© 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
За последние двадцать лет автомобильная промышленность достигла огромных результатов по снижению содержания вредных веществ в отработавших газах. Запрет на использование этилированных бензинов, применение каталитических нейтрализаторов отработавших газов и современных систем питания ДВС, позволили существенно уменьшить вредное воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду и здоровье человека.
При работе автомобильных ДВС в атмосферу выбрасываются не только токсичные газы, но и двуокись углерода (СО 2).
Двигатели современных автомобилей стали более экономичными, а это привело к уменьшению выбросов двуокиси углерода. Применение альтернативных видов топлива также способствует как снижению вредных веществ в отработавших газах, так и снижению количества двуокиси углерода.
Сжиженные нефтяные газы
(LPG - Liquefied Petroleum Gas) дают возможность снизить содержание вредных веществ в отработавших газах и одновременно примерно на 10% уменьшить количество СО 2 , выделяемого при работе ДВС.
Сжатый природный газ
(CNG - Compressed Natural Gas) - это альтернативное топливо, которое может использоваться в ДВС с искровым зажиганием и в дизелях. Для использования в качестве топлива в ДВС он должен быть сжат до высокого давления, чтобы занимать меньший объем. Этот газ может транспортироваться в баллонах высокого давления. При его использовании в качестве топлива, обеспечивается снижение выбросов вредных веществ в атмосферу.
Метанол
(Methanol) - спиртовое топливо, получаемое в процессе переработки нефти или каменного угля. При использовании метанола в качестве топлива для ДВС обеспечивается снижение уровня двуокиси углерода в отработавших газах на 5% по сравнению с бензином. Однако для получения той же мощности требуется вдвое большее количество топлива, чем при использовании бензина.
Этанол
(Ethanol) - спиртовое топливо, получаемое из растений, таких как кукуруза, сахарный тростник и др., имеет примерно такие же свойства, как метанол и производит при сгорании меньшее количество оксидов азота и снижение содержания двуокиси углерода на 4% по сравнению с бензином.
Отработавшие газы ДВС, работающего на этаноле, содержат вредные альдегиды, которые обладают неприятным запахом, вызывают раздражение слизистых оболочек организма человека и не могут быть устранены с помощью каталитических нейтрализаторов.
Водород
(Н 2) - горючий газ, который при сгорании соединяется с кислородом образуя воду. Водород является наиболее перспективной альтернативой углеводородным видам топлива. Водород также является перспективным топливом для использования в силовых установках на топливных элементах.
Перечисленные альтернативные виды топлива могут в отдельных случаях, использоваться для автомобильных двигателей. Многие производители автомобилей имеют в своей программе выпуск автомобилей, которые могут использовать альтернативные виды топлива. Наиболее распространены автомобили, которые могут использовать наряду с бензином сжиженный газ или природный сжатый газ.
Автомобиль Mini Cooper, с двигателем, работающем на водороде
Двигатели опытных автомобилей BMW 750hL и Mini Cooper Hydrogen оборудованы системой впрыска жидкого и охлажденного водорода, смешивающегося с воздухом во впускном трубопроводе. Такой подход дает возможность улучшить наполнение цилиндров ДВС топливновоздушной смесью и свести до минимума загрязнение окружающей среды.
Использование альтернативных видов автомобильного топлива может несколько замедлить перспективу исчерпания мировых запасов нефти, но полностью не решает данной проблемы. Поэтому большинство ведущих мировых производителей автомобилей сейчас вплотную занимаются разработкой силовых установок, где используются альтернативные источники энергии.
Спустя 100-лет после полного отказа от парусников, в попытке уменьшить расходы на топливо, судостроительные компании снова возвращаются к использованию энергии ветра.
Вот несколько проектов транспортных судов, которые используют альтернативные источники для доставки грузов.
Eco Marine Power - солнечные панели работают как паруса
Японская компания Eco Marine Power (EMP) решила создать одновременно и парусное и высокотехнологичное судно, заменив традиционные паруса на .
EMP является инновационной компанией, которая применяет новые технологии к разработке и построению морских судов. Инженеры и исследователи компании поставили перед собой цель разработать более экологически чистые двигатели для морского и речного транспорта, чтобы снизить как традиционных источников энергии, так и уменьшить вред, наносимый от их использования окружающей среде.
Вместо традиционных парусов они использовали управляемые солнечные батареи. Во-первых, их большая площадь и наличие управляемого поворотного механизма позволит использовать панели как обычные паруса. А во-вторых, накопленная за период плавания электрическая энергия будет расходоваться для питания двигателей при маневрировании судна в порту.
Поворотная система каждой солнечной панели позволяет выставлять ее идеально по ветру или же убирать совсем при непогоде. В сложенном горизонтальном положении солнечные панели все равно окажутся повернутыми активными поверхностями к солнечному свету и будут дополнительно заряжать бортовые аккумуляторные батареи.
Представители EMP утверждают, что жесткость и надежность конструкции их высокотехнологичных парусов сможет выдержать даже очень сильный шторм на море, а следовательно судно будет оставаться на плаву и двигаться по утвержденному курсу даже тогда, когда обычные парусные суда этого сделать не смогут. Кроме этого новые паруса требуют минимального технического обслуживания.
Инженеры EMP подсчитали, что оснащение обычного судна такими своеобразными парусами снизит расход топлива на 20 %, а если при этом оснастить корабль еще и дополнительными электромоторами, то расход будет уменьшен почти наполовину – примерно на 40 %.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА НА СУДАХ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА
Сергеев Вячеслав Сергеевич
студент 5 курса, судомеханический факультет, Омский институт водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», г. Омск
E- mail : banan 1990@ bk . ru
Дергачёва Ирина Николаевна
научный руководитель, канд. пед. наук, доцент, зав. кафедрой ЕНиОПД Омского института водного транспорта (филиал) ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта», г. Омск
В настоящее время в России ежегодно потребляется около 100 млн. тонн моторных топлив, производимых из нефти. При этом автомобильный и морской транспорт являются одними из основных потребителей нефтепродуктов и останутся главными потребителями моторных топлив на период до 2040-2050 гг. В ближайшей перспективе ожидается увеличение потребления нефтепродуктов при примерно постоянных объемах их производства и нарастающем дефиците моторных топлив.
Эти факторы привели к актуальной на сегодняшний день реконструкции топливно-энергетического комплекса путем более глубокой переработки нефти, применения энергосберегающих технологий, перехода на менее дорогостоящие и экологически безопасные виды топлив. Поэтому одним из основных путей совершенствования двигателей внутреннего сгорания, остающихся основными потребителями нефтяных топлив, является их адаптация к работена альтернативных топливах.
Целью данной статьи является рассмотрение экологических аспектов применения альтернативного топлива на судах морского и речного флота.
Использование на транспорте различных альтернативных топлив обеспечивает решение проблемы замещения нефтяных топлив, значительно расширит сырьевую базу для получения моторных топлив, облегчит решение вопросов снабжения топливом транспортных средств и стационарных установок .
Возможность получения альтернативных топлив с требуемыми физико-химическими свойствами позволит целенаправленно совершенствовать рабочие процессы дизелей и тем самым улучшить их экологические и экономические показатели.
Альтернативные виды топлива получают в основном из сырья не нефтяного происхождения, применяют для сокращения потребления нефти с использованием (после реконструкции) энергопотребляющих устройств, работающих на нефтяном топливе.
На основе анализа литературы , мы выделили следующие критерии применимости альтернативных источников энергии на судах морского и речного флота:
· низкая построечная стоимость и стоимость в эксплуатации;
· срок службы;
· массогабаритные характеристики в пределах размеров судна;
· доступность источника энергии.
В процессе нашего исследования были определены основные требования к альтернативному топливу для применения на судах, а именно:
· экономическая привлекательность и большие доступные запасы сырья для его производства;
· низкие капитальные затраты по установке на судне дополнительного оборудования;
· присутствие на рынке, доступность в портах, наличие необходимой инфраструктуры или незначительные затраты на её создание;
· безопасность, а также наличие нормативных документов, регламентирующих безопасное применение на судне .
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.
На наш взгляд, основными видами альтернативных топлив являются: сжиженные и компримированные горючие газы; спирты; биотопливо; водотопливная эмульсия; водород.
В свою очередь, особый интерес представляет в рамках нашей статьи, следующие виды:
· 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 , мы можем утверждать, что единственным новым видом топлива, применение которого существенно влияет на экологические показатели судовых двигателей, является природный газ.
Для подтверждения данного факта рассмотрим данные по количеству выбросов при сгорании дизельного топлива, используемого на судах и сжатого или сжиженного газа , как альтернативного вида топлива, представленные в Таблице 1.
Таблица 1.
Количество выбросов при сгорании топлива
Из таблицы видно, что в конечном итоге действительно можно утверждать, что сжатый или сжиженный газ превосходит по экологической безопасности, используемые ныне источники энергии на судах. Иначе говоря, что является наиболее перспективным сегодня для использования на морском и речном транспорте .
В заключение следует отметить, что в настоящее время назрела необходимость применения альтернативных видов топлив на судах морского и речного флота, что теоретически реализовано в данной статье.
Акцент поставлен на экологически ценные характеристики альтернативных видов топлива для речного и морского транспорта, а именно : экологическую надежность и малое присутствие вредных химических веществ.
Список литературы:
- Ерофеев В.Л. Использование перспективных топлив в судовых энергетических установках: учеб. пособие. Л.: Судостроение,1989. -80 с.
- Сокиркин В.А., Шитарев В.С. Международное морское право: учеб. пособие. M.: Международные отношения, 2009. - 384 с.
- Шурпяк В.К.Применение альтернативных видов энергии и альтернативных топлив на морских судах [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.korabel.ru/filemanager (дата обращения 15.11.2012 г.)
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.
