Management Systems in Production Engineering No 2(6), 2012

Transkrypt

1 STATKI CUMUJĄCE W PORCIE ZAGROŻENIEM DLA ŚRODOWISKA NATURALNEGO SHIPS MOORING IN THE PORT AS A THREAT TO OUR NATURAL ENVIRONMENT Tadeusz BORKOWSKI, Dariusz TARNAPOWICZ, Grzegorz NICEWICZ Akademia Morska w Szczecinie Streszczenie: Rosnący transport morski, nowe statki i nowe technologie zwiększają zapotrzebowanie na energię elektryczną. W tej sytuacji zwiększa się wielkość emisji zanieczyszczeń generowanych przez statki do atmosfery. Ma to olbrzymie znaczenie dla miast portowych i ludzi tam zamieszkałych. W artykule przedstawione jest porównanie różnych źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza w portach w odniesieniu do statków morskich. Określenie wielkości emitowanych zanieczyszczeń powietrza przez statki w portach jest niezbędne dla prowadzenia prawidłowej działalności gospodarczej portu. Stanowi to podstawę do określenia wpływu pracy portu na środowisko naturalne. Autorzy przedstawili metodologię obliczania emisji zanieczyszczeń przez statki cumujące w portach. Słowa kluczowe: emisja zanieczyszczeń powietrza, źródła emisji, współczynnik emisji spalin. 1. Wstęp Transport morski odgrywa istotną rolę w transporcie światowym. W Unii Europejskiej 90% towarów w handlu z państwami z poza Unii jest transportowanych drogą morską. Wewnątrz Unii stanowi to około 40%. W ostatnich latach mimo światowego kryzysu gospodarczego ilość statków na świecie wzrosła. Unia Europejska posiada około 40% światowej floty. Zwiększony transport morski, przy ciągle rosnącym zapotrzebowaniu przez statki na energię elektryczną oznacza większą emisję zanieczyszczeń generowanych przez statki do atmosfery. Zanieczyszczenia te mogą prowadzić do zagrożeń dla zdrowia narażonej na nie ludności. Emisja antropogeniczna jest niekorzystnym efektem gospodarczej działalności człowieka. Wśród antropogenicznych źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza decydujące znaczenie mają źródła związane z wytwarzaniem energii (elektrycznej lub mechanicznej) opartym na paliwach konwencjonalnych (np. na statkach morkich). Szkody wyrządzane środowisku wynikające z zanieczyszczenia powietrza powodują straty ekonomiczne, które nie są uwzględniane w cenie energii elektrycznej. Koszty te nazywane są kosztami zewnętrznymi (ExternE External Electricity Costs). W skład kosztów zewnętrznych wchodzą koszty zdrowotne, koszty szkód w środowisku, koszty efektu cieplarnianego i koszty możliwych awarii. Koszty zdrowotne i efektu cieplarnianego wyraźnie dominują nad innymi efektami dając wkład około 98% [1]. Na rys. 1 przedstawione jest porównanie kosztów zewnętrznych związanych z zanieczyszczeniem powietrza dla różnych rodzajów transportu w przeliczeniu na kilometr dla samochodu ciężarowego w Niemczech (TEU-km Twenty feet Equivalent Unit)[2]. Najwyższe koszty zewnętrzne zawiązane z zanieczyszczeniem powietrza powodowane są przez transport morski. Spowodowane jest to głownie przez wysoką emisją tlenków azotu, co szczegółowo przedstawione zostanie w dalszej części artykułu. Emisja dwutlenku węgla (CO 2 ) przez statki stanowi około 3% wszystkich światowych emisji. szczególnie istotne jest to w portach gdzie cumują statki zlokalizowane są często w pobliżu gęsto zaludnionych aglomeracji. Tlenki węgla powstają w wyniku niecałkowitego spalania paliw. Duże zakłady energetyczne ściśle kontrolują procesy spalania, stąd emisje

2 tlenków węgla są nieduże. Głównym źródłem emisji staje się transport drogowy, a w miastach portowych transport morski. Rys. 1. Koszty zewnętrzne związane z zanieczyszczeniem powietrza dla różnych rodzajów transportu [2] Przewiduje się, że w Unii Europejskiej do 2020 roku emisje przez statki szkodliwych substancji dwutlenku siarki (SO 2 ) i tlenków azotu (NO x ) przewyższą emisje pochodzące ze wszystkich źródeł naziemnych [3]. 2. Źródła emisji zanieczyszczeń powietrza w portach Procesy energetycznego spalania paliw są głównym źródłem antropogenicznej emisji zanieczyszczeń. Ponad 75% emisji NO x i SO 2 i ponad 90% CO 2 jest związana z procesami spalania paliw. Ilość i rodzaj zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery podczas procesu spalania zależy głównie od rodzaju i stanu spalanego paliwa, warunków spalania i wydajności urządzeń, a także od skuteczności urządzeń oczyszczających wytworzone spaliny przed ich wprowadzeniem do atmosfery. Emisja zanieczyszczeń w portach pochodzi z dwóch źródeł morskich (Water side) i lądowych (Land side). Głównym źródłem emisji są silniki spalinowe statków morskich oraz holowników i innych jednostek działających w basenach portowych. Drugą grupę stanowi sprzęt przeładunkowy (ciągniki terminalowe, dźwigi, transport kontenerów, wózki widłowe; (ang. cargo handling equipment), ciężarówki oraz lokomotywy pociągów na terenie portu rys. 2. Sources of emissions in the port emissions of pollutants Land side Water side train truck cargo handling equipment vessels harbor craft Rys. 2. Źródła emisji zanieczyszczeń w porcie 2

3 2.1. Źródła emisji w porcie dwutlenku węgla Tlenki węgla powstają w procesie niecałkowitego spalania paliw. Zakłady energetyczne znajdujące się na lądzie emitują obecnie nieznaczne ilości dwutlenku węgla, ponieważ proces spalania jest tam ściśle kontrolowany i prowadzony w optymalnych warunkach. Głównym źródłem emisji dwutlenku węgla jest transport. Przepisy zastosowane w ostatnich latach na lądzie w znacznym stopniu spowodowały ograniczanie emisji dwutlenku węgla przez transport drogowy. Od 2012 r. obowiązuje norma, zgodnie z którą wszystkie sprzedawane w Unii Europejskiej samochody nie będą mogły przekroczyć emisji 120 g dwutlenku węgla na każdy przejechany kilometr. Na rys. 3 przedstawione jest procentowe porównanie źródeł emisji CO 2 dla przykładowego portu Montreal. Rozkład procentowy źródeł emisji CO 2 związany jest z lokalnymi uwarunkowaniami charakterystycznymi dla danego portu. W miastach portowych istotnym źródłem emisji CO 2 pozostają statki cumujące w porcie. Rys. 3. Porównanie różnych źródeł emisji CO 2 w porcie Montreal (na podstawie [4]) 2.2. Źródła emisji w porcie dwutlenku siarki Dwutlenek siarki (SO 2 ) można uznać za jedno z najbardziej niebezpiecznych zanieczyszczeń atmosfery. Źródłem emisji SO 2 są w głównej mierze procesy spalania paliw dla potrzeb energetycznych. Dwutlenek siarki, co istotne może być transportowany przez wiatr na duże odległości, dochodzące do tysiąca kilometrów. W paliwach stosowanych w silnikach o zapłonie samoczynnym znajduje się z reguły pewna ilość siarki. Zawartość tego składnika pochodzącego z ropy naftowej, wyrażana w udziałach masowych, jest zazwyczaj tym większa, im większa jest gęstość paliwa. Siarka występująca w paliwach zarówno w stanie wolnym, jak i pod postacią związków chemicznych jest zawsze składnikiem niepożądanym, pomimo znanych właściwości smarujących. W paliwach wykorzystywanych do zasilania silników okrętowych zawartość siarki może sięgać 1,5% dla MDO (Marine Diesel Oil) i 5% dla HFO (Heavy Fuel Oil) według klasyfikacji paliw normy ISO Problem emisji dwutlenku siarki jest szczególnie istotny dla zakładów, gdzie energetyka oparta jest na węglu. W ostatnich latach zakłady energetyczne w znacznym stopniu zredukowały emisje SO 2. W miastach portowych głównym źródłem emisji tlenków siarki pozostają statki cumujące w portach (rys. 4). 3

4 Rys. 4. Porównanie różnych źródeł emisji SO 2 w porcie Montreal (na podstawie [4]) 2.3. Źródła emisji w porcie tlenków azotu Tlenki azotu są jednymi z groźniejszych składników zanieczyszczających atmosferę, prawie dziesięciokrotnie bardziej szkodliwe od tlenku węgla i kilkakrotnie od dwutlenku siarki. Tlenki azotu są produktem ubocznym w procesach spalania. W wyniku spalania powstaje NO-tlenek azotu a także NO 2 -dwutlenek azotu. NO to związek nietrwały, który rozkłada się lub tworzy trwały NO 2. Zależne jest to od panujących warunków. Emisja tlenków azotu może wpływać istotnie na zachwianie równowagi naturalnych przemian chemicznych w atmosferze. Tlenki azotu stanowią grupę dwuskładnikowego połączenia azotu z tlenem, w których azot występuje na 1, 2, 3, 4 i 5 stopniu utlenienia. Symbol NO x oznacza mieszaninę gazów: tlenku azotu NO i dwutlenku azotu NO 2. Znane są inne tlenki azotu, jednak zasadniczą rolę jako pierwotne zanieczyszczenia powietrza atmosferycznego, rozpatrywanego jako bezpośredni efekt procesu spalania w silnikach tłokowych, odgrywają przede wszystkim te dwa związki. Na rys. 5 przedstawiono porównanie wielkości emisji NO x dla różnych źródeł w porcie Montreal. Rys. 5. Porównanie różnych źródeł emisji emisji NO x w porcie Montreal [4] W ostatnich latach znacząco graniczono emisję NO x przez transport lądowy (np. katalizatory spalin). W portach głównym źródłem emisji NO x pozostają statki morskie i pływające jednostki portowe. Badania emisji zanieczyszczeń w innych portach zarówno Europy jak i Ameryki wykazują podobne zależności jak dla portu Montreal, tzn. głównym źródłem emisji są statki morskie. 3. Wielkość emisji zanieczyszczeń powietrza przez statki w portach. Określenie wielkości emitowanych zanieczyszczeń powietrza przez statki w portach jest niezbędne dla prowadzenia prawidłowej działalności gospodarczej portu i stanowi podstawę do określenia wpływu pracy portu na środowisko naturalne. Wielkość emisji ma decydujące 4

5 znaczenie dla ewentualnych projektów rozbudowy portów, a przez to zwiększenia ich działalności gospodarczej. Szczegółowe badania emisji stanowią punkt odniesienia do wdrażania strategii pozwalających na organicznie emisji i ich kontrolę. W poprzednim rozdziale wskazano, że jednym z decydujących źródeł emisji w portach są statki morskie. Mając na uwadze inne mobilne źródła emisji (holowniki, sprzęt przeładunkowy, ciężarówki i lokomotywy pociągów) nieniniejszy artykuł skupia się na emisji zanieczyszczeń ze statków morskich. Inne źródła emisji muszą być uwzględnione dla obliczania całkowitej emisji w porcie, ale nie są w tym miejscu uwzględniane. Emisja ze statków morskich pochodzi głównie z okrętowych silników wysokoprężnych, które są stosowane do napędu głównego i do wytwarzania energii elektrycznej niezbędnej dla eksploatacji statku Źródła danych dla obliczania emisji przez statki spalin w porcie. Dane niezbędne do obliczeń emisji przez statki spalin w portach pochodzą z wielu źródeł (rys. 6): Dane od władz portowych i stacji pilotowych informacje od władz portowych i stacji pilotowych zawierają przede wszystkim niezbędne dane dla obliczania czasu poszczególnych stanów pracy statku. Na podstawie tych danych można określić również prędkości statków podczas tranzytu i manewrów. Dane z AIS System Automatycznej Identyfikacji, AIS (Automatic Identification System, AIS) system automatycznej łączności zapewniający automatyczną wymianę danych, przydatnych do uniknięcia kolizji między statkami oraz identyfikujący statek dla brzegowych systemów nadzorujących ruch statków (VTS). Rejestr statków Dane z rejestrów statków są bardzo przydatne dla szczegółowego opisu statku, określenia mocy jego silników głównych i pomocniczych. Różne rejestry statków podają w swoich zestawieniach różne dane opisujące statek mniej lub bardziej szczegółowo. Najbardziej obszerną i pomocną bazę, prawie statków, podaje Lloyd Register of Ships. Raporty ze statków Raporty ze statków stanowią najbardziej wiarygodne źródło informacji, szczególnie w zakresie obciążenia silników głównych i silników pomocniczych. Raporty takie mogą być wykonywane przez załogę statku na zlecenie armatora lub władz portowych. Na starszych lub mniej zautomatyzowanych statkach załoga zapisuje stany pracy statku, czas i obciążenie silników. Na nowoczesnych, skomputeryzowanych statkach możliwe jest wykonanie takich raportów w sposób zautomatyzowany. Tworzy się tzw. trendy obciążeń i raportuje obciążenie silników spalinowych w określonej jednostce czasu. data source for emission calculation port authority and pilot station reports from ships AIS register of ships Rys. 6. Źródła danych dla obliczeń emisji zanieczyszczeń powietrza ze statków 5

6 3.1. Metodologia obliczania emisji spalin przez statki w portach W celu przygotowania szczegółowej oceny emisji spalin przez statki w portach należy ją przeprowadzić odrębnie dla różnych stanów pracy statku. Każdy stan pracy statku w porcie związany jest z prędkością statku, a co za tym idzie z obciążeniem silnika głównego i różnym wykorzystaniem agregatów prądotwórczych. Możemy wyróżnić trzy podstawowe stany pracy statku w porcie: Tranzyt statek przepływa przez baseny portowe z prędkością większą niż manewrowa, a mniejszą niż morska (średnio 7-10 węzłów); dla celów bezpieczeństwa żeglugi pracują równolegle co najmniej dwa zespoły prądotwórcze. Manewry statek manewruje w niedalekiej odległości od kei z prędkością manewrową (średnio 5-8 węzłów lub mniejszą); dla celów bezpieczeństwa żeglugi pracują równolegle co najmniej dwa zespoły prądotwórcze. Postój w porcie statek zacumowany lub zakotwiczony; silnik główny odstawiony; Pracują tylko silniki pomocnicze agregatów prądotwórczych niezbędne dla zapewnienia energii elektrycznej na statku. W artykule główny nacisk położony jest na stan pracy statku postój w porcie ( hoteling ). Emisję dla stanu pracy tranzyt i manewry oblicza się przeważnie oddzielnie. Hoteling można zdefiniować w czasie, gdy statek zakończył cumowanie przy nabrzeżu (silniki główne zostały ostawione) do momentu, kiedy statek odcumowuje od nabrzeża. Jeżeli postój statku w porcie wymaga kotwiczenia (np. porty rzeczne), to czas ten jest definiowany od momentu rzucenia kotwicy do momentu jej podniesienia. W tym stanie pracy statku silniki główne są odstawione. Pracują jedynie silniki agregatów prądotwórczych i tak jak w pozostałych stanach pracy kotły pomocnicze. Praktyka obliczania emisji spalin przez statki morskie opiera się na wykorzystaniu danych ze statków i innych materiałów źródłowych i określana jest za pomocą ogólnego wzoru: E = P. LF. A. EF (1) gdzie: E emisja [g], P moc silników zainstalowana [kw], LF współczynnik obciążenia procentowe wykorzystanie silników [%], A czas aktywności w poszczególnych stanach pracy [h], EF wskaźnik emisji [g/kwh] Raporty różnych organizacji zajmujących się określaniem wielkości emisji spalin przez statki w portach mogą się nieznacznie różnić, ale ogólny przedstawiony wzór pozostaje podstawą do obliczeń. Przykładem może być raport EPA [5] gdzie emisja w porcie wyrażona jest zależnością: Emissions hotel = (calls). (P [aux] ). (hrs/call hotel ). (LF hotel[aux] ). (EF [aux] ). (10-6 tonnes/g) (2) gdzie: calls ilość cumowań, P [aux] moc zainstalowana silników pomocniczych [kw], hrs/call [hotel] czas spędzony przy nabrzeżu przy jednym cumowaniu [h], LF hotel[aux] współczynnik obciążenia silników pomocniczych [%], EF [aux] wskaźnik emisji dla silników pomocniczych [g/kwh], 10-6 tonnes/g współczynnik konwersji 6

7 3.2. Emisja spalin przez silniki okrętowe badania eksperymentalne Emisja składników szkodliwych spalin przez silniki okrętowe stanowi złożony problem. Obecnie stosowane fabryczne próby zdawczo-odbiorcze silników okrętowych oraz próby morskie statków (czyli po ukończeniu budowy statku) nie przewidują pomiarów składu gazów spalinowych. Przykładowe badania eksperymentalne wykonano na promie samochodowo-osobowym, obsługującym połączenie komunikacyjne Polska-Szwecja. Badaniami objęto jednostkę z silnikami napędowymi scharakteryzowanymi w tabeli 1. Tabela 1 Charakterystyka silników napędu głównego i pomocniczego promu Przeznaczenie silnika Napęd główny (śruba napędowa) Napęd pomocniczy (prądnica) Producent Stork - Wärtsilä Stork - Wärtsilä Typ silnika 6 SW 38 6 SW 280 Moc, prędkość - znamionowe 3960 [kw], 600 [obr/min] 1800 [kw], 900 [obr/min] Rodzaj paliwa IFO-380 [cst], 989 [kg/m 3 IFO-380 [cst], 989 [kg/m Metodyka badań Badania techniczne na statkach prowadzone w warunkach eksploatacyjnych bez specjalnych prac adaptacyjnych, charakteryzuje brak możliwości ustalenia jednolitej procedury badawczej. Wynika to z kilku istotnych uwarunkowań wpływających bezpośrednio na ostateczny rezultat, jakim są indywidualne współczynniki emisji składników gazów spalinowych. Cykle testowe wymagane przez przepisy aneksu (IMO MP/CONF.3/35) (International Maritime Organization) i zawarte w normach ISO przewidywane są przede wszystkim dla silników nowych i w pełni zdatnych technicznie. Warunki prowadzenia testów również powinny w nieznaczny sposób odbiegać od warunków normowych (temperatura, ciśnienie i wilgotność powietrza otoczenia, rodzaj paliwa). Wówczas, wartości obciążeń użytecznych silników, stosowane podczas prób pozwalają na adekwatne wykorzystanie wartości wag statystycznych przy ostatecznym obliczeniu wagowego wskaźnika emisji określonego składnika spalin. Norma dopuszcza możliwość wykonywania badań silnikowych na statku, uwzględniając wszystkie niesprzyjające okoliczności prowadzenia takich testów. Można do nich zaliczyć: brak technicznej możliwości pomiaru użytecznego momentu obrotowego silnika, brak możliwości pomiaru zużycia paliwa, praca silnika przy zasilaniu paliwem innym niż wyspecyfikowane w normie ISO (MDO), niemożliwość pracy silnika w pełnym zakresie obciążeń wynikająca z jego częściowej zdatności technicznej. Powyżej wymienione wielkości charakterystyczne silnika mogą zostać wyznaczone metodami analitycznymi. Taki rodzaj testów kwalifikowany jest jako metoda uproszczona określania wielkości emisji składników szkodliwych, prowadzona na statku i przewidziana jest dla okresowego lub wstępnego sprawdzenia. Celem pomiarów było wyznaczenie wielkości emisji następujących składników szkodliwych, gazów spalinowych z silników okrętowych: NO x, CO, SO x, HC. Wielkość emisji w tym kontekście oznacza emisję średnią wagową, wyrażoną w [g/kwh], odniesioną do warunków standardowych. Pomiar i metodyka obliczeń bazuje na zaleceniach IMO, określonych w projekcie Aneksu VI Konwencji MARPOL 73/78 [6]. Pomiary przeprowadzono według cykli testowych zgodnych z normą ISO 8178, część 4: cykl pomiarowy dla silników napędu głównego, pracujących ze stałą prędkością obrotową E2, cykl pomiarowy dla silników napędu pomocniczego, pracujących ze stałą prędkością obrotową D2. 7

8 Wyniki badań. Wyniki pomiarów z cykli testowych dla indywidualnych silników stanowiły podstawę do wyznaczenia ostatecznego współczynnika emisji każdego składnika szkodliwego gazów spalinowych jakim jest średni wagowy współczynnik emisji (average weighted emission factor). Wyznaczone wartości współczynników emisji zostały przedstawione w tabeli 2, indywidualnie dla każdego silnika. Lp. Silnik Przeznaczenie silnika 1 6 SW 38 Stork Wärtsilä Tabela 2 Wartości wagowych współczynników emisji dla silników promu NO x CO SO x HC g/kwh g/kwh g/kwh g/kwh Silnik główny nr SW 38 Stork Wärtsilä 6 SW 280 Stork Wärtsilä 6 SW 280 Stork Wärtsilä Silnik główny nr Silnik pomocniczy nr Silnik pomocniczy nr Wnioski Wśród wielu źródeł emisji zanieczyszczeń powietrza w portach decydujące znaczenie odgrywają statki morskie. Przepisy zastosowane w ostatnich latach na lądzie w znacznym stopniu spowodowały ograniczanie emisji ze źródeł lądowych. Szczegółowe badania emisji ze statków morskich cumujących w portach stanowią punkt odniesienia do wdrażania strategii pozwalających na organicznie emisji i ich kontrolę. Wielkość emisji ma decydujące znaczenie dla ewentualnych projektów rozbudowy portów, a przez to zwiększenia ich działalności gospodarczej. Jednym ze skutecznych sposobów ograniczania emisji zanieczyszczeń powietrza przez statki w portach jest zastosowanie systemu shore to ship elektroenergetycznego zasilania statków z lądu [7]. Autorzy prowadzą szczegółowe badania w ramach międzynarodowego projektu: BSR InnoShip: Baltic Sea cooperation for reducing ship and port emissions through knowledge and innovation ( ). Literatura [1] NEWEXT New Elements for the Assessment of External Costs from Energy Technologies, coordinator Rainer Friedrich, Final Report to the European Commission, DG Research, Technological Development and Demonstration (RTD), IER, Germany, ARMINES/NSMP, France, PSI, Switzerland, Université de Paris I, France, University of Bath, United Kingdom, VITO, Belgium, September [2] European Commission EUR External Costs - Research results on socioenvironmental damages due to electricity and transport 2003 Pablo Fernández Ruiz Director Research [3] Communication from The Commission to The Council and The European Parliament Thematic Strategy on Air Pollution Brussels, [4] Emissions Inventory of Landside and Marine Sources at the Port of Montreal ; Prepared By: SENES Consultants Limited, SNC-Lavalin Environment Inc. March 31,

9 [5] ENVIRON International Corporation (2002). Commercial Marine Emission Inventory Development, prepared for the U.S. Environmental Protection Agency, EPA Report Number: EPA420-R , Docket ID EPA-HQ-OAR [6] MP/CONF. 3/4 Consideration and Adoption of Resolutions and Recommendations and Related Matter, Draft Technical Code ON Emission of Nitrogen Oxides from Marine Diesel Engines, 19 March [7] Tarnapowicz D.: Alternatywne zasilanie statków w porcie rozwiązaniem przyjaznym środowisku VIII Międzynarodowa Konferencja Systemy Wspomagania w Zarządzaniu Środowiskiem Zielona Góra/Drezno