Технології та перспективи альтернативних видів палива для морських суден

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Одеський національний морський університет, Україна

Кафедра судноводіння і морської безпеки

Мельник О.М., к.т.н., доцент

Бурлаченко Д.А., ст. викладач

Пастернак О.Я., ст. викладач

Чеча О.П., ст. викладач

Никитюк П.В., ст. викладач

Сьогодні судноплавна галузь є одним із джерел викидів двоокису вуглецю, які зростають найшвидше. На думку науковців, якщо не вживати заходів, то, за прогнозами, до 2050 року на судноплавну галузь припадатиме 17% світових викидів двооксиду вуглецю. Одним з виходів є саме використання біопалива, що може безпосередньо вплинути на ситуацію. Окрім усього іншого біопаливо також можна отримувати із залишків відпрацьованого моторного мастила і палива, воно в принципі є еквівалентом залишкового палива, яке не потребує змін у суднових двигунах. Біопаливо потрапляючи до звичайних паливних суднових цистерн, практично видаляє обсяг викидів двоокису вуглецю та суттєво скорочує викиди оксиду сірки. Тому через відсутність сірки, біопаливо може також використовуватися для заміни дистилятного палива, що є перспективним напрямком для потенційних досліджень і розвитку.

Судноплавний сектор споживає понад 330 млн. тон палива на рік. Морське паливо в основному виробляється з сирої нафти, причому основними видами палива є мазут (HFO) і суднове дизельне паливо (MDO). Суднове дизельне паливо є основним видом палива, що використовуються. Високоякісні дистилятні палива в основному використовуються в зонах контролю викидів (ECA) і відомі як ULSD (дизельне паливо з наднизьким вмістом сірки). Зони контролю викидів були створені в прибережних районах Північної Америки та Європи, і забезпечують дотримання суворих обмежень на викиди SOX, NOX та твердих частинок. Щоб відповідати цим вимогам, ULSD або інше паливо з низьким рівнем забруднення або альтернативні системи очищення вихлопних газів повинні використовуватися в ЕСА.

Сучасні торгові судна приводяться в рух двотактними або чотиритактними дизельними двигунами. Вони використовують HFO, MDO і LSHFO (мазут з низьким вмістом сірки). Двигуни з іскровим запалюванням, що працюють на бензині або газі, частіше використовуються для приведення в рух невеликих суден. Двигуни, що працюють на зрідженому природному газі (ЗПГ) поступово набувають все більшого поширення через низький рівень двоокису вуглецю та викидів сірки, а також впроваджується метанол, але обидва види палива все ще складають невеликий сегмент торгового флоту.

Уже зараз морські інженери в європейських країнах розробляють концепти, що працюють на біопаливі з гідроочищенної рослинної олії, метилового ефіру жирної кислоти (FAME) або скрапленому біогазі. Основним компонентом біопалива є метан, тому його властивості дуже схожі на використання ЗПГ або метанолу. Однак виробництво біопалива нині надзвичайно високовартісний процес. Окрім цього експерти також передбачають певні проблеми з процесом бункерування суден. Станом на сьогодні біопаливо доступне тільки в деяких портах Норвегії, Нідерландів, США та Австралії. Таким чином, усі ці проекти перебувають на стадії розроблення суто на місцевому рівні, проте таке паливо вже включено до «Оцінки альтернативних видів пального» згідно з DNV GL, і вже активно вивчається та розглядається як реальний варіант альтернативного суднового пального для суден у доступному для огляду майбутньому. Використання паливних елементів на суднах також наразі перебуває в стадії розроблення, проте необхідно деякий час, доки вони зможуть замінити основні двигуни. Слід зазначити, що концепти в даному напрямку існують вже зараз, де судно, маючи довжину 35 м., здатне тримати заряд енергії, отриманої від поновлюваних джерел, протягом 4-х годин, причому таке судно вже експлуатується між французьким островом і європейським узбережжям.

Наступним прикладом інноваційних технологій є використання акумуляторів та енергії вітру. Системи акумуляторних батарей вже застосовуються в судноплавстві, проте використання таких технологій для морських суден обмежене у зв'язку з низькою ефективністю. Використання енергії вітру, хоча і не є новинкою, проте має ще довести свою економічну привабливість у сучасному суднобудуванні.

Деякі види палива для морських суден на основі біомаси, можуть використовуватися безпосередньо в наявних двигунах і паливній інфраструктурі, що частково знімає проблему процесу адаптації та виключає необхідність будь-яких інвестицій у створення нових енергетичних установок. Багато видів біопалива близькі до паритету витрат з HFO (Heavy Fuel Oil), важким судновим паливом, мазутом. Як відомо, біопаливо під час згоряння виділяє СО2, але згідно фахівців з зеленої енергетики, рослини, з яких воно виробляється, вже поглинули цей самий вуглець з атмосфери.

Основним видом біопалива є етанол, який отримують із будь-яких рослин, що містять цукор і крохмаль. Ставку вже було зроблено на етанол як паливо для автомобілів у деяких країнах. Наприклад Бразилія, в якій добре росте цукрова тростина, плантаціями якої зайнято 4,5% площі країни. На неї припадає майже 50% усього споживання палива, і автомобілі їздять або на бензині з 20% етанолу, або на чистому етанолі, що помітно дешевший за бензин. Звідси випливає, що звичайний бензин можна в будь-яких пропорціях розводити етанолом, з тією лише умовою, чим більше етанолу, тим менша потужність двигуна, тому що в етанолі на 34% менша теплота згоряння. Двигуни для чистого етанолу працюють майже як бензинові за рахунок більшого ступеня стиснення (в етанолу октанове число 105). У світі існують і успішно використовуються різні суміші бензину з етанолом. Приміром, у США нафтопереробні заводи повинні додавати в паливо 10% етанолу, за дотриманням таких норм старанно стежать його виробники, а галузь нафтовидобутку, своєю чергою, через суди намагаються від цього обов'язку ухилитися. За такої концентрації паливо можна використовувати у звичайному бензиновому двигуні. Однак постає питання про виробництво етанолу в достатній кількості. Згідно з оцінками експертів, навіть за стовідсоткової ефективності процесу переробки сировини на спирт для того, щоб лише США могли перевести транспорт з продуктів нафтопереробки на етанол, необхідно буде 75% сільськогосподарських земель усієї планети засіяти відповідними культурами. Цьому значною мірою також чинять опір громадські організації, вказуючи на те, що є аморальним обмінювати зерно на паливо, в той час коли значна кількість людей на планеті недоїдають.

Проте, помірними темпами судноплавні компанії вже поповнюють власний флот суднами для перевезення метанолу, які здатні працювати на двох видах пального, тобто використовувати дизельне пальне і метанол, випробовуючи його можливості у якості суднового палива.

Рис. 1. Роль біопалива у скороченні скорочення викидів парникових газів та викидів оксиду вуглецю (Good fuels)

перевага недолік морський біопаливо вартість логістичний

Деякі транспортні компанії вже розпочинають тестування першої партії морського біопалива на транспортних суднах, використовуючи різний об'єм палива для експерименту. Випробування проводяться протягом певних періодів часу з розрахунком на те, що використання біопалива значно знизить кількість викидів CO2. Зазначається, що такі випробування допоможуть довести технічну придатність біопалива як суднового палива і просунути його в сегменті морського транспорту. Це перші у світі випробування біопалива для транспортних суден, що зумовлює розвиток і перебудову галузі для все більшої можливості підвищення екологічності та просування до декарбонізації. Завдяки тому що вимоги до екологічності морських суден підвищуються, морське біопаливо дає змогу судновласникам і операторам дотримуватися як граничного рівня вмісту сірки, що дорівнює 0,50%, так і майбутніх норм зі скорочення викидів вуглецю до 2030 і 2050 років.

Біопаливі культури що використовуються для виробництва палива вирощують у країнах з потужним сільськогосподарським потенціалом. Серед них США, Бразилія, Індія, Китай. В Україні під біопаливо вирощують ріпак, деякі види "енергетичних" рослин. Споживачами біопалива зазвичай є ті країни, в яких воно і виробляється. Кукурудза, соєві боби та сорго є єдиними культурами, що виявилися економічно вигідними для промислового виробництва біопалива в США (знову-таки велика кількість етанолу з цукрової тростини виробляється в тропічних країнах, таких як Бразилія).

Наприклад, після пробного періоду випробувань такі компанії як UECC і GoodFuels вивчають подальші варіанти продовження використання морського біопалива. Очевидно, що найперспективнішим видом сировини для виробництва біопалива є водорості. Водорості є найбільш швидкозростаючими рослинами на землі (їхня маса за добу подвоюється), для їхнього зростання потрібна легкодоступна сировина: сонячне світло, вода і діоксид вуглецю. Уже зараз таке паливо з водоростей зараз називають біопаливом третього покоління. За своїми енергетичними характеристиками водорості значно перевершують інші джерела. І площі в 200 тисяч гектарів ставків достатньо для виробництва палива, достатнього для річного споживання 5% автомобілів США. Своєю чергою 200 тисяч гектарів це менше 0,1% земель США придатних для вирощування водоростей. Але з іншого боку, водорості, що містять більшу кількість олії, ростуть повільніше. Наприклад, водорості, що містять 80% олії, виростають раз на 10 днів, у той час як водорості, що містять 30% -3 рази на день.

Виробництво водоростей привабливе ще й тим, що під час біосинтезу поглинається вуглекислий газ з атмосфери. Однак, основна технологічна складність полягає в тому, що водорості чутливі до зміни температури, яка внаслідок цього повинна підтримуватися на певному рівні (різкі добові коливання неприпустимі). Також комерційному застосуванню водоростей як палива перешкоджає на сьогоднішній день відсутність ефективних інструментів для збору водоростей у великих обсягах. Також необхідно визначити найефективніші для збору олії види. Корпорація Chevron, один зі світових енергетичних гігантів, почала дослідження можливості використання водоростей як джерела енергії для транспорту, зокрема, для реактивних літаків. Під час досліджень буде вивчено види водоростей, які містять максимальний відсоток олій у своєму складі, а також розроблено методи культивування водоростей.

Компанії BP і Maersk Tankers успішно завершили випробування суднового пального, змішаного з біопаливом. Випробування проводилися на двох танкерах компанії. Кожне судно було забезпечено біопаливом BP Marine «В30», що складається з 30% метилових ефірів жирних кислот (FAME - біопаливо, яке здебільшого виготовляють із перероблених кулінарних олій), змішаних із мазутом з дуже низьким вмістом сірки (VLSFO). У процесі рейсу проводилися випробування для оцінки надійності та продуктивності суміші біопалива «B30» у головних енергетичних установках суден, а також будь-якого впливу на паливні цистерни для визначення рівня взаємозамінності палива «B30» з іншими типами палива. Слід зазначити, що ні під час експерименту, ні після випробувань не спостерігалося несприятливих впливів на обладнання або механізми. Жодних модифікацій двигуна або інфраструктури не знадобилося, що демонструє придатність екологічного та безпечного біопалива для використання в суднових двигунах.

Сьогодні використовуються переважно технології виробництва палива вуглеводного типу, яке може бути використане як замінник в морських дизельних двигунах. Метанол, етанол, метан і бутанол можна використовувати в двигунах з іскровим запалюванням, в той час як диметиловий ефір (ДМЕ), синтетична альтернатива дизельному паливу, для використання в спеціально розроблених дизельних двигунах із запалюванням від стиснення, є хорошим паливом для дизельних двигунів.

Очікується, що більшість біопалив можна буде використовувати в суднових двигунах, воно містить мало або зовсім не містить сірки і може використовуватися в ЕКА. Однак, використання таких видів палива вимагатиме значних змін у двигунах і бортових цистернах, а також потребуватиме надійної логістики бункерування такого палива в портах. Очікується, що така логістика буде спочатку запроваджена для місцевих (портових) перевезень або перевезень між двома локальними пунктами наприклад, на поромах.

Висновки

Що стосується переваг і недоліків біопалива, то тут думки експертів розділилися, одні вважають, що біопаливо знижує викиди парникових газів до 65%, під час вирощування культур для біопалива вони частково поглинають оксид вуглецю, що робить систему використання біопалива ще більш стійкою. Інші ж, навпаки стверджують, що біопаливо може завдавати серйозної шкоди навколишньому середовищу. Зокрема, дослідники заявили, що пальмова або соєва олія, яку використовують для отримання енергії, виділяє в атмосферу більше вуглекислого газу, ніж будь-яке викопне паливо.

До того ж використання біопалива ще не є поширеною практикою. Основні бар'єри для ефективного використання морського біопалива включають: високу вартість порівняно з іншими морськими видами палива; недостатню логістичну підтримку в портах для палив, не сумісних з дизельним паливом; обмежений досвід у судноплавному секторі з поводження з деякими видами біопалива; відсутність даних довгострокових випробувань палива, які б гарантували безпеку та постійну надійність обраного палива; зменшення вантажного простору при використанні менш енергоємних видів палива, таких як метанол та газоподібне паливо; вимоги безпеки при використанні метанолу або газоподібного палива.

Список використаних джерел

1. Onyshchenko S., Melnyk O. (2021). Probabilistic Assessment Method of Hydrometeorological Conditions and their Impact on the Efficiency of Ship Operation, Journal of Engineering Science and Technology Review, 14, 132-136.

2. Ashrafi, Mehrnaz & Lister, Jane & Gillen, David. (2022). Toward a harmonization of sustainability criteria for alternative marine fuels. Maritime Transport Research, 3

3. Onyshchenko, S., Melnyk, O. (2022). Efficiency of Ship Operation in Transportation of Oversized and Heavy Cargo by Optimizing the Speed Mode Considering the Impact of Weather Conditions, Transport and Telecommunication, 23(1), 73-80.

4. Md Moshiul, Alam & Mohammad, Roslina & Hira, Fariha & Maarop, Nurazean. (2022). Alternative Marine Fuel Research Advances and Future Trends: A Bibliometric Knowledge Mapping Approach. Sustainability, 14.

5. Melnyk, O., Bychkovsky, Y., Voloshyn, A. (2022). Maritime situational awareness аs a key measure for safe ship operation, Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport, 114, 91-101.

6. Melnyk, O., Onyshchenko S. (2022). Ensuring Safety of Navigation in the Aspect of Reducing Environmental Impact, ISEM 2021, LNNS 463, 1 -9.

7. Kim, Hyungju & Koo, Kwi & Joung, Tae-Hwan. (2020). A study on the necessity of integrated evaluation of alternative marine fuels. Journal of International Maritime Safety, Environmental Affairs, and Shipping, 4, 1-6.

8. Melnyk, O., Onyshchenko, S., Koryakin, K. (2021). Nature and origin of major security concerns and potential threats to the shipping industry, Scientific Journal of Silesian University of Technology. Series Transport, 113, 145-153.

9. А better world with sustainable biofuels. [Електронний ресурс].

10. Морське біопаливо. [Електронний ресурс].

11. ETIP bioenergy. [Електронний ресурс].

Размещено на Allbest.Ru