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.)
Чтобы сузить результаты поисковой выдачи, можно уточнить запрос, указав поля, по которым производить поиск. Список полей представлен выше. Например:
Можно искать по нескольким полям одновременно:
Логически операторы
По умолчанию используется оператор AND
.
Оператор AND
означает, что документ должен соответствовать всем элементам в группе:
исследование разработка
Оператор OR означает, что документ должен соответствовать одному из значений в группе:
исследование OR разработка
Оператор NOT исключает документы, содержащие данный элемент:
исследование NOT разработка
Тип поиска
При написании запроса можно указывать способ, по которому фраза будет искаться. Поддерживается четыре метода: поиск с учетом морфологии, без морфологии, поиск префикса, поиск фразы.
По-умолчанию, поиск производится с учетом морфологии.
Для поиска без морфологии, перед словами в фразе достаточно поставить знак "доллар":
$ исследование $ развития
Для поиска префикса нужно поставить звездочку после запроса:
исследование*
Для поиска фразы нужно заключить запрос в двойные кавычки:
" исследование и разработка"
Поиск по синонимам
Для включения в результаты поиска синонимов слова нужно поставить решётку "#
" перед словом или перед выражением в скобках.
В применении к одному слову для него будет найдено до трёх синонимов.
В применении к выражению в скобках к каждому слову будет добавлен синоним, если он был найден.
Не сочетается с поиском без морфологии, поиском по префиксу или поиском по фразе.
# исследование
Группировка
Для того, чтобы сгруппировать поисковые фразы нужно использовать скобки. Это позволяет управлять булевой логикой запроса.
Например, нужно составить запрос: найти документы у которых автор Иванов или Петров, и заглавие содержит слова исследование или разработка:
Приблизительный поиск слова
Для приблизительного поиска нужно поставить тильду "~ " в конце слова из фразы. Например:
бром~
При поиске будут найдены такие слова, как "бром", "ром", "пром" и т.д.
Можно дополнительно указать максимальное количество возможных правок: 0, 1 или 2. Например:
бром~1
По умолчанию допускается 2 правки.
Критерий близости
Для поиска по критерию близости, нужно поставить тильду "~ " в конце фразы. Например, для того, чтобы найти документы со словами исследование и разработка в пределах 2 слов, используйте следующий запрос:
" исследование разработка"~2
Релевантность выражений
Для изменения релевантности отдельных выражений в поиске используйте знак "^
" в конце выражения, после чего укажите уровень релевантности этого выражения по отношению к остальным.
Чем выше уровень, тем более релевантно данное выражение.
Например, в данном выражении слово "исследование" в четыре раза релевантнее слова "разработка":
исследование^4 разработка
По умолчанию, уровень равен 1. Допустимые значения - положительное вещественное число.
Поиск в интервале
Для указания интервала, в котором должно находиться значение какого-то поля, следует указать в скобках граничные значения, разделенные оператором TO
.
Будет произведена лексикографическая сортировка.
Такой запрос вернёт результаты с автором, начиная от Иванова и заканчивая Петровым, но Иванов и Петров не будут включены в результат.
Для того, чтобы включить значение в интервал, используйте квадратные скобки. Для исключения значения используйте фигурные скобки.
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.
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.
