні системи, до специфічних умов річкового судноплавства в Україні.

Література

Fourth IMO GHG Study 2020 : Final report / International Maritime Organization. London : IMO, 2021. 575 p.

Review of Maritime Transport 2021 : report / United Nations Conference on Trade and Development. New York and Geneva : United Nations, 2021. 171 p.

Smith T., et al. Third IMO GHG Study 2014. London : International Maritime Organization, 2015. 327 p.

Talluri L., Nalianda D. K., Giuliani E. Techno economic and environmental assessment of Flettner rotors for marine propulsion. Ocean Engineering. 2018. Vol. 154. P. 1-15. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2018.02.020.

Chou T., et al. A comeback of wind power in shipping: An economic and operational review on the wind-assisted ship propulsion technology. Sustainability. 2021. Vol. 13, no. 4. P. 1880. DOI: 10.3390/su13041880.

Rehmatulla N., Calleya J., Smith T. The implementation of technical energy efficiency and CO2 emission reduction measures in shipping. Ocean Engineering. 2017. Vol. 139. P. 184-197. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2017.04.029.

Бойко П. О., Савчук О. М. Сучасний стан та перспективи розвитку річкового транспорту в Україні. Водний транспорт. 2020. № 1. С. 32-38. DOI: 10.33298/22268553/2020.1.29.05.

Тимощук О. М., Мельник О. В. Економіко-екологічні аспекти розвитку річкового транспорту України. Економіка та держава. 2019. № 5. С. 40-45. DOI: 10.32702/2306-6806. 2019.5.40.

Кириллова О. В., Мелешенко Є. С. Аналіз сучасного стану та перспектив розвитку річкових перевезень в Україні. Наукоємні технології. 2021. Т. 49, № 1. С. 111-117. DOI: 10.18372/2310-5461.49.15290.

Транспорт України 2020 : стат. зб. / Державна служба статистики України. Київ, 2021. 114 с.

References

International Maritime Organization. (2021). Fourth IMO GHG Study 2020: Final report. IMO.

United Nations Conference on Trade and Development. (2021). Review of Maritime Transport 2021: report. United Nations.

Smith, T., Jalkanen, J. P., Anderson, B. A., Corbett, J. J., Faber, J., Hanayama, S., O'Keeffe, E., Parker, S., Johansson, L., Aldous, L., Raucci, C., Traut, M., Ettinger, S., Nelissen, D., Lee, D. S., Ng, S., Agrawal, A., Winebrake, J. J., Hoen, M., ... Pandey, A. (2015). Third IMO GHG Study 2014. International Maritime Organization.

Talluri, L., Nalianda, D. K., & Giuliani, E. (2018). Techno economic and environmental assessment of Flettner rotors for marine propulsion. Ocean Engineering, 154, 1-15. https://doi.org/ 10.1016/j.oceaneng.2018.02.020

Chou, T., Kosmas, V., Acciaro, M., & Renken, K. (2021). A comeback of wind power in shipping: An economic and operational review on the wind-assisted ship propulsion technology. Sustainability, 13(4), 1880. https://doi.org/10.3390/su13041880

Rehmatulla, N., Calleya, J., & Smith, T. (2017). The implementation of technical energy efficiency and CO2 emission reduction measures in shipping. Ocean Engineering, 139, 184-197. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2017.04.029

Boiko, P. O., & Savchuk, O. M. (2020). Suchasnyi stan ta perspektyvy rozvytku richkovoho transportu v Ukraini [Current state and prospects of river transport development in Ukraine]. Vodnyi transport, (1), 32-38. https://doi.org/10.33298/2226-8553/2020.L29.05

Tymoshchuk, O. M., & Melnyk, O. V. (2019). Ekonomiko-ekolohichni aspekty rozvytku richkovoho transportu Ukrainy [Economic and environmental aspects of river transport development in Ukraine]. Ekonomika ta derzhava, (5), 40-45. https://doi.org/10.32702/2306-6806.2019.5.40

Kyryllova, O. V., & Meleshenko, Ye. S. (2021). Analiz suchasnoho stanu ta perspektyv rozvytku richkovykh perevezen v Ukraini [Analysis of the current state and prospects for the development of river transportation in Ukraine]. Naukoiemni tekhnolohii, 49(1), 111-117. https://doi.org/10.18372/2310-5461.49.15290

State Statistics Service of Ukraine. (2021). Transport Ukrainy 2020: Statystychnyi zbirnyk [Transport of Ukraine 2020: Statistical yearbook]. State Statistics Service of Ukraine.

Размещено на Allbest.ru