Инновации в судостроении: СПГ и современные покрытия меняют морскую отрасль

В последние годы морская индустрия сталкивается с растущими требованиями к устойчивости и экологической безопасности. Одним из ключевых направлений в этом контексте является модернизация судов, что включает в себя переход на более чистые источники топлива, такие как сжиженный природный газ (СПГ). Этот шаг не только способствует снижению выбросов парниковых газов, но и открывает новые горизонты для повышения эффективности работы судов.

▎Новое мышление в проектировании экологичных судов

Среди основных компонентов отработанных газов малооборотных дизельных двигателей судов типа «М» оксиды азота, оксиды серы и диоксид углерода наносят значительный ущерб окружающей среде. Международная морская организация уже установила стандарты ограничения выбросов при проектировании новых судов. Оксиды — это общий термин для всех соединений атомов азота и кислорода, включая оксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂). Когда температура сгорания двигателя достигает более 1920 градусов по Цельсию, в продуктах реакции сгорания образуется оксид азота. В последующих процессах расширения и выпуска около 5% и 1% оксида азота преобразуются в диоксид азота и закись азота. По мере дальнейшего повышения температуры количество оксидов азота увеличивается в геометрической прогрессии. Тяжелая нефть, используемая на судах, содержит серу, которая при сгорании выделяет диоксид серы. После соединения с водяным паром в воздухе она образует жидкую сернистую кислоту и серную кислоту, что серьезно загрязняет атмосферу. Образующиеся кислотные дожди особенно вредны для растений. В связи с этим Международная морская организация установила стандарты выбросов оксидов серы с судов. С 2020 года суда, плавающие в международных водах, должны использовать мазут с содержанием серы менее 0,5%, а коммерческие суда, плавающие в зонах контроля выбросов, с 2015 года должны использовать топливо с содержанием серы менее 0,1%. Углекислый газ является основным компонентом выбросов парниковых газов в результате судоходства и составляет около 96% от общего объема выбросов. Большая часть углекислого газа выбрасывается дизельными двигателями, генераторами и котлами судов. Хотя общий объем выбросов углекислого газа судоходством во всем мире составляет всего около 3% от общего объема выбросов, Международная морская организация с 2013 года требует, чтобы все новые суда водоизмещением более 400 тонн соответствовали «Индексу энергоэффективности конструкции». Этот индекс отражает уровень выбросов углекислого газа на единицу дедвейта судна при узловой скорости. В качестве контрольного ориентира используется 2008 год. Начиная с 2015 года все суда, соответствующие правилам, должны снизить свой индекс энергоэффективности на 10%, а затем еще на 10% в период с 2020 по 2024 год. После 2025 года они должны достичь 30% снижения выбросов углекислого газа. Организация экономического сотрудничества и развития заявила, что усовершенствования в технологии проектирования дизельных двигателей имеют огромный потенциал для экономии топлива — до 30% расхода топлива для морской отрасли. Однако этот метод подходит в основном для новых судов, и для достижения комплексного эффекта потребуется время. Ниже кратко представлены другие меры, которые могут обеспечить экономию энергии и топлива в краткосрочной перспективе, а также сократить выбросы оксидов азота, оксидов серы и диоксида углерода.

▎Система очистки выхлопных газов.

Чтобы соответствовать нормативным требованиям по выбросам серы, некоторые судоходные компании установили на своих судах системы очистки выхлопных газов. Эти системы могут использовать морскую или пресную воду. Если используется морская вода, серная кислота преобразуется в сульфаты, которые затем смываются в море вместе с мельчайшими частицами, извлеченными из выхлопных газов. Однако в портах, заливах, реках или других чувствительных зонах скрубберы работают с использованием переработанной пресной воды и гидроксида натрия для нейтрализации серной кислоты. Полученный шлам представляет собой безвредный сульфат натрия и может быть утилизирован вместе с другими отходами на берегу. В настоящее время системы очистки выхлопных газов способны удалять около 98% оксидов серы и 80% твердых частиц из выхлопных газов.

▎СПГ-топливо

Для эффективного сокращения выбросов суда и генераторы, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), начали заменять машины, работающие на традиционных видах топлива. Выбор сжиженного природного газа в качестве судового топлива требует не только учета цены и доступности, но и значительных модификаций судна. Помимо замены клапанов и трубопроводов на головке блока цилиндров, необходимо также установить систему впрыска топлива с электронным управлением, шкаф для хранения сжиженного природного газа, систему газопроводов, систему инертного газа, систему вентиляции и оборудование безопасности.

В связи с высокими рисками, связанными с данной операцией, все члены экипажа должны пройти соответствующую сертификацию по эксплуатации и обращению с оборудованием. Важно, чтобы каждый член экипажа полностью понимал свои обязанности и меры предосторожности при заправке сжиженным природным газом. Главным преимуществом СПГ является его меньшая экологическая нагрузка. Он позволяет сократить выбросы углекислого газа на 10-20%, выбросы оксидов азота на 90%, а выбросы оксидов серы и твердых частиц на 100%.

▎Современные краски для корпуса

Выбор подходящей краски для корпуса судна может эффективно снизить сопротивление трения, которому подвергается судно во время плавания, что способствует экономии топлива. Однако традиционные краски, предназначенные для предотвращения прикрепления морских организмов к корпусам судов, часто содержат биоциды, такие как трибутилат меди и соединения олова. Эти вещества подавляют рост водорослей и ракообразных, но могут негативно влиять на другие морские организмы, включая моллюсков и креветок. В связи с этим Международная морская организация с 2008 года ввела полный запрет на использование таких биоцидов.

На рынке доступны краски без содержания биоцидов, обладающие гидрогелевым покрытием. Эти краски можно наносить на корпус для снижения волнового сопротивления судна. Они не только уменьшают прилипаемость морских организмов, но и снижают волновое сопротивление, что может привести к экономии топлива на уровне 3–8%. Такие краски подходят для большинства типов судов и различных форм.

▎Система рекуперации отработанного тепла

Система рекуперации отходящего тепла использует тепло, отводимое от выхлопных газов главного двигателя судна, для нагрева воды с целью получения пара, который обеспечивает отопление кают и грузовых трюмов, а также может использоваться для нагрева мазута. Кроме того, цикл Ренкина можно использовать для нагрева воды до состояния пара и последующей подачи его в турбогенераторы для выработки электроэнергии. Такая система рекуперации отработанного тепла может сэкономить от 7 до 14% топлива в зависимости от её конструкции.

Для дальнейшей переработки отходящего тепла с судов и снижения расхода топлива в последние годы был разработан «Органический цикл Ренкина», в котором в качестве рабочей жидкости вместо воды используются органические хладагенты. На судах имеется много отработанного тепла. Например, когда главный двигатель Wärtsilä работает на 85% нагрузки, в дополнение к выхлопу главного двигателя (около 300 градусов Цельсия) есть также охлаждающая вода рубашки цилиндра главного двигателя (около 90 градусов Цельсия), сжатый воздух, охлаждающий пресную воду (около 76 градусов Цельсия), и смазочное масло, охлаждающее пресную воду (около 60 градусов Цельсия). Для эффективного использования этого низкотемпературного отходящего тепла в качестве рабочей жидкости необходимо использовать органический хладагент с низкой температурой кипения.

В целях соблюдения требований по охране окружающей среды данные рабочие жидкости имеют характеристики нулевого разрушения озонового слоя. Органический цикл Ренкина имеет низкие затраты на производство электроэнергии и может быть реализован в среднем за три года. Самое главное, он может эффективно сократить выбросы вредных веществ, таких как углекислый газ.

В целом, модернизация судов и использование современных технологий и материалов не только способствуют повышению эффективности и безопасности плавания, но и помогают снизить негативное воздействие на окружающую среду. Это соответствует современным требованиям устойчивого развития в морской индустрии.