Jerzy Herdzik 1 MODYFIKACJA WSKAŹNIKÓW EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ STATKÓW RÓŻNYCH TYPÓW I KONSTRUKCJI 706 Wstęp W celu zwrócenia uwagi armatorom i członkom załóg statków na zużycie paliwa, a w konsekwencji na emisję szkodliwych substancji do atmosfery, Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO) wprowadziła nowy rozdział 4 do załącznika VI Konwencji MAR- POL, a wraz z nim obowiązek wyznaczania wskaźników efektywności energetycznej statków konwencyjnych (o pojemności brutto 400 ton i większej) będących w eksploatacji i w fazie projektowej [6] z dniem 1 stycznia 2013 r. Projektowy wskaźnik efektywności energetycznej statku () Projektowy wskaźnik efektywności energetycznej () jest miarą dla statku projektowanego, który wyznacza się wg ideowego wzoru: (szacowana emisja CO 2 przy szacowanym zużyciu paliwa) / (zdolność przewozowa statku)*(przebyta droga) [g CO 2 /t*mm] gdzie: mm mila morska. Pełna forma wzoru wraz z interpretacją poszczególnych wielkości stosowanych we wzorze występuje m.in. w [5,14]. Szacunkową wartość wskaźnika dla kontenerowców przyjmuje się dla 70% nośności wg uproszczonego wzoru: gdzie: sumaryczna moc silników głównych jako 75% mocy MCR ; moc zespołów prądotwórczych ; 1 Dr inż. Jerzy Herdzik prof. nadzw. AM, Akademia Morska w Gdyni, georgher@am.gdynia.pl Logistyka 6/2014 DWT nośność statku [tona]; prędkość referencyjna [węzeł]. Uniwersalny współczynnik konwersji C F między zużyciem określonego gatunku paliwa(ze względu na szacowaną zawartość węgla) a emisją CO 2 przedstawiono w tab.1. Tabela 1. Bezwymiarowy współczynnik konwersji między zużyciem paliwa a emisją CO2 (ze względu na zawartość węgla w paliwie) Rodzaj paliwa Paliwo destylacyjne lub gazowe lekkie ciężkie Odniesienie do DMX do DMB od RMA do RMD od RME do RMK Zawartość węgla C F [g CO 2 /g paliwa] 0,8744 3,206 0,8594 3,151 0,8493 3,1144 LPG propan 0,8182 3,000 LPG butan 0,8284 3,030 LNG, metan 0,7500 2,750 Źródło: [5,14] Dla nowo budowanych kontenerowców wymaga się, aby projektowy wskaźnik był poniżej wartości wyznaczonej wzorem [2,3,5]: (Wymagana wartość ) = (1 X/100)*(a)*(100%nośności) c gdzie: X oznacza procentowy współczynnik redukcyjny zależny od etapu i wielkości budowanego kontenerowca (zgodnie z tab.1 prawidło 21 zał. VI MARPOL); a = 174,22 c = 0,201.
W przypadku posiadania przez statek klasy lodowej, która wymaga wzmocnienia kadłuba i zwiększenia masy statku pustego, powoduje wzrost oporów pływania i zwiększenie zużycia paliwa, stosuje się wskaźniki korekcyjne f j, uwzględniające indywidualne cechy konstrukcyjne statku [5,14] wg zalecenia HEL- COM nr 25/7 oraz typ statku. Uwzględnia się ponadto [14]: Współczynnik pogodowy f w ; Współczynnik dostępności innowacyjnej technologii zapewniającej efektywność energetyczną f eff ; Współczynnik pojemności f i, zależny od typu statku; Współczynnik korekcyjny pojemności f c, dla gazowców i chemikaliowców; Zasady wyznaczania długości statku między pionami L pp. Skorzystać należy z dwóch załączników, które pozwolą wyznaczyć wymagany wskaźnik [9]. W wyniku działań otrzymuje się wskaźnik, który należy spełnić przy projekcie statku i jego układu energetycznego, ale ze wskaźnikiem pierwotnym (prostym) nie ma to już wiele wspólnego. Plan Zarządzania Efektywnością Energetyczną Statku (SEEMP) W rezolucji IMO MEPC.213(63) [2,6] podano wytyczne tworzenia Planu Zarządzania Efektywnością Energetyczną Statku. SEEMP miał zapewnić możliwość monitorowania efektywności eksploatacji statku, a także stosować takie rozwiązania, które pozwolą na optymalizację sposobu eksploatacji statku. Celem wprowadzenia SEEMP było ustanowienie dla armatora mechanizmu, który wpływałby na taki sposób eksploatacji statku, który pozwoli na spełnienie zadań, które statek ma wykonać, przy najbardziej efektywnym wykorzystaniu statkowych urządzeń energetycznych [4,11,17,19]. Opracowany plan dla konkretnego statku musi znajdować się na burcie. Przeglądy i certyfikacja projektowego wskaźnika efektywności energetycznej () Rezolucje IMO MEPC.214(63) i MEPC.234(65) [16] wprowadzono w celu określenia wytycznych, a w rezultacie udzielenia pomocy osobom dokonującym przeglądów i certyfikacji projektowego wskaźnika efektywności energetycznej statku (). Weryfikację przeprowadza się po wykonaniu projektu przed rozpoczęciem budowy statku. Po otrzymaniu Protokołu wstępnej weryfikacji można rozpocząć budowę. Po zbudowaniu, statek przechodzi w czasie prób w morzu, powtórną weryfikację. Pozytywnie zakończona weryfikacja pozwala na wydanie Świadectwa IEEC (Międzynarodowe Świadectwo Efektywności Energetycznej). Podstawowym dokumentem, który podlega ocenie w celu weryfikacji, jest Kartoteka techniczna. Obliczanie linii odniesienia do stosowania ze wskaźnikiem W rezolucji IMO MEPC.231(65) [2,14] podano wytyczne obliczania linii odniesienia (maksymalna wartość wskaźnika ) do stosowania dla danego typu statku w celu uzyskania wartości niższej od wymaganej tym wskaźnikiem. Dotyczy to każdego statku, który podlega prawidłu 21 załącznika VI konwencji MARPOL. Linię odniesienia sformułowano jako krzywą przedstawiającą średnią wartość wskaźnika ze zbioru statków zbudowanych w latach 1999-2008, określonego typu z bazy IHS Fairplay. Zależność ta jest następująca: Wartość linii odniesienia = (a)*(100%nośności) c gdzie a i c są parametrami określonymi w drodze dopasowania krzywej regresji. Dla potrzeb wyznaczania bierze się tylko grupę statków, które służą do przewozu ładunków. Pozostałe statki lub konstrukcje morskie (platformy, barki itp.) na razie nie podlegają temu procesowi. Wytyczne dla przemysłu do obliczania i weryfikacji projektowego wskaźnika efektywności energetycznej statku () Wytyczne te zamieszczone są w rezolucji IMO MEPC.212(63) oraz MEPC.214(63) [5,14] wydane w 2012 r. Wytyczne te nie dotyczą statków, które posiadają układy napędowe spalinowo-elektryczne (dieselelectric), hybrydowe lub turbinowe, nie dotyczą również grupy statków, które nie zostały wyposażone w innowacyjne technologie oszczędzania energii [5]. Nie Logistyka 6/2014 707
dookreślono również wymagań dotyczących statków po tzw. znacznej przebudowie. Przyjmowanie szacunkowych wartości niektórych współczynników powoduje, że wyznaczenie obarczone jest błędem około 1%. Zaleca się, aby podawać wartość z podaniem trzech cyfr znaczących np. 22,8 g CO 2 /t*mm. Zaleca się przyjmować i przeliczać jednostkowe zużycie paliwa na standaryzowane wartości opałowe paliw: dla paliw ciekłych 42700 kj/kg, dla skroplonego gazu naturalnego (LNG) 48000 kj/kg. W tab.1 przedstawiono współczynniki bezwymiarowe konwersji C F między rodzajem paliwa, jego zużyciem a emisją CO 2. Tabela 1. Bezwymiarowy współczynnik konwersji między zużyciem paliwa a emisją CO2 (ze względu na zawartość węgla w paliwie) Rodzaj paliwa Paliwo destylacyjne lub gazowe 708 lekkie ciężkie Odniesienie od DMX do DMB od RMA do RMD od RME do RMK Logistyka 6/2014 Zawartość węgla C F [g CO 2 /g paliwa] 0,8744 3,206 0,8594 3,151 0,8493 3,114 LPG propan 0,8182 3,000 LPG butan 0,8284 3,030 LNG, metan 0,7500 2,750 Źródło: [5,14] Współczynnik pogodowy f w określa się jako bezwymiarowy współczynnik wskazujący zmniejszenie prędkości statku spowodowany złymi warunkami pogodowymi. Wstępnie przyjęto, że do stanu morza 6 0 B wynosi 1. Zależnie od wysokości fali, jej częstotliwości oraz prędkości wiatru określone zostaną współczynniki korekcyjne. Współczynnik korekcyjny elementów f j dotyczy statków z klasą lodową oraz zbiornikowców uprawiających żeglugę wahadłową, dla wszystkich innych wznosi 1. Współczynnik pojemności f i wynosi 1. Dla statków z klasą lodową wyznacza się go z podanych tabel, zależnie od typu klasy lodowej i dodatkowych oznaczeń [9,10,14]. Współczynnik korekcyjny kubatury f C wynosi 1. Dla chemikaliowców określonych w prawidle 1.16.1 załącznika II konwencji MARPOL wyznacza się zgodnie z punktem 2.12.1 [5], natomiast dla gazowców określonych w punkcie 1.1 Kodeksu IGC posiadających bezpośredni napęd spalinowy wyznacza się zgodnie z punktem 2.12.2 [5]. Innowacyjne technologie zapewniania efektywności energetycznej nie są jeszcze określone w dokumencie [5,13,16]. Dla statków pasażerskich (wycieczkowych) o niekonwencjonalnym napędzie (turbinowym, hybrydowym lub elektrycznym) stosuje się linię odniesienia wyrażoną wzorem: Wartość linii odniesienia = 170,84*b -0,214 gdzie: b pojemność brutto statku. Nie uwzględnia się do wyznaczenia wartości linii odniesienia innowacyjnych technologii zapewniających mechaniczną efektywność. Przyjmuje się stały współczynnik emisji węgla c F = 3,1144 g CO 2 /g paliwa. Natomiast przyjmuje się 75% obciążenie silników głównych (mocy nominalnej) [5]. Dla silników pomocniczych (wysokoprężnych) przyjmuje się jednostkowe zużycie paliwa równe 215 g/kwh, dla turbin gazowych 250 g/kwh. Sprawność prądnic określono na 95%, natomiast sprawność linii wałów (przekazania napędu do pędnika) na 92%. Wartość wskaźnika dla statków wycieczkowych o niekonwencjonalnym napędzie wyznacza się wg wzoru [7]: Wykaz parametrów do wyznaczenia przedstawiono w tab.2. Źródła informacji należy udostępnić w celu wyznaczenia, jak również jego weryfikacji. Tabela 2. Parametry wejściowe do obliczania symbol nazwa zastosowanie źródło L pp przeznaczenie oznaczenie klasy klasa lodowa długość między pionami [m] wyporność na letniej wodnicy pływania pojemność, współczynniki f i, f j, f c f j dla zbiornikowca uprawiającego żeglugę wahadłową, f icsr f i, f j dla klasy lodowej f i, f j dla klasy lodowej dla klasy lodowej ostateczna informacja o stateczności
Tabela 2. Parametry wejściowe do obliczania LWT P AE v REF protokół z wyznaczania dane silników, PTI lub tabel mocy elektrycznej protokół z prób w morzu plan zbiorników Kubatura MCR MCR lim SFC MCR P- TO P SM, max masa statku pustego [t] moc silnika pomocniczego prędkość odniesienia [węzły] całkowita kubatura zbiorników ładunkowych [m 3 ] zainstalowana moc nominalna ograniczona moc nominalna po PTO nośność, f ivse, f icsr, f c f C dla chemikaliowców i gazowców moc P ME z PTO Certyfikat EIAPP lub tabliczka znamionowa kartoteka weryfikacyjna klasa paliwa c F, SFC kartoteka techniczna NO x silnika macierzystego skorygowane jednostkowe zużycie paliwa [g/kwh] nominalna elektryczna moc wyjściowa nominalny pobór mocy P ME η PTI sprawność moc η GEN sprawność moc P SHA- FTlim ograniczona moc napędu na wale ograniczona moc, jeśli ją ograniczono kartoteka techniczna NO x silnika macierzystego kartoteka weryfikacyjna Źródło: [2,5,6,14,15] Przedstawione parametry są niezbędne dla weryfikacji po oddaniu statku do eksploatacji podczas prób w morzu. Przyjmuje się minimum dwa etapy: Wstępna weryfikacja; Końcowa weryfikacja. Określono dokumenty [5,14] jakie należy przedstawić na poszczególnych etapach weryfikacji. Weryfikacje kończy wydanie Międzynarodowego Certyfikatu Efektywności Energetycznej IECC. Wytyczne korekty po uwzględnieniu innowacyjnych technologii zapewniających efektywność energetyczną statku Innowacyjne technologie zapewniające efektywność energetyczną statku podzielono na trzy kategorie oznaczane jako A, B, C. Kategorie B i C mają po dwie podkategorie B1, B2 i C1, C2 [16]. Do kategorii A zalicza się technologie, dzięki którym maleje pobór mocy przy zachowaniu prędkości statku lub przy zachowaniu mocy uzyskuje się wzrost prędkości statku. Są to technologie związane ze zmniejszeniem oporów kadłuba, steru, pędników itp. Do kategorii B1 zalicza się technologie zmniejszania oporów kadłuba poprzez wtłaczanie powietrza od warstwy pomiędzy kadłub a wodę. Do B2 zwiększenie prędkości statku poprzez stosowanie wspomagania wiatru (żagle, latawce, pędniki rotorowe). Do kategorii C1 zalicza się technologie odzyskiwania ciepła odpadowego z urządzeń energetycznych siłowni. Do C2 wytwarzanie prądu ze źródeł fotowoltaicznych. Badania modelowe mogą w tym wypadku być niewystarczające do prawidłowego wyznaczenia. Z przedstawionych powyżej rozważań wynika, że określenie projektowego wskaźnika efektywności energetycznej statku jest dość skomplikowane, ale dla doświadczonego inspektora nie powinno stanowić to problemu. Ułatwieniem mają być podawane przykłady obliczeniowe wybranych konstrukcji statku [8,9,14]. Można domniemywać, że nastąpi dalsza modyfikacja wytycznych obliczania tego wskaźnika. Prawdopodobna tendencja do zmiany linii odniesienia, wymaga w fazie projektu osiągnięcia ww. wskaźnika poniżej tej linii. Wymaga to zastosowania droższych, bardziej skomplikowanych technologii, co zwiększy koszty inwestycyjne. Niektóre z nich m.in. innowacyjne technologie zapewniające efektywność energetyczną statku są jeszcze niedopracowane, stosowane sporadycznie i dla wielu konstrukcji statku będą nieprzydatne. Np. wykorzystanie żagli lub latawców jest możliwe jedynie na niektórych trasach, przy sprzyjających kierunkach wiatru. Zmiana linii pływania może spowodować, że ta technologia nie będzie mogła być stosowana. Niemożliwe będzie jej stosowanie podczas manewrów, na torach podejściowych, blisko lądu itp. Otwartym problemem pozostanie sposób eksploatacji statku i jego urządzeń energetycznych, aby wszystkie zastosowane technologie były w pełni wykorzystane. Logistyka 6/2014 709
Operacyjny wskaźnik efektywności energetycznej statku (EEOI) Operacyjny wskaźnik efektywności energetycznej statku (EEOI) wyznacza się podczas eksploatacji statku po każdej zakończonej podróży. Celem działań jest wykazanie efektywnego wykorzystania statku i jego urządzeń energetycznych w czasie rejsu. Pomocą ma być posiadany Plan Zarządzania Efektywnością Energetyczną Statku SEEMP. Porównując osiągnięty EEOI ze wskaźnikiem można wykazać, że podjęto odpowiednie działania, które pozwoliły utrzymać wskaźnik EEOI poniżej wymaganego progu określonego linią odniesienia oraz w pobliżu wskaźnika określonego [1,12]. Na wartość wskaźnika EEOI ma wpływ wiele czynników, często niezależnych od załogi i armatora. Jest to m.in. wykorzystanie zdolności przewozowej statku. Wpływ na to mają uwarunkowania zewnętrzne, koniunktura, dostępność towaru itp. Szczególnie zła sytuacja jest kiedy statek przemieszcza się bez ładunku np. po remoncie klasowym i wyjściu ze stoczni. Dla zbiornikowców przewożących surową ropę naftową wyznacza się wskaźnik EEOI dla rejsu okrężnego, aby w podróży pod balastem wskaźnik EEOI nie osiągał wartości nieskończoność (w mianowniku równania na EEOI byłoby zero) [12]. Wnioski Wymagania wprowadzone regulacjami Międzynarodowej Organizacji Morskiej IMO miały za zadanie poprawę procesu projektowania statków i ich znaczących przebudów, pod kątem zmniejszenia emisji dwutlenku węgla CO 2 obliczoną na pokonanie drogi jednej tony ładunku na odległość jednej mili morskiej. Zmiany te wymuszają budowę bardziej wyrafinowanych układów energetycznych statku wraz ze wszystkimi elementami mającymi wpływ na opór statku ogólnie m.in. na warunki współpracy silnik-śrubakadłub [18]. Zamierzenie chwalebne prowadzące m.in. do zmniejszenia sumarycznego zużycia paliwa, ale jak wykazano w referacie jest to proces, który podlega ciągłym modyfikacjom i zmianom. Ogólnie wiadomo jaki jest trend tych działań, ale to IMO decyduje, które współczynniki można wziąć do rozważań i obliczeń, co może mieć znaczący wpływ na wartość wyznaczonego Projektowego Wskaźnika Efektywności Energetycznej statku. Zamiarem było wymuszenie konstrukcji i budowy statków o dużej efektywności energetycznej, a w 710 Logistyka 6/2014 konsekwencji wykorzystanie posiadanych możliwości, do takiego sposobu eksploatacji statku, który pozwala na osiągnięcie niskiego (czyli dobrego!) wskaźnika EEOI. Podstawowymi wadami wprowadzonych regulacji są: zwiększenie kosztów budowy statków, zwiększenie kosztów eksploatacji statku (dodatkowe systemy, które zwiększają efektywność energetyczną wymagają obsługi i w wielu przypadkach energii do ich pracy i kontroli). Komplikacja systemów nie może zmniejszać niezawodności. W rezultacie w wyniku problemów eksploatacyjnych może dochodzić do ich wyłączania, czyli eksploatacji przy zwiększonym wskaźniku EEOI, podobnie jak dla statków, które ich nie posiadają. Streszczenie Podkomitet Ochrony Środowiska Międzynarodowej Organizacji Morskiej (IMO) rozszerzył wymagania załącznika VI konwencji MARPOL nakładając obowiązek posiadania planu zarządzania efektywnością energetyczną statku (SEEMP) z dniem 1 stycznia 2013 roku dla statków z napędem silnikami wysokoprężnymi o masie rejestrowej brutto 400 ton i powyżej, zgodnie z przewodnikiem MEPC.213(63). Celem było określenie wskaźników, które ocenią sposób eksploatacji statku pod kątem emisji dwutlenku węgla na jednostkę efektywności przewozowej statku. Dla nowobudowanych statków, dla których kontrakt podpisano w lub po 1 stycznia 2013 roku lub rozpoczęto budowę w lub po 1 lipca 2013 roku, należy określić wskaźnik projektowy efektywności energetycznej statku (), którego wartość musi być niższa od wskaźnika referencyjnego podawanego dla określonego typu statku zgodnie z MEPC.215(63). Okazało się, że problem jest bardziej złożony, bowiem wpływ na efektywność energetyczną statku ma wiele dodatkowych czynników jak: typ statku, rejon żeglugi, klasa lodowa. Konieczna okazała się modyfikacja tych wskaźników referencyjnych. W referacie podjęto próbę oceny wprowadzonych uregulowań. Abstract Marine Environment Protection Committee of International Maritime Organization (IMO) extended the annex VI of MARPOL Convention imposing the necessary of preparing the Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) from January 1 st, 2013 for vessels of 400 GRT and over, with diesel engines pro-
pulsion according to the Guidance MEPC.213(63). The aim was the determining of indexes estimating the vessel operational mode taking into account carbon dioxide emissions divided by vessel transport capacity. The Energy Efficiency Design Index () applies the vessels responsible for the most emissions and when contract is placed after January 1 st, 2013 or keellaying occurs on or after July 1 st, 2013 and their must be equivalent to or less than a value given in equations of MEPC.215(63). The problem is more complicated, the influence on vessel energy efficiency has many additional factors like: type of vessel, sailing area, ice-class. The modification of reference indexes was the necessity. In the paper the probe of evaluation of introducing regulations is considered. Oxides from Marine Diesel Engines, (NO x Technical Code 2008), IMO, October 2008. 16. Resolution MEPC.214(63) i MEPC.234(65), Guidelines on the methods of calculation of the attained energy efficiency design index () for new ships, Amendments to the, IMO 2012. 17. Ship Energy Efficiency Management Plan, MARSIG mbh, March 2012. 18. http://www.krs.co.kr/kor/dn/new/mepc%2064&6 5_shipyard%20seminar.pdf 19. The how, why and what of SEEMP, Det Norske Veritas AS brochure, 2013. Literatura 1. Elliott B., The Energy Efficiency Operational Index and Voluntary Measures for Improving Energy Efficiency, EMSA, February 2009. 2. Energy Efficiency Design Index () & Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), Circular, Dromon Bureau of Shipping, July 2012. 3. Guidelines for Determination of the Energy Efficiency Design Index, Rules for Classification and Construction, 13 Energy Efficiency, Germanischer Lloyd, Edition 2013. 4. Implementing a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), Guidance for shipowners and operators, Lloyds Register, June 2012 (version 2.0). 5. Guideline MEPC.212(63) Calculation and MEPC.224(64). 6. Guideline MEPC.213(63) SEEMP. 7. Guideline MEPC.214(63) Verification. 8. Guideline MEPC.215(63) Ref Lines. 9. MEPC Circ.681 Calculation. 10. MEPC Circ. 682, Verification. 11. MEPC Circ. 683 SEEMP. 12. MEPC Circ. 684 EEOI. 13. MEPC.1/Circ796 and MEPC.1/Circ.815. 14. Przepisy, Wytyczne dotyczące efektywności energetycznej statków, Polski Rejestr Statków, Publikacja Nr 103/P, 2014. 15. Resolution MEPC.177(58), Amendments to the Technical Code on Control of Emission of Nitrogen Logistyka 6/2014 711