Применение альтернативных топлив на судах. Экологические аспекты применения альтернативных видов топлива на судах морского и речного флота. Сжиженный природный газ
© Тишинская Ю.В., 2014
Актуальность данной темы обуславливается тем фактом, что судну для его функционирования необходимо большое количество топлива, что пагубно сказывается на состоянии окружающей среды, так как огромные грузовые корабли ежегодно выбрасывают в атмосферу миллионы кубометров углекислого газа, нанося огромный вред атмосфере и приближая таяние ледников на полюсах. Также в связи с нестабильными ценами на нефтепродукты и ограниченные запасы этих ископаемых заставляют инженеров постоянно искать альтернативные виды топлива и источники энергии.
Мировое судоходство является основным источником загрязнения окружающей среды, так как мировая торговля требует огромное количество потребления нефти и других горючих материалов для морских судов, но поскольку все больше внимания уделяется сокращению выбросов СО2, становится понятно, что настало время внесения изменений в силовые установки или вовсе найти им замену.
В настоящее время в рамках только одной страны потребление моторных топлив, производимых из нефти, может достигать сотни миллионов тонн. При этом автомобильный и морской транспорт являются одними из основных потребителей нефтепродуктов и останутся главными потребителями моторных топлив на период до 2040-2050 гг.
Также существенным толчком к развитию данного вопроса является тот факт, что в соответствии с требованиями Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов происходит планомерное ужесточение требований к содержанию оксидов серы, азота и углерода, а также твердых частиц в выбросах морских судов . Эти вещества наносят огромный вред окружающей среде и являются чуждыми любой части биосферы.
Наиболее жесткие требования выдвигаются для Районов Контроля Выбросов (Emission Control Areas - ECA). А именно:
· Балтийское и Северное моря
· прибрежные воды США и Канады
· Карибское море
· Средиземное море
· побережье Японии
· Малаккский пролив и др.
Таким образом , изменения норм по выбросам оксида серы с морских судов в 2012 году составляет 0 % и 3,5 % в особых районах и во всем мире соответственно. А к 2020 году нормы по выбросам оксида серы с морских судов в данных районах аналогично составят 0 %, а во всем мире уже снизятся до 0,5 % . Отсюда следует, необходимость решения проблемы снижения химических выбросов в атмосферу вредных веществ судовыми энергетическими установками и поиск новых, более «дружелюбных» видов топлива или энергии для использования последних на судах.
Для решения этих вопросов предлагается внедрение инноваций в двух различных направлениях:
1) Использование новых, более экологичных и экономичных видов топлива при эксплуатации судов;
2) Отказ от привычного нам топлива в пользу использования энергии солнца, воды, ветра.
Рассмотрим первый путь. Основными видами альтернативных топлив являются следующие:
Биодизель - это органическое топливо, производимое из масленичных культур.
Цена биодизеля марочного примерно в два раза выше цены обычного дизельного топлива. Исследования, проведённые в 2001/2002 годах в США показали, что при содержании в топливе 20 % биодизеля, содержание вредных веществв выхлопных газах увеличивается на 11 % и только использование чистого биодизеля уменьшает выбросы на 50 %;
Спирты - это органические соединения, содержащие одну или более гидроксильных, непосредственно связанных с атомом углерода. Спирты запрещены как топливо с низкой температурой вспышки;
Водород - это единственный вид топлива, продуктом сгорания которого не является углекислый газ;
Используется в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или в виде присадки к жидкому топливу. Опасность его хранения на судне и дорогостоящее оборудование для подобного использования делают данный вид топлива совершенно не перспективным для судов;
Водотопливная эмульсия производится на судне в специальной установке - при этом экономится топливо, уменьшаются выбросы оксида азота (до 30 % в зависимости от содержания воды в эмульсии), но не оказывает существенного влияния на выбросы оксида серы;
Сжиженные и компримированные горючие газы позволяют полностью исключить выбросы серы и твердых частиц в атмосферу, кардинально - на 80 % снизить выбросы оксидов азота, существенно - на 30 % снизить выбросы диоксида углерода .
Таким образом , можно утверждать, что единственным новым видом топлива, применение которого существенно влияет на экологические показатели судовых двигателей, является природный газ.
Перейдем к рассмотрению второго пути. Ветер и солнце являются самыми распространенными источниками энергии на земле. Многие организации предлагают всевозможные проекты по внедрению их в повседневную жизнь .
В международной практике существует уже несколько реализованных и еще нереализованных проектов судов с использованием энергии ветра и солнца для своего плавания.
В стремлении сократить расход топлива на больших торговых судах флота в мировом океане группой из Токийского университет был разработан проект “Wild Challenger”.
Используя гигантские выдвижные паруса, размеры которых составляют 50 метров в высоту и 20 метров в ширину, годовой расход топлива может быть снижен почти на 30 процентов. Для получения максимальной тяги паруса управляются индивидуально, и каждый парус является телескопическим с пятью ярусами, что позволяет складывать их, когда погода становится неблагоприятной. Паруса полые и изогнутые сделаны из алюминия или армированного пластика, что делает их более похожими на крылья. Компьютерное моделирование, а также испытания в аэродинамической трубе показали, что данная концепция способна работать даже при боковом ветре. Таким образом, проект “Wind Challenger” действительно может стать развитием экономичных судов будущего поколения .
Компания “Eco Marine Power” разработала проект «Aquarius », что в переводе означает «Водолей». Особенностью данного проекта, является использование солнечных панелей в качестве паруса.
Такие паруса даже получили собственное название «жесткий парус». Они станут частью крупного проекта, который позволит морским судам без проблем задействовать альтернативные источники энергии, находясь в море, на рейде и порту. Каждая панель-парус будет автоматически менять положение с помощью компьютерного управления, которые разрабатывает японская компания «KEI System Pty Ltd ». Панели также могут быть убраны при неблагоприятных погодных условиях.
Последнее достижение в области солнечных технологий означает, что теперь можно использовать комбинацию солнечных батарей и паруса, и этот факт выводит данный проект на передовые позиции в области развития современного судостроения.
Система «Водолей » разрабатывается таким образом, что она не требует много внимания со стороны экипажа судна и относительно проста в установке. Материалы, из которых изготовлен жесткий парус и другие компоненты системы, подвергаются переработке.
Система «Aquarius » станет привлекательной для вложения средств судоходными компаниями и судовыми операторами, за счет быстрой окупаемости проекта .
Можно сделать вывод о том, что оба этих пути призваны решать одни и те же проблемы. Внедрение данных проектов оказывает значительное влияние на мировые морские перевозки, способствуя значительному снижению уровня загрязнения окружающей среды и сокращению расходов на топливо и обслуживание. Что выбрать – дело каждого. Более простой путь для внедрения – использование экономичного топлива, так как эта технологи не требует полной замены флота, а может быть применена на уже существующих судах, однако все же при этом сохраняется определенный уровень расходов на топливо и выбросы вредных веществ в атмосферу. Выбор в пользу постройки судов, которые в своей эксплуатации используют альтернативные источники энергии, с одной стороны, требует полной замены флота, но с другой исключает расходы на топливо и существенно снижают различные виды загрязнений окружающей среды.
Литература
1. Сокиркин В.А. Международное морское право: учеб.пособие / Сокиркин В.А.,
Шитарев В.С. – М: Международные отношения, 2009. – 384 с.
2. Шурпяк В.К. Применение альтернативных видов энергии и альтернативных
топлив на морских судах [Электронный ресурс]. - Режим доступа к документу:
http://www.korabel.ru/filemanager
3. Корабли будущего [электронный ресурс]. – Режим доступа к документу:
http://korabley.net/news/korabli_budushhego/2010-04-05-526
4. Экономичные суда возможны [электронный ресурс]. – Режим доступа к
документу:http://korabley.net/news/ehkonomichnye_suda_vozmozhny/2014-01-06-
5.Альтернативная система «Водолей» может изменить морские перевозки
[электронный ресурс]. – Режим доступа к документу: http://shipwiki.ru/sovremennye_korabli/na_ostrie_progressa/alternativnaya_sistema_emp_aquarius.html
Международные инициативы в сторону снижения углекислого газа (CO2) и других вредных выбросов с судов являются драйверами поиска альтернативных источников энергии.
В частности, в отчете классификационного общества DNV GL рассматривается использование топливных элементов, газовой и паровой турбин вместе с электроприводными системами, что может быть эффективным только в сочетании с более экологичным видом топлива.
Использование топливных элементов на судах в настоящий момент находится в разработке, однако пройдет немало времени до тех пор, пока они смогут заменить основные двигатели. Концепты в данном направлении существуют уже сейчас, например, паром от VINCI Energies. Такое судно имеет длину 35 м. Оно будет способно держать заряд энергии, полученной от возобновляемых источников, в течение 4-х часов. На сайте компании сказано, что такое судно будет эксплуатироваться между французским островом Уэссан и континентом, начиная с 2020 года.
Также в качестве инновационных технологий рассматривается использование аккумуляторов и энергии ветра.
Судно, использующее энергию ветра, The Vindskip
Системы аккумуляторных батарей уже применяются в судоходстве, однако использование технологии для морских судов ограничено в связи с низкой эффективностью.
Наконец, использование энергии ветра, хотя и не является новинкой, должно еще доказать свою экономическую привлекательность в современном судостроении.
Напоминаем, что с 1-го января 2020 года содержание серы (SOx) в топливе не должно содержать более 0,5%, а выбросы парниковых газов должны быть сокращены на 50% к 2050 году, согласно последнему решению Международной морской организации (ИМО).
Альтернативные виды топлива
Среди альтернативных видов топлива в настоящее время рассматриваются: сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), метанол, биотопливо и водород.
ИМО в настоящий момент разрабатывает кодекс безопасности (IGF Code) для судов, использующих газ или другие экологичные виды топлива. Продолжается работа в области использования метанола и топлив с низкой температурой воспламенения.
Для других видов топлива IGF Code пока не разрабатывается, что судовладельцам необходимо принять во внимание.
Воздействие на окружающую среду
По данным DNV GL, при использовании СПГ выделяется меньше всего парниковых газов (основными парниковыми газами являются водяной пар, углекислый газ, метан и озон). Однако несгоревший метан, являющийся основной составляющей СПГ, создает выбросы с 20 раз более мощным парниковым эффектом, чем углекислый газ (CO2 - двуокись углерода).
Тем не менее, по заверениям производителей двухтопливных двигателей, объем несгоревшего метана в современном оборудовании не столь велик, и использование их дает снижение парниковых газов в судоходстве на 10-20%.
Углеродный след (количество парниковых газов, причиной которых стали деятельность организаций, действия по транспортировке грузов) от использования метанола или водорода значительно больше, чем при использовании тяжелого топлива (HFO) и морского газойля (MGO).
При использовании возобновляемых источников энергии и биотоплива, углеродный след меньше.
Самым экологичным видом топлива является водород, производимый из возобновляемой энергии. Жидкий водород может быть использован будущем. Однако у него достаточно низкий показатель объемной энергетической плотности, что приводит к необходимости создания больших мест хранения.
Что касается выбросов азота, для соответствия стандарту Tier III двигатели внутреннего сгорания с циклом Отто, работающие на СПГ или водороде, не нуждаются в оборудовании для очистки выхлопных газов. В большинстве случаев для удовлетворения стандарту не подходят двухтопливные двигатели, работающие по дизельному циклу.
Уровень выбросов азота при использовании разных видов топлива.
В связи с наличием на крупном судне нескольких энергетических установок, например, главного двигателя, дизель-генератора для выработки электроэнергии, котла для производства горячей воды и пара, судовое топливо может быть представлено сразу несколькими видами.
Более того, главный двигатель морского судна нередко запитывают не одним, а двумя и более видами топлива попеременно. Это связано с тем, что в океане существуют зоны особого контроля выбросов серы - Северное и Балтийское море, атлантическое и тихоокеанское побережья США и Канады.
При подходе к ним двигатели переводят на дизельное топливо с малым содержанием серы. Этот же приём используют перед выполнением манёвров, в которых приходится часто менять режимы двигателя. После выхода из порта дизельное топливо заменяют мазутом, на котором судно проходит главную часть пути.
Виды топлива для судоходства
Основными видами топлива для судов сегодня являются:
- дизельное топливо;
- высоковязкие виды судового топлива;
- другие виды (КСТ - компонент судового топлива из газового конденсата, нефтяное газотурбинное ТГ и ТГВК, СПГ - сжиженный природный газ и т. д.)
Дизельное и маловязкое топлива относятся к светлым нефтепродуктам. Они отличаются друг от друга стоимостью (СМТ намного дешевле), а также техническими характеристиками.
СМТ содержит больше серы (от 0,5 до 1,5 % против 0,01 %), имеет более низкое цетановое число (40 против 45). Основной выигрыш при замене дизельного топлива маловязким состоит в дешевизне последнего, а также в том, что при отсутствии серы в дизельное топливо для сохранения смазывающих свойств нужно вводить специальные дорогостоящие присадки.
Высоковязкие виды судового дизельного топлива относятся к тёмным сортам нефтепродуктов. Они дешевле светлых, поэтому широко применяются для судоходствасудоходства . Подразделяются на лёгкие, тяжёлые и сверхтяжёлые. К этим видам принадлежат флотские мазуты Ф-5 и Ф-12, топочные мазуты М-40 и М-100, судовое топливо ИФО-30, ИФО-180, ИФО-380. Они вырабатываются смешением остаточных нефтепродуктов с дизельными фракциями. Применяются тёмные сорта в малооборотных и среднеоборотных двигателях.
О хранении и подготовке судового топлива
Для хранения топлива на судне используют топливные бункеры, расположенные рядом с машинным отделением. Крупное судно может расходовать до 40 т топлива в сутки, однако лишнего горючего, за исключением аварийного запаса на случай штормов, в рейс не берут, поскольку оно создаёт балласт и уменьшает полезную загрузку судна. К балласту относят и мёртвый запас топлива на судне - остатки в бункерах ниже заборных патрубков.
Перед использованием нередко мазуты подвергают особым операциям подготовки. Они состоят:
- В разогреве топливной массы холодного мазута, потерявшего текучесть, путём доливки в цистерну горячего мазута. Разогрев осуществляют и в цистернах, оборудованных специальными нагревательными системами.
- Очистке путём отстаивания или сепарирования в специальных судовых установках; при этих процессах отделяется грязь, механические включения и вода. Очищенное топливо меньше изнашивает двигатели, поэтому установки очистки с лихвой окупаются.
Сегодня существует множество сортов дизельного и других видов топлива для судна. Чтобы избегать ошибок при закупках, старайтесь приобретать ГСМ только у проверенных поставщиков.
