Case: ABB Marine & Ports – Uraauurtava propulsiokonsepti vähentää polttoaineen kulutusta jopa 22 %

ABB Marine & Ports on kestävää merenkulkua edistävä teknologiajohtaja. ABB:n sähköinen propulsio, dataan perustuvan päätöksenteon tukipalvelut sekä alusten ja satamien integroidut ratkaisut auttavat kehittämään päästötöntä meriteollisuutta, tarjoavat parempaa tehokkuutta ja luotettavuutta laivanomistajille ja varustavat aluksia vastaamaan tulevaisuuden vaatimuksiin. ABB Marine & Ports toimii 26 maassa ja sillä on 2 000 työntekijää.

Noin 90 prosenttia maailmankaupasta kulkee meriteitse, ja merenkulun osuus maailman vuotuisista kasvihuonekaasupäästöistä on lähes kolme prosenttia. Jos mihinkään toimenpiteisiin ei ryhdytä, merenkulku saattaa vastata jopa 13 prosentista maailman päästöistä vuoteen 2050 mennessä. Tästä syystä Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO) on asettanut tavoitteeksi vähentää vuosittaisia ​​kasvihuonekaasupäästöjä vähintään 40 prosentilla vuoteen 2030 mennessä vuoden 2008 tasoon verrattuna ja saavuttaa päästöjen osalta nettonollataso 2050 mennessä¹.

Tavoitteen saavuttaminen edellyttää huomattavaa edistystä polttoaineteknologian, vaihtoehtoisten energialähteiden ja propulsioteknologian osalta. Nykyisin alusten maksimaalinen propulsiohyötysuhde eli osuus, joka potkurille syötetystä tehosta voidaan käyttää laivan kuljettamiseen, on noin 70 %. Lukemaa voidaan parantaa merkittävästi kehittämällä uusia propulsioon liittyviä innovaatioita, jotka vähentävät myös kaikkien polttoaineiden kulutusta.

ABB on ollut edelläkävijä propulsiojärjestelmien kehitystyössä, ja ensimmäinen idea yhtiön innovatiivisesta Azipod®-järjestelmästä syntyi jo 1980-luvun lopulla. Yhtiö on siitä lähtien kerännyt yli 30 vuoden ajan kokemusta propulsioteknologiasta. VTT on kuluneina vuosikymmeninä tarjonnut yhtenä avustavana tutkimuskumppanina hydrodynamiikan asiantuntemustaan ABB:n tuotekehityksen tueksi.

Koska Azipod®:in kaltaisia ruuvipotkureita hyödyntäviin propulsiojärjestelmiin ei ole mahdollista enää tehdä radikaaleja parannuksia tehokkuuden osalta, ryhtyi ABB vuoden 2013 lopulla kartoittamaan mahdollisia uusia, tehokkaampia propulsiokonsepteja. Seuraavan parin vuoden aikana arvioitiin kaikkiaan 69 konseptia. Näiden joukossa oli yksilöllisesti ohjattaviin pystysuoriin lapoihin perustuva ratkaisu, joka kehittyi nykyiseen muotoonsa ABB Dynafin™️ -konseptiksi.

Senior Project Manager, Solutions Development Veli-Pekka Peljo ABB:ltä kertoo, että VTT kuului keskeisiin avustaviin kumppaneihin, joiden kanssa ABB teki yhteistyötä kehittäessään konseptia. Peljon mukaan yksi VTT:n vahvuuksista oli kyky luoda analyyttinen malli potkurin toiminnasta.

”VTT:llä oli propulsiojärjestelmien hydrodynamiikan asiantuntemuksen ja laajan meriteollisuusosaamisen lisäksi analyyttisia työkaluja, joiden avulla pystyimme laskemaan kaikki käyttötehokkuuteen vaikuttavat muuttujat. Tämä oli ratkaisevaa kehitystyön alkuvaiheissa”, Peljo sanoo.

VTT:n Research Scientist Ilkka Perälä lisää, että vain harvalla organisaatiolla maailmassa on tarjota vastaavanlaisia analyyttisia työkaluja.

”Maailmassa ei ole riittävästi laskentatahoa, jotta pystyisimme laskemaan tarkasti kaikki parametrit, jotka vaikuttavat tämäntyyppisen propulsorin suunnitteluun. Apuun tulevat silloin yksinkertaistetut, mutta tehokkaat työkalut, joilla voidaan nopeasti esittää hyötysuhteita erilaisissa tilanteissa”, Perälä toteaa.

Potentiaalisen voittajakonseptin tultua valituksi sen mekaanisia, sähköisiä ja ohjauselementtejä kehitettiin edelleen, jotta oli mahdollista arvioida niiden soveltuvuutta täysimittaiseen toteutukseen. Lisäksi ratkaisun hydrodynaamista suorituskykyä arvioitiin hyödyntämällä edistyneitä laskennallisen virtausdynamiikan (CFD) simulaatioita.

”Seuraava vaihe – prototyypin testaus mallikokeissa – on tärkeä osa meriteollisuuden tuotekehitystä. Oli kätevää ja tehokasta, että pystyimme tekemään testit onnistuneesti VTT:n Espoossa sijaitsevalla tutkimusaltaalla”, ABB:n Peljo huomauttaa ja lisää, että on hyödyllistä, että tutkimuskumppani ymmärtää perusteellisesti myös teoreettisen taustan, johon kaikki jatkokehitystyö perustuu.

ABB Dynafin™️-kehitysprojektin aikana VTT tarjosi ABB:lle:

• Vahvaa teoreettista ymmärrystä propulsiotekniikasta
• Erityisesti projektia varten kehitettyjä, ainutlaatuisia analyyttisia työkaluja
• Lisäresursseja edistyneiden CFD-simulaatioiden toteuttamiseksi
• Avovesi- ja itsepropulsiotestit mallimittakaavassa
   

VTT:n Sustainable Shipping -tutkimustiimin päällikkö Teemu Manderbacka on tyytyväinen ABB:n kanssa kehittyneeseen pitkäaikaiseen yhteistyöhön ja luottamukselliseen kumppanuuteen.

”Tavoitteenamme on kuunnella ja ymmärtää asiakkaan tarpeita ja näkemyksiä auttaaksemme heitä entistä paremmin teknologian kehitystyössä. Tämä projekti on ollut erityisen palkitseva tuottaessaan merkittäviä tuloksia, jotka voivat vastata suoraan pakottavaan tarpeeseen rajoittaa kasvihuonekaasupäästöjä”, Manderbacka sanoo.

Syvemmissä jatkotutkimuksissa – joihin kuuluivat itsepropulsiotestit sekä ohjauskyvyn varmentamiseen liittyvät järvellä tehdyt kokeet – päädyttiin tulokseen, että uudella ratkaisulla oli mahdollista saavuttaa erittäin korkea, jopa 80–85 prosentin hyötysuhde avovedessä. Uusi konsepti voi parantaa tehokkuutta jopa 22 prosentilla olemassa oleviin saman tehoalueen propulsiojärjestelmiin verrattuna.

ABB Dynafin™️-konseptin etuja alusten omistajille ja käyttäjille ovat muun muassa:

• Korkea hyötysuhde
• Erinomainen ohjattavuus
• Korkea luotettavuustaso ja helppo huollettavuus
• Korkea mukavuustaso ja toimintojen kestävyys.
   

ABB:n mukaan erittäin lupaavien tulosten ja asiakkailta saadun rohkaisevan palautteen perusteella käynnistetty täysimittainen kehitysprojekti tähtää konseptin edelleen kehittämiseen ja tuotteistamiseen lähivuosien aikana.

”Olemme vasta raapaisseet pintaa propulsiotekniikan kehityksen osalta, joten meillä on vielä paljon tutkittavaa. Jatkamme pitkän yhteistyömme pohjalta mielellämme kehitystyötä VTT:n kanssa myös jatkossa”, Peljo päättää.