О перспективах развития судовых пропульсивных установок в соответствии с экологическими нормами международной конвенции MARPOL-73/78

Введение. Требования безопасности техногенных и природных систем на морском транспорте повышают внимание к выбросам выхлопных газов. В настоящее время Приложение VI конвенции MARPOL-73/78 [1–3] ратифицировано многими ее подписантами, а, следовательно, все эксплуатирующиеся в настоящее время двигатели должны соответствовать требуемым уровням выбросов NO_x. Например, в районах Балтийского и Северного морей снижение портового сбора используется в качестве стимула использования топлива с низким содержанием серы. Применение современных технологий должно обеспечить требуемый допустимый уровень выбросов и дальнейшее усовершенствование и развитие с целью адаптации к таким ограничениям [1–3].

Ограничения на выбросы могут потребовать разработки новых технологий, но тогда выбранное решение не обязательно будет оптимальным. Действующие на построенных судах системы в среднем будут эксплуатироваться не менее 25 лет, что соответствует сроку службы судна. Такие методы снижения выбросов выхлопных газов как селективное каталитическое восстановление и эмульгирование воды уже используются на двухтактных двигателях некоторых известных фирм-производителей, например, MAN B&W.

До недавнего времени основное внимание экологических служб, в основном, было сосредоточено на NO_x и SO_x, но сейчас больше внимания уделяется компонентам выхлопных газов, таким как HC, твердые частицы, CO и СО₂.

Цель работы — путем исследования современных технических решений показать, что для решения практических задач экологии необходим комплексный подход, который позволит разрабатывать рациональные схемы современных судовых пропульсивных установок для их соответствия требованиям безопасности техногенных и природных систем.

Материалы и методы. В данной работе использовались расчетные соотношения, приведенные в открытых источниках и соответствующие требованиям IМО [1–3]. Собственные исследования и наблюдения по сокращению количества выбросов парниковых газов (ПГ) с учетом режимов работы генерирующих установок приведены в [4]. Учитывался опыт и рекомендации ведущих зарубежных фирм и отечественных предприятий-производителей судового механического и электромеханического оборудования, их новейшие и перспективные разработки в части компоновочных решений и разработки отдельных элементов [5, 6].

Результаты исследований. Для оценки перспектив возможного развития судовых пропульсивных установок рассмотрим ее обобщенную схему (рис. 1).

В общем случае судовая пропульсивная установка имеет главный двигатель (ГД), дизельные генераторы (ДГ) и валогенератор/двигатель (ВГ/Д). В качестве гребной электрической установки (ГЭУ) используют винторулевые колонки (ВРК) и системы «Азипод»; редуктор (Р); солнечные батареи (СБ); аккумуляторные батареи (АБ); топливные элементы (ТЭ) (водородные или аммиачные по принципу действия как водородные); главный распределительный щит (ГРЩ); подруливающее устройство (ПУ); преобразователь частоты (ПЧ) и топливные танки (ТТ).

Рис. 1. Обобщенная судовая пропульсивная установка

Для выполнения исследований следует определиться с первичными двигателями. Типовые КПД и области применения первичных двигателей в соответствии со стандартом ISO 3046 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Типовые КПД и области применения первичных двигателей в соответствии со стандартом ISO 3046

Мощность ГД в соответствии с [1] определяется следующим образом:

где a, b — значения коэффициентов уравнения для разных типов судов; D_wt — дедвейт судов, тыс. т. Значения составляющих a, b для соотношения (1) приведены в таблице 1.

В настоящее время выбор какого-либо из способов движения (дизель-механический, дизель-электрический, комбинированный с применением аккумуляторных батарей) будет зависеть от его эффективности, определяемой КПД.

Таблица 1

Параметры a и b, необходимые для определения минимальной мощности главных двигателей

Одним из важных экологических показателей является количество выбросов NO_x с морских судов. Этот показатель представлен на рис. 3.

Рис. 3. Нормы выбросов NO_x с морских судов: 1 — уровень I (ГД > 130кВт, новые суда с 2000 г.); 2 — уровень II (ГД > 130кВт, новые суда с 2011 г.); 3 — уровень III (ГД > 130кВт, новые суда с 2016 г. в зонах контроля выбросов

Emission control areas (ECA): Западное и Восточное побережье США, страны Северной Европы)

Как следует из рис. 3, при частотах вращения 100 об/мин., что является типовым для малооборотных (МОД) ГД, выпускаемых фирмами MAN B&W и WÄRTSILÄ-SULZER, уровень выбросов NO_x остается постоянным. Для ГД с частой вращения 250 об/мин., которая является типовой для фирмы Mitsubishi выбросы значительно снижаются. Наибольшее снижение достигается при частотах вращения в диапазоне 350–2500 об/мин. (данный диапазон является характерным для средне- и высокооборотных ГД (СОД и ВОД соответственно), что является весомым аргументом для перехода на ГЭУ [4]).

В настоящее время одним из способов снижения выбросов NO_x является установка на ГД селективного каталитического редуктора (СКР). Основные и перспективные схемы установки СКР представлены на рис. 4.

Рис. 4. Основные и перспективные схемы установки селективного каталитического редуктора

Эффективность установки селективных каталитических редукторов приведена в таблице 2.

Таблица 2

Эффективность установки селективных каталитических редукторов

На рис. 5 представлена количественная оценка выбросов NO_x в зависимости от нагрузки на дизель при переходе на водотопливную эмульсию [6].

Кроме ограничений по выбросам NO_x, с 2020 г. вступили в силу новые требования, серьезно ограничивающие допустимый уровень выбросов окислов серы, азота и ПГ в Балтийском, Северном и Средиземном морях (рис. 6) [1–3].

Рис. 5. Снижение выбросов NO_x при переходе на водотопливную эмульсию:

1 — дизельное топливо; 2 — метанол; 3 — метанол с водой [6]

Расширение зон экологического мониторинга морского транспорта и принятие мер по снижению антропогенного воздействия на окружающую среду требуют от судовладельцев кардинальных решений по данному вопросу. При этом не существует универсального подхода и универсальных технических решений для конкретных типов морских судов.

Рис. 6. Зоны контроля выбросов с судов в Северной Америке и Северной Европе [3]

Снижение эмиссии ПГ должно определяться в соответствии с поправкой к Приложению VI к МАРПОЛ 73/78, вступившей в силу 1 января 2013 года, при помощи индекса энергоэффективности (EEDI), который характеризует энергетические возможности технического средства при наименьших затратах ресурсов для выработки энергии и определяется в соответствии с [1]:

где SFC — удельный расход топлива двигателя, г/кВт час; C_F — безразмерный переводной коэффициент между расходом топлива в двигателе и выбросами СО₂, определёнными по содержанию углерода в конкретном топливе (грамм СО₂ / грамм топлива). Информация о содержании углерода в различных видах топлива и удельных выбросах СО₂ представлена в [1, 3] и таблице 3; Р_МЕi — показатель мощности каждого главного двигателя, равный 75% от его номинальной мощности за вычетом мощности, потребляемой валогенератором (в случае его наличия); P_AE — показатель требуемой мощности вспомогательных двигателей для обеспечения электроэнергией при максимальной загрузке судна; P_PTI — показатель, равный 75% номинальной мощности, потребляемой каждым гребным электродвигателем с учётом механических потерь в нем и без учёта потерь в генераторе; P_AEeff — показатель сокращения электрической энергии за счёт использованию энергоэффективных технологий (использование отходящего тепла ГД), которые в [1] называют инновационными.

В работе [4] отмечается, что устойчивая работа данных систем возможна только при частоте вращения ГД 40–50 % от номинальной; P_eff — показатель сокращения мощности ГД за счёт применения инновационных технологий в пропульсивной установке при 75 % мощности ГД (фотоэлектрические установки, топливные элементы, ветрогенераторы). В [4] показано, что применение инновационных технологий позволяет повысить индекс энергоэффективности, но они не оказывают решающего влияния на их выбор в качестве основных источников по причине их малой мощности в десятки-сотни кВт; f_i — фактор, учитывающий необходимость выполнения требований по ограничению вместимости судна, например требований которые применяются к судам ледового класса; f_j — корректирующий фактор, учитывающий специфическую конструкцию элементов судов, например, судов ледового класса; f_w — безразмерный коэффициент, учитывающий снижение скорости при определённом неблагоприятном состоянии моря в зависимости от высоты и частоты волны, а также от скорости ветра; f_eff — коэффициент доступности каждой инновационной технологии; V_ref — скорость судна, измеренная на глубокой воде с учётом соответствующей вместимости (дедвейт или валовая вместимость в зависимости от типа судна). Более детально с расчетом коэффициентов f_i, f_j, f_w и f_eff можно ознакомиться в [2].

В таблице 4 дан сравнительный анализ применения различных видов топлива для судовых ГД и аккумуляторных систем, а также снижение эмиссии по сравнению с мазутом для уровня II [5].

Переход к LPG и LNG позволит увеличить мощность ДВС при внесении незначительных изменений в систему подачи топлива в соответствии с выражением [6]:

где N_{НОМ.ДИЗ} — номинальная мощность на дизельном топливе, кВт; С_F — безразмерный коэффициент между расходом топлива в двигателе и выбросами СО₂, определенными по содержанию углерода в конкретном топливе (г СО₂ / г топлива); НТС — низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг.

Таблица 3

Содержание углерода в различных видах топлива и удельные выбросы СО₂ [2]

Таблица 4

Сравнение альтернативных видов топлива для судовых ДВС и аккумуляторных систем

Коснемся вопроса водородного топлива. Водород не содержится в чистом виде в природе и получать его можно из газообразных и жидких углеводородов или из воды. Это два наиболее распространенных и имеющих промышленное значение способа получения водорода [7]. Для успешной реализации проекта необходимо решить ряд проблем. Чтобы топливные элементы обеспечивали мощность 3МВт в течение 48 часов, требуется около 68 м³ жидкого водорода, для хранения которого требуется намного больше места, чем для дизельного топлива. Для исключения утечек требуются специальные трубопроводы, а сам водород надо хранить при температуре ниже –253 °C. На рис. 7 представлена водородно-воздушная батарея топливных элементов БТЭ-П мощностью 50,0 кВт для энергоустановок мегаваттного класса (Фото: «Крыловский государственный научный центр», ФГУП), а на рис. 8 — судовая гибридная энергетическая установка на основе батарей БТЭ-84 мощностью 60кВт (Фото: ЦНИИ СЭТ).

В настоящее время одним из пионеров программы по испытанию судовых ДВС, работающих на чистом водороде, является фирма Wärtsilä (Финляндия). Концепция фирмы основана на сочетании сжиженного природного газа с паром для получения водорода и CO₂ [8].

Одним из важных показателей при выборе именно дизельных двигателей является его цена. Именно эти данные являются самыми необходимыми на этапе начальной проработки какого-либо проекта, хотя имеют «ограниченный» или «закрытый» характер. В [11] предложена формула для расчета цены судовых и промышленных дизелей, исходя из основных функциональных характеристик:

где N_e — номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; М — масса, кг; g_e — удельный расход топлива для режима номинальной мощности, кг/(кВт·ч); g_m — удельный расход масла для режима номинальной мощности, кг/(кВт·ч); S — серийность выпуска, шт.; К — коэффициент пропорциональности, равный 0,023; Т — ресурс до первой переборки, ч.

Показатели степени характеризуют весомость каждого аргумента в формуле. Порядок величин, входящих в (4), приводится в соответствующей нормативно-технической документации. Информация об удельных расходах топлива МОД, СОД и ВОД представлена в [4].

Анализ [5] показывает, что в настоящее время значительный прогресс в развитии ПУ связан с использованием литий-ионных батарей. Но, несмотря на всю привлекательность с экологической точки зрения, он имеет ограниченный характер из-за значительных массогабаритных и ценовых показателей. При этом их можно использовать в комбинированных ГЭУ как совместно с дизель-генераторными установками, так и индивидуально.

Таблица 5

Удельная масса, объем и цена больших 1МВт∙ч тяжелых литий-ионных батарей

В настоящее время фирмой MAN B&W разработан «твердотельный» генератор MAN Hybrid EcoAux (рис. 9). Его технические характеристики приведены в [12] и таблице 6.

Рис. 9. «Твердотельный» генератор MAN Hybrid EcoAux: а — внешний вид; б — состав генератора: 1 — накопитель энергии (АБ); 2 — выключатель; 3 — система защиты; 4 — двунаправленный инвертирующий преобразователь; 5 — фильтр; 6 — разделительный трансформатор; 7 — выключатель с моторным приводом

Таблица 6

Технические характеристики «твердотельных» генераторов MAN Hybrid EcoAux

* С — скорость заряда. С = 12 мин., т. е. 5С=5·12=60 мин.

Возможные компоновочные решения по размещению электромеханического оборудования в машинном отделении в случае применения ГЭУ при питании ДВС от газообразных источников приведены в [6, 8], а для систем, в состав которых входят аккумуляторные батареи — в [5, 13].

Обсуждение и заключения.

1. Одним из эффективных способов повышения безопасности техногенных и природных систем за счет снижения выбросов NO_x является установка на ГД селективных каталитических редукторов (СКР), которые позволяют снизить количество выбросов NO_x до 93–98 % в зависимости от применяемой схемы. Переход к СНГ и СПГ позволит увеличить мощность ДВС на 22,6–49,6 % при внесении в его конструкцию незначительных изменений.
2. Существующие инновационные технологии производства электрической энергии на борту судна, такие как солнечные батареи, ветрогенераторы и т. д., имеют незначительную мощность порядка 10²кВт. Работа системы по утилизации тепла и валогенератор начинают устойчиво работать только при частоте вращения 40–50% от номинальной. Они оказывают существенное влияние на индекс энергоэффективности, а, следовательно, и на снижение выбросов СО₂. Таким образом, они не могут претендовать на роль приводных двигателей генераторов. Основным источником при производстве энергии для ГЭУ в ближайшей перспективе останутся дизельные генераторы с углеводородными видами топлива.
3. Применение исключительно аккумуляторных систем имеет ограниченный характер ввиду значительных массогабаритных и ценовых показателей. Их возможности существенно могут быть расширены в сочетании с дизель-генераторами. Применение «твердотельных» генераторов MAN Hybrid EcoAux открывает более широкие перспективы в этом вопросе.
4. В отдаленной перспективе водородные топливные элементы могут рассматриваться как реальная альтернатива углеводородным видам топлива, но экономические факторы будут ограничивать развертывание новой дорогостоящей инфраструктуры. Однако, если водород будет производиться непосредственно на борту, эта альтернатива дизельному топливу становится гораздо более привлекательной для инвесторов и пользователей.