Аммиак – новое топливо для судовых двигателей
В настоящее время суда потребляют в год около 300 млн тонн нефтепродуктов и выбрасывают в атмосферу 3-4 % CO2 от общего количества, вызванного человеческой деятельностью. В то же время торговый флот играет фундаментальную роль в мировой экономике, перевозя более 80 % всех грузов.
Сравнение выбросов SOх с круизных судов и автомобилей в европейских портах
В 1973 году ИМО (Международная морская организация) приняла Международную конвенцию по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ – International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL 73/78), которая была дополнена Протоколами 1978 и 1997 годов и постоянно обновляется соответствующими поправками. Конвенция МАРПОЛ касается загрязнения с судов нефтью, вредными жидкими веществами, перевозимыми наливом, вредными веществами, перевозимыми по морю в упакованном виде, сточными водами, мусором, а также предотвращения загрязнения воздуха с судов. МАРПОЛ внес большой вклад в значительное снижение загрязнения окружающей среды в результате международного судоходства и применяется к 99 % мирового торгового тоннажа.
Первым шагом стало ограничение выбросов в атмосферу оксида серы (SOx) и оксидов азота (NOx), образовывающихся при сгорании топлива в судовых энергетических установках. Правила по предотвращению загрязнения воздуха с судов – Приложение VI МАРПОЛ (вступило в силу 19 мая 2005 г.), устанавливают определенные зоны контроля выбросов оксида серы (SOx) с более строгим контролем выбросов серы и зоны контроля выбросов оксидов азота (NOx) для стандартов выбросов NOx уровня III (Emission Control Areas for Sulphur Oxides, Nitrogen Oxides). Emission Control Areas (ECA) представляют собой либо зоны контроля выбросов серы (SECA), либо выбросов оксидов азота (NECA).
В соответствии с Правилами ИМО согласно Приложению VI к МАРПОЛ в настоящее время все зоны контроля выбросов (ECA) имеют ограничения по выбросам SOx (SECA) и ограничения по выбросам NOx (NECA).
В настоящее время установлены следующие ECA:
• Baltic Sea & North Sea (Балтийское и Северное моря).
• North American Area (Североамериканский район). Включает прибрежные районы США, включая Гавайские острова, и Канады.
• U.S. Caribbean Sea Area (карибские острова США).
• Mediterranean Sea (Средиземное море).
• Canadian Arctic & Norwegian Sea (Канадская Арктика и Норвежское море).
Вступило в силу 1 марта 2026 года.
Кроме того, ИМО рассматривает North-East Atlantic Ocean (Северо-Восточную часть Атлантики) как потенциальную ECA в обозримом будущем. Ряд стран, включая КНР, Южную Корею, Австралию и Мексику, уже выдвинули предложения о включении своих территориальных вод в зоны ECA.
*** Судно, построенное 1 января 2016 года или после этой даты и эксплуатируемое в этих районах контроля выбросов, должно соответствовать нормам NOx уровня III, изложенным в правиле 13.5 Приложения VI к МАРПОЛ.
**** Судно, построенное 1 января 2021 года или после этой даты и эксплуатирующееся в этих районах контроля выбросов, должно соответствовать нормам NOX уровня III, изложенным в правиле 13.5 Приложения VI к МАРПОЛ.
Зоны ECA
В пределах ECA максимальное содержание серы в судовом топливе не должно превышать 0,1 %, в то время как за их пределами допускается до 0,5 %. А ведь автор еще помнит «старые добрые времена», когда ему приходилось работать на тяжелом топливе с содержанием серы аж 4,5 %!
Требования ИМО к содержанию серы в судовом топливе
За пределами SECA суда, построенные в 2010 году или ранее, по выбросам NOx должны соответствовать не менее, чем Tier I, а построенные в 2011 году или позже – Tier II. Если выбросы согласно Tier I и Tier II достигаются путем конструктивной доработки двигателей, то достичь Tier III можно только путем специальной обработки выпускных газов.
При использовании скрубберов в ECA можно применять и более сернистое топливо. В скруббере выхлопные газы орошаются водой (забортной или пресной), которая поглощает окислы серы и частично окислы азота с образованием кислот, а также сажу, которая собирается в шламовой цистерне. Отработавшая вода сбрасывается за борт, если это допускает местное законодательство (открытый цикл), или после нейтрализации щелочью и очистки от сажи возвращается в процесс (замкнутый цикл), при этом обычно используется пресная вода.
Скруббер открытого цикла
Скруббер закрытого цикла
Для соответствия Tier III по содержанию NOx применяются различные методы, в частности:
1. Селективное каталитическое восстановление (SCR)
В этой системе мочевина или аммиак впрыскивается в выхлопные газы перед их прохождением через установку, состоящую из специального слоя катализатора, при температуре от 300 до 400 градусов Цельсия. Химическая реакция между мочевиной / аммиаком и NOx в выхлопных газах снижает выбросы NOx (NO и NO2) до N2. Блок SCR устанавливается между выпускным коллектором и турбонагнетателем. Такой метод обеспечивает снижение содержания NOx более чем на 90 %.
2. Рециркуляция отработавших газов (EGR)
В этой технологии часть выхлопных газов после турбонагнетателя возвращается в продувочный ресивер после прохождения его через блок скруббера (промывки выхлопных газов). Это обеспечивает снижение NOx на 50-60 % по сравнению с Tier I.
Снижение NOx происходит за счет уменьшения коэффициента избытка воздуха (содержания кислорода), используемого для сжигания, добавление CO2 и водяного пара снижает пиковые температуры.
Вышеуказанные меры значительно повышают эксплуатационные затраты и снижают экономическую эффективность судов. Так, снижение содержания серы в судовом топливе повышает его стоимость в среднем на 20 %, а установка скрубберов обходится более чем в 300 тыс. евро на 1 мВт мощности двигателя без учета последующих эксплуатационных затрат.
Начиная с 2011 года ИМО включилась в борьбу с выбросами парниковых газов (Greenhouse Gas Emissions – GHG), добавив Главу 4 Приложения VI к конвенции MARPOL «Правила энергоэффективности судов» (Chapter 4 to Annex VI on «Regulations on energy efficiency for ships»). Она применяется к судам валовой вместимостью 400 т и более, совершающим международные рейсы.
Были введены Конструктивный коэффициент энергоэффективности – ККЭЭ (Energy Efficiency Design Index – EEDI) для новых судов, План управления энергоэффективностью (SEEMP) и Система сбора данных о расходе топлива (DCS) для судов от 5000 т.
EEDI измеряет количество граммов CO2, выбрасываемых на тонно-милю, стимулируя таким образом использование более эффективного оборудования. Чем меньше EEDI, тем выше эффективность судна. Формула учитывает технические параметры судна (мощность двигателя, скорость, дедвейт). «Достигнутый EEDI» должен быть меньше «Требуемого EEDI», который ужесточается каждые 5 лет. Обязателен для большинства новых судов валовой вместимостью 400 и более рег. тонн, контракт на постройку которых подписан после 1 января 2013 г.
В 2018 и 2023 годах ИМО определил свою стратегию на снижение GHG в мировом судоходстве.
Стратегия ИМО в борьбе с выбросами парниковых газов GHG
Индикаторы интенсивности углерода (CII – Carbon Intensity Indicator) – с 2023 года внедрены требования по рейтингу судов (от A до E) на основе их эксплуатационной эффективности. CII – это показатель эксплуатационной энергоэффективности судна, который рассчитывается ежегодно. Он показывает, сколько граммов углекислого газа (CO2) выбрасывается на единицу транспортной работы. При этом используются данные Системы сбора данных ИМО (IMO DCS), которая уже обязательна для судов.
Самым эффективным методом снижения вредных выбросов судовых двигателей, не считая ядерных и чисто электрических силовых установок, является использование альтернативных видов топлива. Это могут быть:
• Сжиженный природный газ (LNG – Liquefied Natural Gas). Легко доступен, эффективно снижает выбросы SOx и NOx, однако для хранения используются криогенные (-162 °С) танки высокого давления. Недостатком является то обстоятельство, что энергоемкость СНГ на единицу объема составляет всего 43 % от высокосернистого мазута. Поэтому топливные танки занимают в 3-4 раза больше места по сравнению с судами, работающими на традиционном топливе. Примером использования СПГ является линейка двухтактных малооборотных дизелей Everllence B&W ME-GI (ранее MAN B&W ME-GI) мощностью 4350-82 400 кВт при 56-167 об/мин. С 2014 года заказано уже 1000 таких машин. По оценкам экспертов, доля СПГ достигнет 23 % в общем объеме судового топлива к 2050 году (сейчас она около 0,3 %). По сравнению с традиционным тяжелым топливом, СПГ позволяет снизить выбросы CO2 на 20-30 %, Sox – почти на 100 %, Nox – на 80-90 %.
Суда с двухтопливными дизелями, работающими на СПГ (сверху вниз): корабль береговой охраны «Turva» (Финляндия), ледокол «Polaris» (Финляндия), круизный лайнер «Costa Smeralda»
Everllence B&W ME-GI
Линейка дизелей Everllence B&W ME-GI
• Сжиженный нефтяной газ (LPG – Liquefield Petroleum Gas). Легко доступен, для хранения нет необходимости в танках высокого давления и сверxнизких температурах. Отсутствуют выбросы SOx, сниженные выбросы CO2. Пример – линейка двухтактных малооборотных дизелей Everllence B&W ME-LGIP (ранее MAN B&W ME-LGIP). С 2018 года их заказано более 270.
• Сжиженный этан (LEG – Liquefied Ethane Gas). Легко доступен, хранится при криогенных температурах (ниже -100 °C), но требует менее толстой изоляции танков, чем СПГ, из-за более высокой температуры кипения. Снижает выбросы оксидов серы (SOx), азота (NOx) и углекислого газа (CO2) по сравнению с традиционным тяжелым мазутом (HFO) и судовым дизельным топливом (MDO). Пример – линейка двухтактных малооборотных дизелей Everllence B&W ME-GIE (ранее MAN B&W ME-GIE). Мощность 8300-29 120 кВт при 62-127 об/мин.
• Этанол и метанол. Метанол остается в жидком состоянии при температуре от -93 °C до + 65 °C (при атмосферном давлении), что исключает необходимость установки сложных криогенных систем хранения (стоимость топливной системы, использующей метанол, составляет примерно 1/3 от цены СПГ системы для судового двигателя). Может производиться из природного газа, угля и возобновляемых источников. Существуют технологии получения метанола непосредственно из вредных выбросов в атмосферу, что представляется наиболее перспективным в свете сокращения выбросов COx. Выбросы NOx зависят от типа используемого двигателя. В случае двухтактного дизельного двигателя будет наблюдаться снижение выбросов на 30 % (по сравнению с высокосернистым мазутом), в то время как использование в четырехтактном двигателе снизит выбросы на 60 %. Серьезным недостатком метанола, в отличие от этанола, является его высокая токсичность, но стоимость этанола значительно выше, чем метанола. Метанол, как моторное топливо, имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Его температура вспышки +9 °С, вязкость 5,9 м2/с при 21 °С, повышенная температура самовоспламенения. Этанол характеризуется низкой температурой вспышки (13 °С), незначительной вязкостью (1,2 м2/с) и повышенной температурой самовоспламенения. Как метанол, так и этанол можно использовать в смеси с мазутом в различных соотношениях.
В 2015 году метанол впервые стали использовать конвертированные для этого главные двигатели грузопассажирского парома «Stena Germanica». Установленное топливное оборудование позволило использовать 4 среднеоборотных двигателя Wartsila-Sulzer модели 8ZAL40S в двухтопливном режиме. По результатам замеров при работе главных двигателей на метаноле выбросы оксида серы (SOx) уменьшились на 99 %, оксида азота (NOx) – на 60 %, двуокиси углерода (CO2) – на 25 %, и твердых частиц – на 95 %.
«Stena Germanica»
Первым в мире двухтактным судовым двигателем, работающем на метаноле, стал Everllence B&W ME-LGIM (ранее MAN B&W ME-LGIM), разработка которого велась с 2012 года, а в 2016 году вступило в строй первое судно с таким двигателем. Кроме метанола, двигатель может работать на мазуте (HFO), судовом дизельном топливе (MDO) или на морском газойле (MGO). В 2024 году фирма Everllence успешно испытала на этаноле четырехтактный двигатель 21/31 DF-M.
Everllence B&W ME-LGIM на испытательном стенде
Линейка дизелей Everllence B&W ME-LGIM
• Водород. H2 – еще один вариант альтернативного судового топлива, который рассматривается в настоящее время. Для использования на судах водород либо сжижается (криогенная жидкость имеет температуру -240 °С), помещается в компрессионные резервуары либо хранится в виде химического соединения. Произведенный из возобновляемых источников энергии, водород становится одним из самых чистых видов топлива с нулевыми выбросами парниковых газов. При его сжигании образуется только водяной пар. Для использования водорода разрабатываются двухтопливные двигатели (например, 85 % водорода + 15 % дизельного топлива), а существующие судовые дизели могут быть модернизированы, что особенно актуально для судов прибрежного плавания. Anglo Belgian Corporation (ABC) производит водородные двигатели мощностью 1000-2800 кВт. Наиболее эффективным методом использования водорода являются топливные элементы, служащие для выработки электроэнергии. Производство водорода, как и топливных элементов, хорошо развито, но они по-прежнему остаются неконкурентоспособными по цене с обычными судовыми двигателями. Однако для хранения водорода требуются значительно большие объемы, чем для традиционных топлив.
Сравнение массы и объема ископаемого топлива и сжиженного водорода
• Аммиак. Он считается одним из наиболее перспективных видов альтернативного судового топлива.
Сравнение характеристик топлива
Продолжение следует...
Информация