Dự đoán năng lượng gió

(Vietnam Logistics Review) Theo kiến trúc sư hải quân người Hà Lan công bố, tàu chở hàng rô-tơ Flettner sử dụng song song hai loại động cơ của công ty C-job sẽ được bổ sung vào đội tàu điện gió số lượng hạn chế.

Các chuyên gia trong ngành đang tìm kiếm mô hình xác định liệu các tàu dùng động cơ đẩy bằng sức gió có được thương mại hóa thành tàu chở hàng hay không. Để làm được điều này, họ cần tổng hợp nhiều dữ liệu trước khi đưa ra tính toán chính xác.

Dự đoán chính xác khả năng tiết kiệm nhiên liệu của động cơ đẩy bằng sức gió là điều không dễ. Có nhiều cách để tối ưu hóa một con tàu sử dụng vào việc chở hàng: cách sắp đặt buồm hoặc cài đặt động cơ điện gió khác nhau sẽ cho ra lực đẩy khác nhau, giá trị các góc nghiêng ngang khác nhau cũng ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Tiếp đó, hình dạng thân tàu cũng cần được xem xét. Các tàu chở hàng hiện đại đều được tối ưu hóa cho việc điều hướng trong điều kiện thiết kế, đó là mặt nước tĩnh và khả năng chịu tải tối đa khi dùng động cơ hết công suất. Thân tàu được thiết kế có thể chịu tải an toàn tới mức tối đa. Khi các chủ tàu tham gia vào lĩnh vực tàu điện gió trong thương mại đường biển, việc thay đổi thiết kế thân tàu sẽ mang lại nhiều lợi ích.

Hiện vẫn chưa có đủ thông tin về hoạt động thực tế của các biến thể thân tàu khác nhau, vì các thử nghiệm đầu tiên trong việc sử dụng sức gió để hỗ trợ động cơ đẩy tàu vẫn đang trong giai đoạn tiến hành. Tất cả các thí nghiệm ngày nay vẫn phải dựa vào mặt cắt ngang thân tàu để đánh giá trọng tải tối ưu. Sắp tới, khi các thí nghiệm này tiếp tục được thực hiện, dữ liệu thu thập được là chìa khóa phát triển mô hình dự báo năng lượng gió đáng tin cậy.

Tàu điện gió trong tương lai gần

Các kiến trúc sư hải quân ở C-Job cho biết, tàu chuyên chở Flettner sử dụng song song động cơ thường và động cơ điện gió thiết kế trong một dự án nghiên cứu sắp được đưa vào xây dựng. Khi tàu này hoạt động, nó sẽ gia nhập đội tàu hiện tại gồm ba tàu chở hàng sử dụng động cơ rô-tơ Flettner. C-Job mong đợi tiết kiệm nhiên liệu ít nhất 25%.

Các đồng nghiệp của C-Job từ Conoship từng trình bày nghiên cứu thuyết phục cho trường hợp tàu chở hàng hoạt động giữa Phần Lan và Hà Lan. Conoship theo dõi hiệu suất và nhiên liệu tiêu thụ của một tàu 4.500DWT hướng biển Baltic và Biển Bắc. Sau đó, họ thu thập thông tin về các loại gió thường thổi, sóng và dòng chảy, dự đoán hệ thống đẩy tua-bin trên cùng loại tàu chở hàng. Để có kết quả tốt nhất, thủy động lực học thân tàu đã được tối ưu hóa trong hoạt động tàu.

"Đó là một việc vô cùng khó" - kiến trúc sư hải quân của Conoship, ông Guus van der Bles cho hay. "Một phần của nguyên tắc khí động lực học giúp cho hệ thống đẩy tua-bin tạo lực đẩy không khí được bơm vào các ống thông qua những lỗ hút nhỏ trên bề mặt. Rất khó để thu hẹp các lỗ hút này."

Kết quả cuối cùng các thiết kế, thử nghiệm và tính toán này của Conoship là khoảng tiết kiệm nhiên liệu hàng năm dự đoán khoảng 50.000-70.000 Euro. Conoship hy vọng sẽ có một mô hình kích thước thật sẵn sàng để thử nghiệm trong năm 2017.

Mô hình lý thuyết

Bắt đầu từ các loại tàu chở hàng thường thấy mà chúng ta đã quen thuộc, điều đầu tiên cần xác định là lực thực tế động cơ đẩy bằng sức gió có thể cung cấp. Lĩnh vực khí động học giữa các cánh buồm từ lâu đã được các nhà thiết kế du thuyền nghiên cứu chuyên sâu. Áp dụng các kết quả nghiên cứu đó vào trường hợp tàu chở hàng, Giovanni Bordogna của Đại học Kỹ thuật Delft đã nghiên cứu công suất truyền động của một thuyền có kiểu buồm Dyna và cách mà các cột buồm ảnh hưởng đến hiệu suất khí động học của nhau.

Nghiên cứu của ông, dù không khiến các thủy thủ dày kinh nghiệm ngạc nhiên mấy, chỉ ra rằng nếu theo hướng thuyền đi mà gió thổi vào mũi tàu, các cột buồm sẽ ảnh hưởng tích cực lẫn nhau. Khu vực buồm trải dài theo chiều dài của một con tàu, sẽ tạo ra hiệu ứng upwash - một hiệu ứng làm trệch hướng gió và khiến dòng không khí thổi đến theo một góc vừa phải vào các cánh buồm ở phía trước. Điều này tạo nhiều sức đẩy hơn khi các cột buồm ngược hướng gió, sau đó sức đẩy được tạo ra trong cùng khu vực buồm tương tự trên một cột buồm đơn.

Tuy nhiên, theo hướng gió thổi, các cột buồm ảnh hưởng tiêu cực đến nhau. Các khối cột buồm ở đuôi tàu chiếu theo khu vực gió của những cái ở mũi tàu. Khi tàu sử dụng kết hợp sức đẩy của gió và động cơ, gió sẽ đến từ một góc hướng trước nhiều hơn so với chỉ có buồm. Bordogna thấy rằng tuy có thể tính toán các lực đẩy lý thuyết của một thuyền buồm kiểu Dyna, hiệu suất của cánh buồm cũng bị ảnh hưởng bởi thân tàu. Số đo góc nghiêng và hiện tượng trôi dạt làm giảm lực đẩy theo hướng di chuyển mong muốn.

Một đồng nghiệp của ông Bordogna, Nicovander Kolk đang nghiên cứu các tác động của động cơ đẩy bằng sức gió lên thủy động lực tàu. Số đo góc nghiêng và chuyển động sang bên (hay còn được thủy thủ gọi là hiện tượng trôi dạt) sẽ làm tăng sức cản. Có thể giảm bớt sự trôi bằng cách bẻ lái nhẹ sang hướng có gió, tăng sức cản nhiều hơn. Theo tính toán của Vander Kolk, thân tàu rộng và ngắn sẽ nhận nhiều sức cản hơn so với thân tàu có tỉ lệ tương quan cao.

Cần quy mô lớn

Michael Traut, nhà nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu biến đổi khí hậu Tyndall Đại học Manchester, muốn mở rộng quan điểm từ thử nghiệm với một số tàu riêng biệt sang lắp ráp một hạm đội tàu sử dụng động cơ điện gió. "Điều này sẽ đóng góp lớn vào việc giảm khí thải nhà kính ở châu Âu," ông nói, "và trong các năm tiếp theo sẽ tạo nhiều việc làm tại các nhà máy đóng tàu mới trang bị thêm”.

"Dự báo cho thấy khối lượng vận chuyển sẽ tăng lên, do đó, lợi ích của tiết kiệm nhiên liệu sẽ còn lớn hơn nữa. Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện nay với giá dầu thấp và việc giao hàng DN đến DN, không có đủ động lực khiến các chủ tàu đầu tư vào lắp ráp động cơ điện gió. Ở các thị trường nơi người tiêu dùng mua hàng trực tiếp từ chủ tàu, động cơ điện gió được đánh giá cao, vì gió là loại năng lượng hoàn toàn không phát thải và có thể làm mới."

Ông Traut tin rằng, nếu ngành hàng hải không thay đổi cách tiếp cận với các loại động cơ đẩy, sẽ phải đối mặt với các loại thuế phát thải khổng lồ. Ông cũng hy vọng các DN mới sẽ xuất hiện và tiên phong trong lĩnh vực mới này.

Nhã Hân dịch