INNOWACJE W MORSKICH RODKACH TRANSPORTU PODNOSZ CE JEGO EKOLOGICZNY CHARAKTER

Transkrypt

1 P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I W A R S Z A W S K I E J z. 102 Transport 2014 Anna Kulbacka, Piotr Kooda Akademia Morska w Gdyni INNOWACJE W MORSKICH RODKACH TRANSPORTU PODNOSZCE JEGO EKOLOGICZNY CHARAKTER Rkopis dostarczono: luty 2014 Streszczenie: Artyku przedstawia innowacyjne metody dostosowywania si do coraz bardziej restrykcyjnych przepisów dotyczcych ochrony rodowiska naturalnego. Wymienione s rozwizania najbardziej nowoczesnych róde napdów gównych i pomocniczych statków morskich oraz konstrukcyjne sposoby obnienia zuycia paliwa i emisji szkodliwych zwizków do atmosfery. Sowa kluczowe: transport morski, energia odnawialna, ekologia 1. ASPEKT EKOLOGICZNY ROZWOJU TRANSPORTU Ochrona rodowiska naturalnego stanowi gówny problem cywilizacji XXI wielu. Szczególnie wysokie wymagania w tym zakresie stawia Unia Europejska. Sposobem obnienia emisji pochodzcych z transportu w UE i na wiecie maj by nowe technologie w zakresie pojazdów i zarzdzania ruchem. Bez wprowadzania adnych zmian przewiduje si, e zaleno transportu od ropy moe wynosi prawie 90%, a jedynie ok 10 % energii pochodzi ze róde odnawialnych [4]. Zasoby opacalne w wydobycie ropy naftowej wyczerpi si za lat, co determinuje konieczno rozwoju alternatywnych paliw i rodzajów napdów [1]. Wprowadzenie nowych technologii ma na celu pomoc w oszczdnym gospodarowaniu zasobami bez koniecznoci ograniczenia mobilnoci poprzez: zastosowanie nowych silników, materiaów i konstrukcji, wykorzystanie bardziej ekologicznej energii dziki zastosowaniu nowych paliw i ukadów napdowych, zastosowanie lepszych systemów zarzdzania ruchem i informacji oraz zaawansowanych rodków logistycznych [2]. Morza i oceany stanowi coraz wiksze znaczenie jako droga komunikacyjna, obecnie ponad 70% przewozów wiatowych odbywa si drog morsk, dlatego wody s przedmiotem szczególnej ochrony, co powoduje wprowadzanie coraz bardziej wymagajcych przepisów dotyczcych transportu morskiego [3].

2 68 Anna Kulbacka, Piotr Kooda Kluczowym elementem jest obecnie ograniczanie emisji CO 2 oraz szkodliwych zawizków siarki i azotu do atmosfery. W 2013 roku Midzynarodowa Organizacja Morska (IMO) wprowadzia nowe przepisy regulujce eglug morsk i wymagania odnonie norm emisji substancji zanieczyszczajcych. Zgodnie z VI aneksem konwencji MARPOL O ograniczeniu emisji zaniczyszcze do powietrza. rozdzia 4 [5], zmniejszanie iloci wydzielania gazów przez statki morskie podzielono na fazy czasowe. W tablicy 1 pokazano prognoz obniania emisji CO 2 w latach Prognozowanie obnienia emisji CO 2 w czasie wg IMO [11] Tablica 1 Termin Obnienie iloci emisji CO 2 statków morskich Do 2013 Wejcie przepisów do stosowania przez okoo 90% statków we flocie wiatowej Do 2015 Wymagania spenienia warunków wskaników EEDI przez nowe statki Do 2020 Nowe statki musz zmniejszy emisj CO2 o 20% na ton/km Do 2025 Statki nowobudowane musz wykazywa zmniejszon emisj CO2 o dalsze 20% Do 2030 Obowizek zmniejszenia iloci emitowanych gazów o dalsze 20% Do 2050 Redukcja emisji CO2 o 50% na ton/km Redukcja emisji CO 2 w transporcie morskim zwizana jest ze zmniejszeniem zuycia paliwa, a to prowadzi do mniejszych kosztów eksploatacyjnych. 2. LNG, JAKO PALIWO PRZYJAZNE RODOWISKU Ostatnio daje si zauway trend wyposaania coraz wikszej liczby projektowanych i nowo budowanych statków bliskiego zasigu w systemy napdowe z silnikami zasilanymi skroplonym gazem ziemnym (LNG). Jest on bogatym ródem energii i bardziej przyjaznym dla rodowiska w procesie spalania, a wedug Komisji Europejskiej [4] najbardziej perspektywicznym alternatywnym paliwem dla transportu wodnego. Od 2015 roku obowizywa bd nowe normy UE odnoszce si do limitów zawartoci siarki w paliwie jednostek pywajcych na Batyku i Morzu Pónocnym. Dziki przejciu na paliwo LNG mona osign znaczne korzyci m.in. prawie cakowit redukcj SO x i czsteczek staych, zmniejszenie emisji NO x nawet do 90%, a CO 2 o ok. 20% [7] STATEK CAKOWICIE NAPDZANY SPRONYM GAZEM ZIEMNYM Przykadem statku napdzanego paliwem LNG moe by dwustronny prom fiordowy, Moldefjord, zbudowany przez gdask stoczni Remontow Shipbuilding S.A. dla norweskiego armatora Fjord1 MRF AS [10]. Jednostka napdzana jest wycznie LNG i awaryjnie gazem CNG.Statek o dugoci 122 m. moe pomieci 390 pasaerów, 128 samochodów osobowych lub 12 zestawów drogowych i 55 samochodów. Jest wprawiany

3 Innowacje w morskich rodkach transportu podnoszce jego ekologiczny charakter 69 w ruch za pomoc elektrycznych pdników, które zasila energia elektryczna wytwarzana przez generatory napdzane silnikami gazowymi o mocy po 900 kw kady. Silniki i zbiornik gazu umieszczone zostay w kontenerach o minimalnej objtoci tu pod pokadem. Dziki temu w przypadku wycieku gaz rozprzestrzenia si w minimalnej przestrzeni, a rozprajce si paliwo jako lejsze od powietrza, ulatuje, nie dostajc si do pozostaych pomieszcze statku, w czym pomaga równie system wentylacyjny. Zewntrzna warstwa sieci rurocigów doprowadzajcych gaz do silnika jest wentylowana, a ilo gazu monitorowana w celu szybkiego wykrycia ewentualnego wycieku. Moldefjeld, pierwszy wród czterech bliniaczych jednostek otrzyma tytu Ekologicznego Statku Roku STATKI ELEKTRYCZNE Ciekaw alternatyw na przyszo s statki wykorzystujce energi elektryczn do napdzania jednostki, co wykorzystuje si na okrtach podwodnych. Na typowych statkach z generatorem diesla i oddzielnym silnikiem diesla napdzajcym gówny wa ze rub prdko obrotowa ruby i silnika s ze sob sprzone, a efektywno zuycia paliwa spada przy niskich prdkociach. Napd spalinowo-elektryczny, czyli generatory napdzane silnikiem diesla i silnik elektryczny napdzajcy gówn rub napdow, utrzymuje prac silnika na optymalnym poziomie, niezalenie od prdkoci statku. Energi elektryczn stosuje si m.in. na statkach z sektora górnictwa morskiego (offshore) z systemem dynamicznego pozycjonowania, które musz cechowa si precyzj manewrowania. Napd elektryczny jest te uyteczny na zbiornikowcach arktycznych i lodoamaczach ze wzgldu na wyszy moment obrotowy przy maych prdkociach, a na statkach pasaerskich, wycieczkowcach i jednostkach sejsmicznych zalet napdu jest niski haas, niewielkie wibracje i drgania pokadu PROM NAPDZANY CAKOWICIE ENERGI ELEKTRYCZN Na pocztku 2013 roku zosta przedstawiony projekt zbudowania pierwszego na wiecie elektrycznego promu przy wspópracy firmy Siemens, Norled i norweskiej stoczni Fjellstrand [8]. Prom ma posiada kilkutonowe akumulatory i nie wydziela adnych spalin podczas caego okresu uytkowania. Dla porównania prom zasilany silnikiem diesla zuywa rocznie 8500 t oleju napdowego wraz z emisj 628 t CO 2 oraz 16,5 t NO x. Jednostka o dugoci 80 m pomieci 360 pasaerów i 120 samochodów. Zasilany przez dwa jedenastotonowe silniki elektryczne bdzie podróowa pomidzy Lavik i Oppedal. Maksymalna moc to 800 kw, a pync ze standardow prdkoci 10 wzów bdzie potrzebowa 400 kw mocy [9].

4 70 Anna Kulbacka, Piotr Kooda Oszczdno energii zapewnia równie konstrukcja aluminiowego kaduba w formie katamarana, co powoduje mniejszy opór oraz baterie soneczne na pokadzie. Pierwszy rejs planowany jest na 2015 rok. Od jego sukcesu zaley dalszy rozwój elektrycznych statków. Co najciekawsze, baterie promu maj si adowa jedynie 10 minut i bd adowane przy kadej wizycie statku w porcie. Jeli testy przebiegn bezproblemowo, jest szansa, e tego typu konstrukcje wkrótce zastpi wszystkie poczenia w Norwegii na trasach, których przebycie nie zajmuje wicej ni 30 minut NAPD SOLARNO- ELEKTRYCZNY Projekt solarno-elektrycznego zasilania promu jest nowym pomysem Eco Marine Power, firmy wprowadzajcej na rynek innowacyjne rozwizania w ukadach napdowych. Tonbo, soneczny prom elektryczny wykorzystuje najnowszy modu soneczny, bateri litow i elektryczn technologi zarzdzania energi. Ponadto generator niskiej emisji dostarczy zapasowych rodków, aby naadowa bateri w razie potrzeby. Wykonany z aluminium statek, przy niskich obrotach do 8 wzów, bdzie móg dziaa w cakowicie elektrycznym trybie. Technologie wykorzystywane w Tonbo Solar Hybrid Ferry s rozwizaniem przyjaznym rodowisku i zmniejszajcym koszty operacyjne przez cicie kosztów paliw [12]. 4. POMOCNICZY NAPD WIATROWY W historii eglugi stosowano ju kilka rozwiza wspomagania napdów konwencjonalnych statków za pomoc siy wiatru z rónymi skutkami. Jednak w optymalnych warunkach pogodowych rozwizania te pozwalay na zmniejszenie zuycia paliwa nawet o 50%. Pierwsze kroki w tym celu podjli Japoczycy, którzy w latach 80. ubiegego wieku, w dobie ogromnego wzrostu cen ropy naftowej, zbudowali 2 statki z metalowymi aglami, rozkadanymi w korzystnych warunkach wiatrowych. Firma konsultingowa inynierii w Cambridge w Anglii, który wspópracowaa armatorami owych statków, stwierdzia, e w ocenach przeprowadzonych w latach 1984 i 1993 statki te osigny zmniejszenie zuycia paliwa o 30% - 40% w idealnych warunkach wiatrowych, ale projekty zostay zakoczone z powodu spadku cen ropy i wysokich kosztów utrzymania [6]. Obecnie stosuje si nowoczeniejsze i tasze w utrzymaniu rozwizania WINGSAIL WALKER Wprowadzone równie w latach 80, lecz niewprowadzone na szersz skal, rozwizanie agla o profilu skrzyda samolotowego, obecnie stosowane przez wielu proekologicznych

5 Innowacje w morskich rodkach transportu podnoszce jego ekologiczny charakter 71 armatorów, przoduj w tej dziedzinie Brytyjczycy i Norwedzy. Badania przeprowadzane przez norweskie stowarzyszenia, na pywajcych jednostkach dowiody redukcj zuycia paliwa na poziomie od 5% do 10% w dugoterminowym okresie eksploatacji i nawet 30% do 40% w najkorzystniejszych warunkach pogodowych i istniejcych optymalnych trasach eglugowych. Badania prowadzone na trasie Rotterdam (Holandia) Nowy Jork (USA) przy redniej prdkoci wiatru 8m/s wykazay oszczdno 20% do 27% kosztów paliwa, a tym samym znaczne zmniejszenie emisji CO 2, zwizków NO x i SO x [13] LATAWCE Przy niesprzyjajcych wiatrach agle i dodatkowe maszty zamontowane na kadubach statków handlowych mog powodowa wzrost oporów i tym samym zuycie paliwa. Celem napdu latawca wspomagane jest ograniczenie lub uniknicie tych problemów, korzystajc jednoczenie z silniejszych wiatrów, które s dostpne w wysokociach wyszych ni te osigalne przez agle na masztach. Co najmniej dwie firmy - KiteShip z siedzib w USA [14] oraz niemiecki SkySails [13] - opracoway systemy potencjalnego zastosowania do handlowych statków towarowych. Latawce zajmuj mao miejsca i mog by dodane do istniejcych statków bez wikszych zmian w kadubie i nie pogarszajc tym samym waciwoci morskich statków. W niekorzystnych warunkach s zwijane i chowane w bezpiecznym miejscu. Tablica 2 Przybliona zastpcza moc silnika odpowiadajca danej powierzni agla [15] Powierzchnia agla [m 2 ] Zastpcza moc [kw] Badania firm wykorzystujcych technologi latawców dowiody zwrot inwestycji w ten dodatek w cigu 3-5 lat w zalenoci od kosztów poniesionych na zainstalowanie owego sytemu (480 tys. do 3,4 mln US$ zalenie od wielkoci statku i jego specyfiki [15]) przy cenie 50$ za baryk ropy. Obecnie ta cena jest duo wysza i wynosi 110$ za baryk. Najbardziej znanym statkiem w tej dziedzinie jest MV Beluga. Uznaje si, e energia wiatrowa jest najbardziej przyszociow i opacaln w uyciu na statkach morskich, ze wzgldu na dostpno w ogromnych ilociach i niskich kosztach utrzymania [6].

6 72 Anna Kulbacka, Piotr Kooda 5. PROJEKT STATKU WYKORZYSTUJCEGO WYCZNIE ENERGI ZE RÓDE ODNAWIALNYCH W 2005 roku zosta opracowany projekt statku wykorzystujcego do napdu i zasilania tylko i wycznie energi ze róde odnawialnych. Projektowy pentamaran E/S Orcelle wykorzystuje ogniwa paliwowe (które generuj okoo poow energii statku), energi wiatru, energi soneczn oraz energi fal. Pozyskanie energii z fal ma nastpowa za pomoc 12 horyzontalnych petw, które transformuj energi fal na wodór do ogniw paliwowych lub bezporednio w energi elektryczn lub mechaniczn. Maj one równie spenia rol napdu w poczeniu z dwoma pdnikami podowymi. Samochodowiec o zdolnoci przewozowej ok 10 tys. samochodów (50% wicej ni wspóczesne statki tego typu) charakteryzowa si bdzie niemal zerow emisj substancji zanieczyszczajcych do atmosfery. Przewiduje si, e statek bdzie oddany do eksploatacji w 2025 roku [16]. 6. SYSTEMY ZMNIEJSZANIA OPORU KADUBA STATKÓW MORSKICH 6.1. SYSTEMY SMAROWANIA KADUBA STATKU POWIETRZEM Smarowanie powietrzem jest sposobem zmniejszenia oporu pomidzy kadubem statku z uyciem wody morskiej i pcherzyków powietrza. Dystrybucja pcherzyków powietrza na powierzchni kaduba zmniejsza opór na kadubie okrtu. Oczekuje si, e ukad smarowania powietrzem, osignie do 10-15% redukcji emisji CO2, wraz z znacznymi oszczdnociami paliwa [15]. W 2010 r. holenderskie przedsibiorstwo wprowadzio na rynek ukady smarujce bbelkami powietrza kaduby kontenerowców, a w 2012 roku koncern Mitsubishi opracowa ukad smarowania powietrzem do supertankowców. Prekursorami w tej dziedzinie s Japoczycy, którzy ju 2010 roku wyposayli prom pasaerski o dugoci 145 m, szerokoci 25 m i wypornoci 8000 ton w system ALS. Podczas prób przeprowadzanych na statku odnotowano znaczne (10%) zmniejszenie emisji szkodliwych gazów i zuycia paliwa. Nawet przy stosunkowo trudnych warunkach pogodowych 3-metrowej fali system redukowa konsumpcj paliwa o prawie 6%. Obecnie stocznia Mitsubishi Heavy Industries Ltd. buduje 2 statki pasaerskie o dugoci ponad 220 m wyposaone przez opatentowany przez Mitsubishi system smarowania powietrzem MALS [20]. Wodowanie jednostek zaplanowane jest na pocztek 2015 i 2016 roku.

7 Innowacje w morskich rodkach transportu podnoszce jego ekologiczny charakter ZMNIEJSZENIE MASY STATKU Zmniejszenie masy konstrukcji statku moemy osign poprzez dobór materiaów sucych do budowy kaduba jak i nadbudówki. Lejszy statek oznacza mniejsze zanurzenie, a to z kolei oznacza mniejsze opory i mniejsze zuycie paliwa. Obecnie Duczycy pracuj nad zastosowaniem wókna wglowego i innych lekkich materiaów dla statków. Przeczytamy tam wypowied profesora Christiana Berggreen, który jest szefem projektu w DTU ds. Inynierii Mechanicznej. Jego zadaniem jest udowodnienie tego, e jest moliwe zbudowanie taniej, lekkiej i odpornej na ogie konstrukcji nadbudówek na statkach pasaerskich, aby zastpi istniejce konstrukcje ze stali. Projekt COMPASS zajmie si nadbudówkami na statkach pasaerskich i jeeli uda si zastpi cikie stalowe konstrukcje lekkimi materiaami, bdzie to ogromna oszczdno paliwa, a co najwaniejsze - korzy dla rodowiska naturalnego w postaci mniejszego zanieczyszczenia [17]. Projekt jest realizowany we wspópracy z niemieckim armatorem Scandlines, który udostpni dla potrzeb zespou badawczego dane futurystycznych promów Prince Richard i Princess Benedikte, aby zespó zaj si przeprojektowaniem nadbudówek. Jako priorytet jest okrelone bezpieczestwo przeciwpoarowe. To midzy innymi gówny powód, dla którego nie udao si dotychczas opracowa materiaów dla nowych konstrukcji. Projekt zakada wykonanie testów na bezpieczestwo przeciwpoarowe. Obecne przepisy dotyczce budowy statków dopuszczaj stosowanie innych ni sta materiaów. 7. PODSUMOWANIE Koncepcje nowych technologii redukujcych zanieczyszczenie rodowiska wymagaj wieloletnich bada i ogromnych nakadów finansowych. Wiele futurystycznych koncepcji zostay z tego powodu zaniechane. Przedstawione w artykule projekty statków wykorzystujcych alternatywne róda energii oraz innowacyjne systemy pozwalaj na ocen moliwoci redukcji zuycia paliwa, z czym zwizana jest cile emisja zwizków szkodliwych do rodowiska naturalnego. Zaleno t przedstawia tabela. Porównanie proekologicznych technologii wymienionych w artykule Tablica 3 Rodzaj statku Redukcja zuycia paliwa i emisji Optymalne zastosowanie substancji szkodliwych Napdzany LNG SOx prawie 100%; Nox do 90%; CO2 Wszystkie statki morskie do 20% O napdzie elektrycznym Brak emisji szkodliwych zwizków egluga przybrzena, na krótkich trasach O napdzie elektryczno-solarnym Brak emisji szkodliwych zwizków egluga penomorska Z pomocniczym napdem wiatrowym 5-10%, w najkorzystniejszych warunkach wiatrowych do 40% egluga dugodystansowa i oceaniczna, prdko statku do 32km/h Z systemem smarowania powietrzem 10 15% obnienia emisji CO 2 i egluga penomorska znaczne zmniejszenie zuycia paliwa O obnionej masie kaduba 5-10% obnienia emisji CO 2 Wszystkie statki morskie

8 74 Anna Kulbacka, Piotr Kooda Kada z wymienionych metod ma swoje wady i zalety. Jak wida z tabeli sposoby przynoszce najwiksze korzyci, czyli przede wszystkim napd elektryczny, nie maj szerokiego zastosowania. Statki o napdzie elektrycznych mog by konstruowane dla eglugi przybrzenej. Ze wzgldu na konieczno ich adowania moliwy jest jedynie przewóz midzy blisko pooonymi portami. Ponadto jednostki te potrzebuj dodatkowego róda energii, którym nie zawsze moe by energia pochodzca ze róde odnawialnych. Napd wiatrowy czy solarny s wykorzystywane, jako napd pomocniczy, pozwalajcy uzyska zmniejszon emisj szkodliwych substancji. Niewtpliw zalet jest niski koszt utrzymania, jednak ich uycie ograniczaj niesprzyjajce warunki. LNG jest najbardziej ekologicznym paliwem. Niemniej koszt wytworzenia statków z takim napdem jest o okoo 10-20% wyszy ni przy zastosowaniu napdu na paliwo standardowe. Ponadto warunkiem koniecznym do wdroenia LNG jest zapewnienie jego dostpnoci, w tym infrastruktura zwizana z bunkrowaniem tego paliwa. W celu uzyskania podanego efektu systemu smarowania kaduba powietrzem, wane jest, e pcherzyki powietrza musz by jednakowej wielkoci i by równomiernie rozmieszczone pod powierzchni kaduba. Ponadto, zmiana rednicy baki powietrza drastycznie wpywa na rozkad pcherzyków powietrza pod kadubem. Mog one te le wpywa na waciwoci morskie statków w trudnych warunkach pogodowych. Odcienie kaduba statku poprzez zastosowanie lekkich materiaów do budowy nadbudówek wymaga duych nakadów finansowych podczas budowy statku i zwraca si do powoli. Bibliografia 1. Burnewicz J.: Innowacje w transporcie morskim. Gdask Cielik H., Kubacka M., Jdrzejewska A.: Statek ekologiczny w rozwoju zrównowaonym. Centrum Techniki Okrtowej. Gdask Jurdziski M.: Innowacje technologiczne na statkach morskich w celu redukcji zuycia energii i emisji CO 2. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, nr 77. Gdynia Komisja Europejska oraz Dyrekcja Generalna Ds. Mobilnoci i Transportu.: Biaa ksiga transportu: Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru transportu. Bruksela Midzynarodowa Organizacja Morska.: Midzynarodowa konwencja o zapobieganiu zanieczyszczaniu morza przez statki MARPOL 1973/ Ronald O'Rourke, Navy Ship Propulsion Technologies: Options for Reducing Oil Us, Washington, GJENNOMBRUDD FOR FJELLSTRAND MILJØFERGE ZeroCat Tonbo Solar Hybrid Power Ferry SkySails Propulsion System: Turn wind into profit KiteShips and%20Operational%20Measures/Marginal%20abatement%20cost.pdf Reduction of GHG emissions from ships. IMO Marine Environment Protection Committee

9 Innowacje w morskich rodkach transportu podnoszce jego ekologiczny charakter PromySkat Wókno wglowe zastpi metal w budowie nowoczesnych promów MarineInsight.com INNOVATIONS IN MARITIME TRANSPORT THAT IMPROVE ITS ECOLOGICAL CHARACTER Summary: The article presents new methods of implementation of environmental protection regulations which year by year become more restrictive. The most modern main and auxiliary propulsion systems on vessels, as well as, new design methods for fuel consumption reduction and decreasing the emission of pollutants into the atmosphere are described in the article. Keywords: maritime transport, renewable energy, ecology

10