POZIOM EMISJI CO 2 JAKO KRYTERIUM PROJEKTOWE WSPÓ CZESNYCH STATKÓW TRANSPORTOWYCH

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie Wydzia Techniki Morskiej i Transportu POZIOM EMISJI CO 2 JAKO KRYTERIUM PROJEKTOWE WSPÓCZESNYCH STATKÓW TRANSPORTOWYCH Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 Streszczenie: Od 2013 roku obowizuje projektowy wskanik efektywnoci energetycznej (EEDI) dla nowych statków. Warto tego wskanika dla okrelonego statku obliczana jest wg ustalonego wzoru i porównywana z tzw. lini referencyjn, która bdzie zmieniana (obniana) w nastpnych latach. Statki speniajce normy emisji CO 2 bd uzyskiway certyfikat energetyczny dopuszczajcy je do eksploatacji. W artykule przedstawiono moliwoci obnienia emisji CO 2, a tym samym obnienia wartoci wskanika EEDI. Dokadniej przedstawiono propozycj modelowania i optymalizacji kaduba statku, ruby napdowej i steru petwowego w celu polepszenia sprawnoci napdowej statku, a tym samym obnienia mocy napdu i emisji CO 2. Sowa kluczowe: emisja CO 2, projektowanie statku, wskanik EEDI 1. WSTP Denie jako ograniczenia emisji tzw. gazów cieplarnianych, a w tym CO 2, spowodowao wprowadzenie nowych kryteriów, norm, m. in. w projektowaniu silników spalinowych lub te kompletnych rodków transportowych. Take dla morskich rodków transportowych (statków) Midzynarodowa Organizacja Morska (IMO) opracowaa projektowy wskanik efektywnoci energetycznej (EEDI), który obowizuje od 2013 r. dla nowoprojektowanych i budowanych statków. Wskanik ten ogólnie definiuje si jako: CO2 emission EEDI (1) transport work i wyraa emisj CO 2 w gramach /1 tonomil transportowanego adunku.

2 626 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny Wprowadzenie tego wskanika ma wymusi takie projektowanie i eksploatacj statku (w tym i jego napdu) aby ogranicza emisj CO 2 (redukcja CO 2 w latach nastpnych ma by coraz wiksza). Wprawdzie nadrzdnym celem wskanika EEDI jest ograniczenie emisji CO 2, to struktura tego wskanika pozwala na wykorzystanie go, jako kolejne kryterium w projektowaniu, a take jako pewnego rodzaju miar efektywnoci transportowej. Prawidowe wykorzystanie wskanika EEDI w procesie projektowania statku moe z jednej strony zredukowa emisj CO 2 a z drugiej strony doprowadzi do bardziej optymalnego doboru parametrów techniczno-eksploatacyjnych statku maksymalizujcych efekty ekonomiczne armatora. 2. PROJEKTOWY WSKANIK EFEKTYWNOCI ENERGETYCZNEJ Prace nad wskanikiem EEDI trway ju od duszego czasu. Punktem wyjcia byo zaoenie, e transport adunku drog morsk jest te zwizany z emisj CO 2. Po kilku latach bada i dyskusji oraz wprowadzeniu wielu poprawek i uzupenie aktualna wersja, przeznaczona do dalszych bada i analiz oraz zalecana do stosowania w projektowaniu statków ma posta: M j1 f j nme i1 P ME( i) C FME( i) SFC ME( i) ( P AE C FAESFCAE ) f Capacity V i M f j j1 f ref w npti P neff PTI ( i) i1 i1 f eff ( i) P AEeff ( i) C FAE SFC AE neff i1 i f P eff ( i) eff ( i) C FME f Capacity V ref SFC f w ME, (2) a szczegóowy opis poszczególnych skadowych znajduje si w [3]. Wzór na EEDI ma do zoon struktur ale mona wyróni dwie podstawowe grupy parametrów: dotyczcych siowni okrtowej, czyli mocy silnika (ów) gównych i pomocniczych, jednostkowe zuycie paliwa, wspóczynniki przeliczajce zuycie paliwa na emisj CO 2, moc urzdze wykorzystujcych ciepo odpadowe, parametry okrelajce zastosowanie i wykorzystanie innowacyjnych urzdze parametry te s w liczniku wzoru (2), eksploatacyjnych statku, tj. nono, prdko na wodzie spokojnej, spadek prdkoci w rzeczywistych warunkach pogodowych, które znajduj si w mianowniku oraz parametr znajdujcy si w liczniku okrelajcy typ i specyficzne warunku pracy np. pywanie w lodach.

3 Poziom emisji CO 2, jako kryterium projektowe wspóczesnych statków transportowych 627 Wzór na EEDI zosta opracowany gównie dla napdów spalinowych i nie musi by stosowany do napdów: spalinowo-elektrycznych, turbinowych lub hybrydowych. Aktualnie obowizujcy wzór na EEDI nie jest zapewne ostateczny mimo, e obowizuje od 2013 roku. Cay czas trwa dyskusja oraz proponowane s róne zmiany np. co do wartoci lub sposobu obliczania niektórych wielkoci (moc, prdko, nono) lub te wspóczynników (np. spadek prdkoci statku podczas pywania po sfalowanej wodzie). 3. LINIA REFERENCYJNA Aby ustali dopuszczalny poziom emisji CO 2 opracowano lini referencyjn dla rónych wielkoci i typów statków. Dla kadego nowego statku bd wykonywane obliczenia wskanika EEDI i porównywane z odpowiedni dla tego statku lini referencyjn. Jeeli warto EEDI bdzie mniejsza lub równa wartoci wynikajcej z linii referencyjnej to taki statek uzyska certyfikat efektywnoci energetycznej i zostanie dopuszczony do eksploatacji. Przykadow lini referencyjn na 2013 r. przedstawiono na rys. 1 [1]. Rys. 1. Linia referencyjna dla masowców [1] Do okrelenia pierwszej, na 2013 r., linii referencyjnej (bazowej) wykorzystano dane statków zbudowanych, zgromadzone w bazie Lloyd s Register Fairplay (LRFP). Dane te s niekompletne, std te wprowadzono pewne uproszczenia lub te niektóre dane uzupeniano na podstawie statków podobnych wykorzystujc zalenoci regresyjne. Dla wszystkich wykorzystanych statków przyjto stae jednostkowe zuycie tego samego paliwa niezalenie jaki rzeczywisty silnik by zainstalowany na statku. W obliczeniach nie uwzgldniono ewentualnych prdnic waowych, mimo e mogy by na niektórych statkach zainstalowane. Std te, co jest widoczne na rys. 1, wskaniki EEDI dla wielu

4 628 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny statków s powyej linii referencyjnej co wcale nie musi odpowiada rzeczywistoci. Jednak duy rozrzut obliczonych wartoci EEDI wokó otrzymanej w ten sposób linii referencyjnej wiadczy o bardzo duym wpywie samego projektu statku (gównie kaduba) na warto EEDI. Aby uatwi ocen EEDI dla nowego statku i stwierdzi czy spenia on normy emisji CO 2 linia referencyjna zostaa take aproksymowana wyraeniem [4]: L ref ( c) a b (3) gdzie a, b, c s parametrami, których wartoci dla poszczególnych typów statków przedstawiono w tablicy 1. Poniewa w latach nastpnych maj by dokonywane kolejne redukcje emisji CO 2, std linia referencyjna bdzie zmienia swoj warto. W przypadku kontenerowców linia ta bdzie obniana ju od 2015 o 10%, nastpnie od 2020 o kolejne 20%, a docelowo o 30% od 2025 roku. Wspóczynniki redukcyjne dla EEDI, dla poszczególnych typów statków w zalenoci od nonoci, wzgldem linii referencyjne przedstawione s w [4]. Tablica 1 Parametry do okrelenia linii referencyjnej dla rónych typów statków [4] Ship type defined in regulation 2 a b c 2,25 Dry bulk carrier 1354,0 DWT of the ship 0,5117 2,26 Gas carrier 1252,60 DWT of the ship 0,4597 2,27 Tanker 1950,70 DWT of the ship 0,5337 2,28 Container ship 139,38 DWT of the ship 0,2166 2,29 General cargo ship 290,28 DWT of the ship 0,3300 2,30 Refrigerated cargo carrier 227,01 DWT of the ship 0,244 2,31 Combination carrier 1219,00 DWT of the ship 0, CERTYFIKAT EFEKTYWNOCI ENERGETYCZNEJ STATKU Obliczenia wartoci EEDI i certyfikat efektywnoci energetycznej dla nowego statku bdzie wydawany przez Administracj Morsk pastwa, pod którego bander pywa statek, na podstawie zatwierdzonej dokumentacji projektowej statku. Oznacza to, e póniejsza eksploatacja statku oraz zmienne warunki pywania (trasy eglugi, pogoda itp.) nie bd miay ju wpywu na warto EEDI. Certyfikat EEDI jest wic wany przez cay okres eksploatacji statku ([4]), chyba e zostanie poddany gruntownej przebudowie i jest wtedy traktowany jako nowy statek. Certyfikat traci wano, gdy statek zostanie wycofany z eksploatacji lub przechodzi pod bander innego pastwa (sprzeda, dzierawa). Moliwe jest te, e Administracje Morskie obu pastw dojd do porozumienia i kopie dokumentów, na podstawie których wydany zosta Certyfikat, zostan przekazane nowemu armatorowi. W takim przypadku Certyfikat zachowuje swoj wano.

5 Poziom emisji CO 2, jako kryterium projektowe wspóczesnych statków transportowych 629 W niektórych dokumentach i opracowaniach podkrela si, e w celu obnienia emisji CO 2 naley optymalizowa tras eglugi statku lub w trakcie eksploatacji redukowa prdko lub te stosowa lepszej jakoci paliwa. Wedug aktualnie obowizujcych przepisów takie dziaania, wprawdzie korzystne dla rodowiska, nie bd miay wpywu na obliczon wczeniej warto wskanika EEDI, a tym samym na fakt speniania norm i uzyskanie Certyfikatu. 5. MOLIWOCI OBNIENIA EMISJI CO 2 I WSKANIKA EEDI DLA NOWYCH STATKÓW Na moliwo obnienia emisji CO 2, a tym samym zmniejszenie wartoci wskanika EEDI maj wpyw róne parametry czy technologie, które mona podzieli na dwie grupy: parametry zwizane z silnikiem napdowym i siowni okrtow: - bardziej wydajny silnik napdowy o mniejszym jednostkowym zuyciu paliwa, - lepszej jakoci paliwa, m.in. przejcie z oleju napdowego na gaz ziemny, - stosowanie nowych technologii w siowni okrtowej, np. lepsze odzyskiwanie i wykorzystanie ciepa odpadowego, - bardziej energooszczdne odbiory elektryczne i o wyszej sprawnoci elektrownie okrtowe, parametry zwizane z kadubem statku: - poprawa sprawnoci napdowej statku (optymalizacja kaduba, ruby napdowej i steru petwowego) co spowoduje zmniejszenie mocy napdu, - zmniejszenie prdkoci statku jednak zmniejszenie prdkoci statku nie moe pogorszy jego bezpieczestwa, szczególnie podczas rejsu w trudnych (sztormowych) warunkach pogodowych, - zwikszenie nonoci statku budowa wikszych statków, jednak ograniczeniem wielkoci statków jest maa liczba duych gbokowodnych portów przeadunkowych oraz ograniczone iloci niektórych transportowanych towarów. Inne czynniki, które wprawdzie maj wpyw na poziom emisji CO 2, jak np. optymalizacja trasy eglugi, stosowanie przegldów, remontów lub unowoczeniania siowni okrtowej, nie s obecnie uwzgldniane przy obliczaniu wartoci wskanika EEDI i uzyskiwaniu certyfikatu efektywnoci energetycznej statku. Z prowadzonych, w rónych orodkach naukowych i projektowych, analiz i bada nad moliwoci obnienia wartoci wskanika EEDI (kolejna obniona norma bdzie obowizywaa ju od 2015 r., [4]) wynika, e: obnienie wartoci EEDI dla parametrów w pierwszej grupie (siownia okrtowa) jest wprawdzie moliwe ale nie naley spodziewa si duych efektów; obnienie wartoci EEDI dla parametrów w drugiej grupie (kadub statku) ma potencjalnie due moliwoci, gównie w zakresie podnoszenia sprawnoci napdowej. Autorzy ostatnio publikowanych wyników takich bada postuluj, e bez wikszego problemu mona, poprzez zwikszenie sprawnoci napdowej

6 630 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny obniy moc napdu, a tym samym zuycie paliwa o 20% przy zachowaniu prdkoci i nonoci statku [5]. 6. WSTPNE BADANIA NAD MOLIWOCI ZWIKSZENIA SPRAWNOCI NAPDOWEJ STATKU TRANSPORTOWEGO W celu zwikszenia sprawnoci napdowej statku, a tym samym zmniejszenie mocy napdu naley przeprowadzi optymalizacj kaduba statku i ruby napdowej w nastpujcych etapach: - optymalizacja globalna dla gównych parametrów projektowych statku, której celem jest maksymalne zmniejszenie oporu (a tym samym mocy napdu) dla zaoonej prdkoci eksploatacyjnej i nonoci statku z uwzgldnieniem innych wymaga, np. technicznych, - optymalizacja lokalna, która polega na miejscowej zmianie geometrii kaduba statku, np. w rejonie rufy, tak aby poprawi dopyw wody do ruby napdowej, - optymalizacja sprawnoci ruby napdowej dla zmodyfikowanego ksztatu rufowej czci kaduba statku, - optymalizacja parametrów geometrycznych steru petwowego umieszczonego za rub napdow w celu poprawy sprawnoci ruby i efektywnoci steru. Moliwoci realizacji powyszego zadania mog by nastpujce: - prowadzenie optymalizacji w oparciu o przyblione metody (przyblione wzory opracowane na podstawie wyników systematycznych bada modelowych - jednak te wzory nie zawieraj wielu szczegóowych parametrów geometrycznych, std ich zastosowanie do powyszego celu jest bardzo ograniczone a do optymalizacji lokalnej jest wrcz niemoliwe); - poszukiwanie optymalnego ksztatu kaduba statku na podstawie bada modelowych w tym rozwizaniu naleaoby wykona wiele wersji modelu ksztatu kaduba statku, co jest bardzo drogie i w praktyce nie stosowane; - zastosowanie metody i programów obliczeniowej mechaniki pynów (CFD), które maj pene moliwoci zrealizowania w caoci powyszego zadania projektowego - w przedstawionym niej przykadzie obliczeniowym zastosowano t technik obliczeniow. 7. MODYFIKOWANY STATEK I ZAKRES OBLICZE Numeryczne analizy wykonano dla statku B 573 (tabela 3) zbudowanego w Stoczni Szczeciskiej, dla którego istnia peny zakres dokumentacji projektowej, wyniki bada modelowych i prób zdawczo-odbiorczych.

7 Poziom emisji CO 2, jako kryterium projektowe wspóczesnych statków transportowych 631 Linie teoretyczne kaduba, wymiary i geometria ruby oraz pooenie i wymiary steru statku zbudowanego (pokazane na rys. 2 i rys. 3) byy traktowane jako wyjciowe do dalszych modyfikacji geometrii. Podstawowe parametry statku B 573 Tablica 2 Dugo pomidzy pionami L PP 172 m Dugo na wodnicy L WL m Szeroko kaduba B 32.2 m Zanurzenie T 11.0 m Nono P N t Objto podwodzia m 3 Wspóczynnik penotliwoci C B Powierzchnia zwilona S 8200 m 2 Prdko V 14,5 w Rys. 2. Linie teoretyczne analizowanego kaduba statku B 573

8 632 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny Rys. 3. Ster petwowy umieszczony za rub napdow (statek B 573) [7] Rys. 4. Wariant 1 kolor zielony ksztat oryginalny; kolor czerwony modyfikacja ksztatu 8. OBLICZENIA NUMERYCZNE OPYWU KADUBA, RUBY NAPDOWEJ I STERU PETWOWEGO Wszystkie obliczenia numeryczne wykonane zostay za pomoc systemu FLUENT na klastrze komputerowym NEPTUN (zainstalowanym w Katedrze Oceanotechniki i Projektowania Systemów Morskich, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie). Obliczenia numeryczne wykonano dla statku w skali modelu, dla którego byy przeprowadzone badania modelowe (wspóczynnik skali 1:25). Dla modelu statku okrelono dziedziny obliczeniowe i wykonano numeryczn siatk typu niestrukturalnego z elementami pryzmatycznymi w warstwie przyciennej, na której

9 Poziom emisji CO 2, jako kryterium projektowe wspóczesnych statków transportowych 633 nastpnie wykonano konwersj do elementów typu polyhedra. Siatk niestrukturaln wykonano w systemie Gambit, konwersj przeprowadzono w systemie Fluent. Konwersja siatek niestrukturalnych do siatek typu polyhedra umoliwia zmniejszenie liczby elementów siatki od 3 do 5 razy oraz popraw jej parametrów, w szczególnoci parametru skonoci elementu. Ostatecznie cakowita liczba elementów we wszystkich przypadkach oblicze dla poszczególnych zanurze statku wahaa si od 650 tys. do 750 tys. elementów. Dla wszystkich przypadków oblicze kontrolowano zbieno procesu iteracyjnego, zarówno dla wartoci resztowych wszystkich równa jak i dla wspóczynników si na kadubie. Opis siatek obliczeniowych oraz wyniki szczegóowych oblicze przedstawiono w [6], [8] [10]. Kocowe wyniki oblicze byy weryfikowane z badaniami modelowymi statku B 573 [2]. 9. WNIOSKI KOCOWE ZE WSTEPNYCH ANALIZ NUMERYCZNYCH Na podstawie numerycznych analiz 19 wersji kaduba statku wybrano te wersje, dla których przy danych zaoeniach uzyskano mniejszy opór. Nastpnie dla strumieni nadajcych otrzymanych dla kadej wersji kaduba obliczano sprawno napdu ruby napdowej zastosowanej na statku B 573 wyniki tych oblicze (rys. 5) s bardzo interesujce, wiadczce o tym, e lokalna zmiana geometrii kaduba statku w rejonie rufy moe mie bardzo korzystny wpyw na ogóln sprawno napdow statku. Nastpnie modyfikowana bya ruba napdowa oraz ster petwowy umieszczony za rub (geometria steru i jego pooenie ma take korzystny wpyw na sprawno ruby). Ostatecznie, po przeanalizowaniu wszystkich wariantów oblicze udao si uzyska: - zmniejszenie oporu kaduba statku o 2% (punkty procentowe), - zwikszenie sprawnoci ruby (lepszy rozkad strumienia nadajcego) o 4,5%, - dodatkowe zwikszenie sprawnoci ruby napdowej w wyniku odpowiedniego profilu i pooenia steru petwowego wzgldem ruby o 2%. Nastpnie sprawdzono jaki wpyw na wskanik EEDI miay najbardziej korzystne wyniki analiz numerycznych w stosunku do wskanika EEDI statku zbudowanego: - wskanik EEDI dla statku B 573 przed modyfikacjami: EEDI = 5, a po modyfikacjach: EEDI max = 5,1803 (zmniejszenie o 8 %). Przedstawione wyniki s wstpnymi i nie obejmuj wszystkich moliwych zalenoci pomidzy parametrami ukadu kadub-ruba-ster. Jednak s one bardzo zachcajce, std prace badawcze w tym zakresie s kontynuowane, poniewa tego typu analizy numeryczne i poprawa sprawnoci hydrodynamicznej kaduba daje najwiksze korzyci w obnieniu emisji CO 2, a tym samym uzyskania najniszej wartoci wskanika EEDI dla nowych statków.

10 634 Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna elazny 0,68 rednia sprawno ruby finalnej statku B 573 0,66 0,64 0 0,62 0,6 0,58 0, warianty modyfikowanych ksztatów statku B 573 Rys. 5. rednia sprawno finalnej ruby napdowej statku B 573 pracujcej w niejednorodnym polu prdkoci strumienia nadajcego 0 maksymalna sprawno ruby finalnej w jednorodnym polu prdkoci, wariant 0 kadub wyjciowy (bez modyfikacji) pole strumienia nadajcego zmierzone podczas bada modelowych, wariant 18 rczna modyfikacja rufowej czci statku kadub symetryczny wariant 19 rczna modyfikacja rufowej czci statku kadub niesymetryczny Bibliografia 1. GHG-WG 2/2/7 Consideration of the energy efficiency design index for new ships, Jaworski, S., Syrocki, W., Ship B 573: Results of Model Tests-Resistance, Wake Measurements, Technical Report No RH-95/T-041A, Ship Design and Research Centre, Gdask, MEPC.1/Circ.681 (2009) Interim Guidelines on the Method of Calculation of the Energy Efficiency Design Indes for New Ship s 4. MEPC 62/24/Add. 1, Annex19, Resolution MEPC.203(62), Prpi-Orši, J., Faltinsen, O. M., Estimation of ship speed loss and associated CO 2 emission in a seaway, Ocean Engineering 44, PROJEKT BADAWCZY ROZWOJOWY Nr R , Numeryczne badania wspódziaania steru, ruby i rufy statku zmierzajce do poprawy waciwoci napdowych i manewrowych statku transportowego, kierownik projektu: prof. dr hab. in. Tadeusz Szelangiewicz, Szczecin Syrocki, W., Ship B 573 Results of the Model Tests, Ship Design and Research Centre, Technical Report No. RH 96/T 023A, Gdask, Szelangiewicz T., Abramowski T., Numerical analysis of influence of ship hull form modification on ship resistance and propulsion characteristics, Part I: Influence of hull form modification on ship resistance charakteristics, Polish Maritime Research, No. 4(62), Vol. 16, Gdask Szelangiewicz T., Abramowski T., Numerical analysis of influence of ship hull form modification on ship resistance and propulsion characteristics, Part II: Influence of hull form modification on wake current behind the ship, Polish Maritime Research, No. 1(63), Vol. 17, Gdask Szelangiewicz, T., Abramowski, T., elazny, K., Numerical analysis of influence of ship hull form modification on ship resistance and propulsion characteristics, Part III: Influence of modifications on screw propeller efficiency, Polish Maritime Research, No. 1(63), Vol. 17, Gdask 2010.

11 Poziom emisji CO 2, jako kryterium projektowe wspóczesnych statków transportowych 635 CO 2 EMISSION LEVEL AS A DESIGN CRITERION IN MODERN TRANSPORT SHIPS Summary: From 2013 onwards Energy Efficiency Design Index (EEDI) for new ships has been in force. The EEDI value for a given ship is calculated according to a standard formula and compared against a so called reference line which will be gradually decreasing in subsequent years (with CO 2 emission levels getting lower). Ships conforming to the CO 2 emission standards will be granted a validation certificate for exploitation. The article presents possible ways of lowering CO 2 levels consequently resulting in smaller EEDI values as well. A more detailed description of hull design and optimisation of a propeller and a plane rudder to increase ship propulsion efficiency is offered in order to decrease ship propulsion power and CO 2 levels. Keywords: CO 2 emission, naval architecture, index EEDI