혁신적인 Becker Mewis Duct를 활용하여 연간 100만 톤 이상의 이산화탄소 감소

에너지 절약 장치로 해양 산업 요구 충족 지원

에너지 효율성은 조선업체와 운영자가 직면한 가장 큰 단일 문제입니다. 해양 산업 기업들은 이산화탄소(CO₂)와 질소산화물(NOx) 배출 규제를 준수하는 동시에 선박 운영 비용을 줄이고자 합니다. 선박 주변과 프로펠러로 물의 흐름을 효율적으로 유도하는 현대적인 유선형 선체 설계로 연료를 절약할 수 있지만, 이 시나리오는 주로 새로운 선박 설계에 적용됩니다. 전 세계 상업 무역 해운의 대부분은 CFD(전산 유체 역학) 도구와 정교한 설계 탐색 기술의 이점을 활용하지 않고 설계된 오래된 선박이 지배적입니다.

연비 및 배출 기준 목표를 달성하기 위해 기업들은 구형 선박에 맞춤형 ESD(에너지 절약 장치)를 장착하는 경우가 많습니다. 일반적으로 EDS는 프로펠러 근처에 위치한 고정식 흐름 유도 장치로, 보통 선박 선체에 부착된 프로펠러 앞이나 방향타 또는 프로펠러 자체에 고정된 프로펠러 뒤에 설치됩니다. ESD는 또한 최근의 선체 설계에서도 추진 성능을 개선하는 데 상당한 잠재력을 보여주었습니다.

조선업체의 잠재적인 절감 효과를 이해하기 위해 DWT(재화중량톤수)가 55,000인 선박이 정상 순항 속도에서 하루에 약 160톤의 연료를 사용한다고 가정해 보겠습니다. 1년 동안 연비를 5% 개선하면 2,000톤 이상의 연료를 절약하고 약 50만 달러의 비용을 절감할 수 있으므로 해양 기업들이 에너지 효율을 높이는 조치를 적용하고자 하는 것은 당연합니다.

덕트 및 방향타의 동적 압력 분포.

선박 유체 역학 효율성 향상

현재 가장 성공적으로 운영되고 있는 ESD 중 하나는 풀폼 저속 선박용으로 개발된 Becker Mewis Duct® 에너지 절약 장치입니다. Becker Marine Systems GmbH(Becker Marine Systems)에서 유통하는 Becker Mewis Duct는 주어진 속도에서 상당한 연료 절감 효과를 내며, 선박이 주어진 동력 수준에서 더 빠르게 이동할 수 있도록 합니다. Becker Marine Systems는 덕트 설계를 위해 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ STAR-CCM+ 소프트웨어를 선택했습니다.

언뜻 보기에 Becker Mewis Duct는 간단한 장비로 보이며, 다수의 통합 앵글 핀(angled fin)이 포함된 덕트로 구성되어 있습니다. 덕트는 전방 추력을 생성하고 선체의 반류를 곧게 펴고 가속하여 프로펠러로 보냅니다. 핀 시스템은 프로펠러 후류의 손실을 줄이는 반류 전류 고정을 도입하여 특정 출력 수준에서 추력을 늘립니다. 이러한 효과는 서로 긍정적으로 작용합니다.

제대로 작동하고 반류 흐름을 개선하려면 덕트 섹션의 특성과 각 핀의 방향 및 설계를 각각의 새로운 선체 형태에 맞게 구체적으로 최적화해야 합니다. Becker Mewis Duct는 빌지 킬과 후방 선체 모양에서 발생하는 와류에 포함된 에너지를 활용하여 선박의 전반적인 유체 역학적 효율을 높입니다.

잠재적 에너지 절감 효과는 선체 블록 계수와 프로펠러의 추력 하중에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 에너지 절감 효과는 다목적 선박의 경우 3% 내외, 유조선 및 벌크선의 경우 최대 8%입니다. 평균 에너지 절감 효과는 5~6%이며, 덕트를 플랩이 있는 풀 스페이드 러더인 Becker 방향타와 함께 사용하면 8%까지 증가할 수 있습니다. 이러한 동력 및 에너지 절감은 선박의 흘수 및 속력과는 무관합니다. 또한 ESD를 사용하여 NOx 및 CO₂ 배출량을 줄일 수 있습니다.

Example Becker Mewis Duct.

Simcenter STAR-CCM+를 사용한 Becker Mewis 덕트 설계

Becker Marine Systems의 엔지니어링 부서는 해양 시장을 위한 혁신적인 기술 솔루션을 개발, 엔지니어링 및 출시하는 임무를 맡고 있습니다. Becker Marine Systems의 기술 이사인 Arian Hezar-Khani는 최초의 Becker Mewis Duct를 개발한 R&D(연구 개발) 팀을 이끌고 있습니다. 이 프로젝트에서 팀은 Simcenter STAR-CCM+ for (CFD)를 사용했습니다. Simcenter는 소프트웨어, 하드웨어, 서비스로 구성된 Siemens Xcelerator 비즈니스 플랫폼의 일부입니다.

Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 엔지니어링 팀은 더 나은 설계를 더 빠르게 발견할 수 있었습니다. Becker Mewis Duct는 2008년에 처음 출시되었습니다. 2009년 9월 노르웨이 Bergen의 Grieg Shipping Group의 다목적 운반선 Star Istind에 본격적인 첫 설치가 이루어졌습니다. 이 선박의 예상 동력 절약량은 약 6%였습니다.

Hezar-Khani는 "Becker Mewis Duct의 효율성은 덕트를 정의하는 데 사용하는 Simcenter STAR-CCM+ CFD 프로세스를 광범위하게 사용하여 보장됩니다."라고 말합니다. "정확한 CFD 시뮬레이션 없이는 각 덕트를 특정 선체의 흐름 조건에 맞게 정밀 튜닝할 수 없습니다. 각 시나리오에 대해 Simcenter STAR CCM+를 사용하여 40개 이상의 설계 매개변수를 수정하여 고유한 덕트를 제공합니다. 유사점이 있기는 하지만 각 선박에 맞게 설계하는 덕트는 매우 고유합니다. 똑같은 덕트는 없습니다."

Hezar-Khani의 팀은 에너지 절감을 보장해야 할 뿐만 아니라 엄격한 일정을 준수해야 합니다. "새로운 주문을 받으면 필요한 에너지 절감 방안을 찾는 데 보통 2주가 걸립니다."라고 Hezar-Khani는 말합니다. “견인 탱크 슬롯은 미리 예약되어 있고 조정할 수 없기 때문에 타임라인이 엄격합니다. 지정된 시간 내에 선박의 에너지 효율을 개선하지 못하면 실패한 것입니다. 두 번째 기회는 없습니다."

해양 산업은 보수적인 경향이 있으며, 자항 테스트는 대부분의 신조 계약에서 선박의 동력 성능을 입증하는 벤치마크로 남아 있습니다. 모델 테스트 중 입증된 최종 연료 절감 효과에만 집중하기 때문에 특정 Becker Mewis Duct의 설계 및 수정에 집중적으로 투입되는 CFD 노력을 인지하는 고객은 거의 없습니다. CFD와 예인 수조 예측 간의 모든 편차는 추가 CFD 계산을 통해 철저히 조사됩니다.

많은 CFD 계산이 모델 규모에서 수행됩니다. 엔지니어링 팀은 축적 효과가 큰 영향을 미치지 않는지 확인하고 캐비테이션의 우수한 성능을 보장하기 위해 일련의 최종 실척 계산을 합니다. 이 문제는 인간이 아닌 컴퓨터 알고리즘이 이전 반복 작업의 파라메트릭 탐색을 기반으로 다음 설계 구성을 선택하는 자동화된 최적화 프로세스에 매우 적합한 것으로 보입니다. 그러나 덕트 주위의 흐름을 다음 설계 반복을 완전히 정의하는 데 사용할 수 있는 소수의 수치 매개변수로 줄이는 것이 거의 불가능하기 때문에 Becker Mewis Duct는 자동화된 설계 탐색에 적합하지 않습니다.

대신, 경험이 풍부한 조선 기사와 유체 역학자로 구성된 팀이 Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션 프로세스가 끝날 때마다 자동으로 생성되는 모든 데이터를 시각적으로 검사하는 업무를 맡습니다. 팀은 Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션 데이터를 사용하여 덕트, 핀 및 프로펠러를 통한 역류 특징을 파악하고 다음 설계 반복을 위한 시정 조치를 제안할 수 있습니다.

엔지니어링 팀은 수백 개의 ESD 덕트를 작업했으며 지식과 전문성을 적용하여 추가 개선을 위한 솔리드 기반을 제공하는 초기 설계를 정의함으로써 약 30번의 설계 반복 내에서 최적의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 선체가 잘 설계되면 항적 시 에너지 낭비가 줄어들 수 있으므로 ESD를 통해 연료를 대폭 절감할 기회가 줄어듭니다. Hezar-Khani는 초기 설계 반복을 통해 필요한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있었던 팀의 단독 일회성 덕트 설계를 즐겁게 회상합니다. 이 덕트에 대한 매개변수를 선택할 때 수백 개의 이전 덕트 설계 연구에서 얻은 지식을 사용한 엔지니어가 초기 설계를 구성했기 때문에 이는 엔지니어링 프로세스의 성과입니다.

Becker Mewis Duct 설치.

결론

Becker Marine Systems는 2,000개 이상의 Becker Mewis Duct를 납품하여 해양 설계 프로세스에서 엔지니어링 시뮬레이션, 특히 CFD의 가치를 명확하게 입증했습니다. CFD를 사용하면 기업이 정보를 바탕으로 결정을 내리고 지속적인 데이터 스트림으로 조선업체가 실제 선박 성능을 개선할 수 있습니다.

숙련된 엔지니어가 Simcenter STAR-CCM+를 사용하여 주도하는 집중적인 설계 탐색이 없다면 엄격하게 제어되는 일정을 지키면서 Becker Marine Systems가 성능을 보장하는 정밀 튜닝된 에너지 절약 장치를 제공하기란 불가능합니다. 고객은 Becker Mewis 덕트를 사용하여 수백만 달러의 연료 절감 효과를 실현했습니다. ESD는 또한 해운 산업에서 유해한 CO₂ 및 NOx 배출을 줄이는 데 중요한 역할을 했습니다.

예를 들어, 중량이 57,000 DTW인 벌크선 AS Valeria를 위해 Becker Mewis Duct가 개발되었을 때, 엔지니어링 팀은 Simcenter STAR-CCM+ 시뮬레이션 기능을 사용하여 5%의 연료 절감을 예측했고, 이는 해상 시험에서 확인되었습니다. 또한, 추가 CFD 기능을 사용하여 연간 1,002톤의 CO₂를 줄일 수 있었습니다.

Becker Marine Systems는 자사 덕트에 대한 높은 신뢰를 가지고 있으며, 모델 테스트 중에 합의된 연료 절감 목표를 달성하지 못하는 모든 장치에 대해 전액 환불을 제공할 준비가 되어 있습니다. 이러한 성능 보장 덕분에 대부분의 선주들은 일반적으로 설치 후 1년 이내에 ROI(투자 수익률)를 달성할 수 있으므로 Becker Mewis Duct에 투자하는 것이 위험 부담이 적은 결정이라고 생각합니다. 투자 비용도 새로운 친환경 선박에 투자하는 것보다 훨씬 저렴합니다.