Влияние различных технологий движения на окружающую среду в судоходстве

Глобальная судоходная отрасль, отвечающая за транспортировку почти 90% мировой торговли, сталкивается с экзистенциальной проблемой: резкое сокращение своего экологического следа при удовлетворении растущего спроса на товары. На сектор приходится почти 3% глобальных выбросов парниковых газов (ПГ), наряду со значительным вкладом в загрязнение воздуха через оксиды серы (SOx), оксиды азота (NOx) и твердые частицы (PM). Поскольку Международная морская организация (IMO) ужесточает правила с ее целями по выбросам ПГ на 2030 и 2050 годы, владельцы и операторы флота изучают сложную матрицу двигательных технологий. Этот анализ обеспечивает критическую, основанную на данных оценку воздействия на окружающую среду различных двигательных технологий, выходя за рамки простых рекламных претензий для изучения реальных компромиссов, жизненных проблем и эксплуатационных последствий для современных флотов.

Экологический императив: подход жизненного цикла

Понимание истинного воздействия на окружающую среду двигательной системы требует перехода от простого учета «от танка до боеголовки» (TtW) к комплексному анализу «от скважины до боеголовки» (WtW) или анализа жизненного цикла (LCA). TtW измеряет только выбросы, производимые при сжигании топлива в двигателе судна. WtW учитывает выбросы, связанные с извлечением, обработкой, транспортировкой и бункеровкой топлива. Это различие имеет решающее значение. Топливо, которое чисто горит в двигателе (хороший TtW), может иметь очень высокий углеродный след вверх по течению (плохой WtW), потенциально ухудшая его для климата в целом, чем тяжелый мазут, который он стремится заменить.

Основные загрязнители и их воздействие

• Диоксид углерода (CO2): Основной ПГ от судоходства. По оценкам 4-го исследования ПГ ИМО, в 2018 году отгрузка выбросила около 1056 миллионов тонн CO2. CO2 имеет длительный срок службы в атмосфере и является основным фактором изменения климата.
• Метан (CH4): Основной компонент СПГ. Когда несгоревшее топливо выходит из двигателя (скольжение метана), оно имеет потенциал глобального потепления (GWP) в 28-34 раза больше, чем CO2 за 100-летний период и более чем в 80 раз более мощный за 20-летний период.
• Нитрозный оксид (N2O): Мощный ПГ с ПГП примерно в 300 раз больше, чем у CO2. Это потенциальный побочный продукт сгорания аммиака.
• Оксиды серы (SOx): Образуется из содержания серы в масел. SOx вызывает кислотные дожди, респираторные заболевания у людей, и наносит ущерб экосистемам. Правила ИМО резко сократили глобальный потолок серы до 0,5%, с зонами контроля выбросов (ECA) на 0,1%.
• Нитрогенные оксиды (NOx): Способствует озону (смогу), кислотным дождям и эвтрофикации прибрежных вод. Стандарты IMO Tier III требуют значительного сокращения выбросов NOx в ЭКА, обычно достигаемого посредством систем рециркуляции выхлопных газов (EGR) или селективного каталитического восстановления (SCR).
• Частицы твердой сажи (PM): Мелкие частицы сажи, связанные с сердечно-сосудистыми и респираторными заболеваниями. Черный углерод, компонент ТЧ, особенно беспокоит в Арктике, поскольку он поглощает солнечное излучение и ускоряет таяние льда.

Обычные двигательные системы и их экологические последствия

Существующий глобальный флот в подавляющем большинстве зависит от ископаемого топлива, и экологические характеристики этих систем сильно различаются в зависимости от качества топлива, типа двигателя и наличия систем последующей обработки выхлопных газов.

Тяжёлое топливо (HFO) и очень низкое содержание серы (VLSFO)

HFO остается самым углеродоемким обычным топливом. В то время как глобальный колпачок серы подтолкнул многих операторов к VLSFO или морскому газойлю (MGO), эти виды топлива по-прежнему производят значительные выбросы CO2, NOx и ТЧ. Углеродный след извлечения и переработки HFO также высок. Для оператора флота ключевое экологическое решение здесь часто заключается в использовании HFO с системой очистки выхлопных газов (скруббер) или переходе на совместимое дистиллятное топливо, такое как MGO. В то время как скрубберы резко сокращают SOx и некоторые ТЧ, их часто критикуют за сброс кислой промывной воды в море (скрубберы с открытым контуром) и за то, что они не сокращают выбросы CO2 или NOx.

Оригинальное название: The Deeper Look

Группы по защите окружающей среды и некоторые регулирующие органы (включая отдельные порты, такие как Сингапур, Фуджейра и несколько в Китае и Европе) выразили обеспокоенность по поводу экологической справедливости скрубберов с открытым контуром. Эффективно перенося загрязняющие вещества из воздуха в океан, скрубберы могут влиять на местную морскую жизнь, особенно в закрытых портах и экологически чувствительных районах. Скрубберы с замкнутым контуром содержат промывную воду для утилизации на берегу, но их сброс по-прежнему вызывает значительную озабоченность. Долгосрочная нормативная жизнеспособность скрубберов неопределенна, что делает их рискованными инвестициями для флотов, планирующих будущее с нулевым выбросом углерода 2050 года.

Переходное топливо: снижение выбросов в ближайшей перспективе

По мере того, как регуляторы настаивают на немедленном сокращении, особенно в NOx и SOx, появился класс «переходных видов топлива», которые предлагают значительное улучшение качества воздуха на местах и умеренное снижение выбросов парниковых газов по сравнению с HFO, что делает их популярным выбором для новых судов и модернизаций двигателей.

Сжиженный природный газ (СПГ)

СПГ широко приветствовался как «чистое» морское топливо, и для местного качества воздуха преимущества значительны. Он практически устраняет выбросы SOx, снижает NOx до 85% и сокращает ТЧ более чем на 95%. Однако его учетные данные по углероду жизненного цикла находятся под пристальным вниманием.

• Скользящий метан: Ахиллесова пята СПГ. Скольжение метана происходит во время сгорания двигателя (особенно в двигателях с двойным топливом низкой нагрузки и высокого давления) и во время обработки топлива и бункеровки.Исследования Международного совета по чистым перевозкам (ICCT) обнаружили, что скольжение метана может достигать 3-7% в некоторых типах двигателей, полностью отрицая преимущества использования CO2 природного газа над HFO в течение 20-летнего горизонта GWP.
• Инфраструктура: Инфраструктура бункеровки СПГ растет, но по-прежнему сосредоточена в крупных портах Европы, Северной Америки и Азии.Криогенное хранение и специализированное бункеровочное оборудование представляют собой значительные инвестиции CAPEX для владельцев флота.
• Риск сцепленных активов: По мере того, как к 2050 году цели ИМО ужесточаются до нуля выбросов, СПГ все чаще рассматривается как топливо для мостов, а не место назначения. Суда, построенные сегодня, которые полагаются исключительно на СПГ, могут столкнуться с устареванием или значительными дополнительными расходами до конца срока их эксплуатации.

• Экологические характеристики: Метанол горит чисто, не производя SOx, очень низкий ТЧ и значительно меньше NOx, чем HFO. Выбросы CO2 примерно на 10-15% ниже, чем HFO для серого метанола, но e-метанол предлагает потенциал для углерод-нейтральных или даже углерод-отрицательных операций на основе жизненного цикла.
• Операционные преимущества:] В отличие от СПГ, метанол является жидкостью при температуре и давлении окружающей среды. Для его работы требуются специализированные резервуары (обычно нержавеющая сталь, чтобы избежать коррозии) и системы обработки топлива, но не требуется дорогостоящее криогенное оборудование или представляют собой те же риски отката и метанового скольжения.
• Плотность энергии: Метанол имеет примерно половину плотности энергии HFO по объему. Это означает, что судам нужны большие топливные баки для достижения того же диапазона, что может снизить грузоподъемность. Перспективы перехода на энергию DNV выделяет метанол в качестве ведущего кандидата для сегментов, где аккумуляторы и СПГ не жизнеспособны.

Технологии нулевых выбросов для устойчивого будущего

Для полной декарбонизации судоходной отрасли к 2050 году необходимы двигательные установки с нулевым уровнем выбросов, работающие на зеленом топливе. Основными претендентами являются батареи, водород и аммиак.

Электрическая батарея и гибридное движение

Аккумуляторно-электрическая силовая установка обеспечивает максимальную эффективность (более 90%) и нулевые выбросы в точке использования. Она идеально подходит для морских перевозок, паромов, буксиров и портовых судов с предсказуемыми маршрутами и частыми возможностями для зарядки на берегу.

• Воздействие на окружающую среду: Выбросы в течение жизненного цикла аккумуляторного электрического судна сильно зависят от сетевой смеси, используемой для зарядки. Зарядка на угольной сети переносит выбросы из выхлопной трубы на электростанцию с относительно низким чистым приростом. Зарядка на возобновляемой тяжелой сети предлагает реальные операции с нулевым уровнем выбросов.
• Ограничения:] Основное ограничение — плотность энергии. Литий-ионные батареи обеспечивают примерно 0,9 МДж/кг по сравнению с 40 МДж/кг HFO. Это делает батареи совершенно непрактичными для глубоководных, дальнемагистральных перевозок с использованием современных технологий. Вес, пространство и стоимость аккумуляторного банка, необходимого для питания контейнеровоза Panamax через Тихий океан, были бы непомерными.
• Гибридные системы: Многие новые суда внедряют гибридные системы, которые сочетают батареи с обычными двигателями или водородными топливными элементами. Это позволяет осуществлять маневрирование с нулевым уровнем выбросов в порту, пиковое бритьё и оптимизированную загрузку двигателя, снижая общий расход топлива и техническое обслуживание.

Водородные топливные элементы и горение

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. При использовании в топливном элементе он сочетается с кислородом для производства электричества, с водяным паром в качестве единственного выхлопа. Его также можно сжигать в модифицированном двигателе внутреннего сгорания.

• Топливные элементы против сжигания: Топливные элементы более эффективны (50-60%), чем двигатели сгорания водорода (~40%), но в настоящее время намного дороже и менее надежны для морской среды. Топливные элементы Proton Exchange Membrane (PEM) предлагают высокую плотность мощности, но требуют очень чистого водорода. Твердооксидные топливные элементы (SOFC) более толерантны и могут работать на других видах топлива, таких как аммиак или СПГ.
• Проблемы хранения: Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии. Для его хранения требуется либо сжатие высокого давления (CGH2) на уровне 350-700 бар в тяжелых, дорогих резервуарах, либо сжижение (LH2) до -253 °C, что требует значительной энергии (30-40% от содержания водорода в энергии) и приводит к неизбежному откиплению (1-3% в день).
• Зеленый водород:] Чтобы водород был настоящим топливом с нулевым уровнем выбросов, его необходимо производить с помощью электролиза с использованием возобновляемой электроэнергии. В настоящее время более 95% водорода является «серым», производимым из природного газа со значительными выбросами CO2.

Аммиак как топливо для моря

Аммиак (NH3) стал ведущим кандидатом на первичное топливо с нулевым выбросом углерода глубоководного флота. Он может быть получен из водорода и азота, действуя как носитель водорода с более высокой объемной плотностью энергии, чем сжатый или жидкий водород.

• Нулевой углеродный потенциал: При производстве с использованием зеленого водорода (зеленого аммиака) он не содержит углерода.Сжигание или использование в топливном элементе приводит к образованию азота и водяного пара в качестве основных компонентов выхлопных газов.
• Проблема токсичности:] Аммиак является чрезвычайно токсичным для морской жизни и человека. Крупный разлив может быть катастрофическим. Обработка, бункеровка и системы удержания должны соответствовать чрезвычайно высоким стандартам безопасности, что добавит значительную сложность CAPEX и эксплуатации. Обучение экипажа и прием портов являются основными препятствиями.
• Эксплуатационные выбросы: Сжигание аммиака в двигателе представляет два значительных экологических риска. Во-первых, неполное сжигание может привести к «скольжению аммиака» (несгоревший NH3). Во-вторых, процесс сгорания неизбежно образует оксиды азота (NOx) и, что критически важно, закись азота (N2O). N2O является мощным ПГП ~298 . Управление скольжением N2O и аммиака требует очень сложных систем последующей обработки (таких как SCR) и настройка двигателя, добавляя стоимость и сложность.

Ветровое усилие (WASP)

Хотя ветровые технологии не являются основной двигательной установкой для большинства глубоководных судов, они предлагают проверенный метод снижения расхода топлива и выбросов на 5-30% в зависимости от технологии, типа судна и торгового пути.

• Роторные паруса (Flettner Rotors): Высокие, вращающиеся цилиндры, которые используют эффект Магнуса для генерации тяги. Они относительно компактны, требуют минимальной модификации палубы и могут быть модернизированы на танкерах, балкерах и судах Ro-Ro.
• Тяжелые паруса и крылья: Автономные, жесткие паруса, которые могут быть прикреплены к палубе и настроены для захвата оптимального ветра.Концепция Oceanbird и Mitsubishi Wind Challenger являются ведущими примерами.
• Кайты: Крупные, управляемые компьютером воздушные змеи, которые летают впереди судна, тянут его через воду. Они лучше всего подходят для судов на последовательных торговых ветровых маршрутах.
• Воздействие на устойчивость: Системы WASP предлагают прямое сокращение сжигания топлива (и, следовательно, CO2, SOx, NOx и PM), не требуя переключения топлива.

Сравнительный анализ: взвешивание вариантов для лиц, принимающих решения на флоте

Выбор правильной двигательной технологии для флота требует многомерного анализа, который выходит за рамки только заголовка «нулевой выброс». Следующие факторы должны быть сбалансированы с эксплуатационным профилем судна.

Примечание: Значения являются общими оценками для глубоководных перевозок и будут значительно варьироваться в зависимости от конкретной конструкции судна, эксплуатационного профиля и пути производства топлива.

Инфраструктура и нормативный блокпост

Переход на двигатель с низким и нулевым уровнем выбросов сталкивается с классической проблемой «курица и яйцо». Производители топлива не решаются строить крупномасштабные экологически чистые объекты по производству топлива без гарантированного спроса со стороны операторов судов. Операторы судов не решаются заказать новые дорогие суда или переоборудовать существующие без надежного снабжения доступным, устойчивым топливом.

Именно здесь важны нормативные рамки, такие как Первоначальная стратегия ИМО по ПГ и региональные инициативы, такие как пакет ЕС «Fit for 55» (который включает в себя систему торговли выбросами ЕС (ETS) для судоходства и морское регулирование FuelEU).

«Зеленые судоходные коридоры» — выделенные маршруты между крупными портами, поддерживающими топливо с нулевым уровнем выбросов и инфраструктуру, — создаются во всем мире (например, Роттердам в Сингапур, Лос-Анджелес в Шанхай, Антверпен в Монреаль). Эти коридоры необходимы для снижения риска ранних инвестиций и создания проектов, которые могут масштабироваться до глобального флота.

Путь вперед: многотопливный, многотехнологический флот

Не существует единой серебряной пули для декарбонизации мирового флота. Оптимальная технологическая смесь двигателей будет значительно варьироваться в зависимости от размера судна, эксплуатационного маршрута, типа груза и допуска к риску владельца.

• Короткоморе и внутренние водные пути: Доминируют аккумуляторно-электрические и гибридные системы.
• Паромы и круизные суда: Вероятно сочетание аккумуляторных электрических, водородных топливных элементов и СПГ (с переходом на био-СПГ или e-СПГ).
• Танкеры глубоководного типа, балкерные перевозчики и контейнерные суда: Этот сегмент требует высокой плотности энергии. Зеленый аммиак и зеленый метанол являются ведущими кандидатами, при этом ветроэнергетика обеспечивает дополнительную экономию топлива в ближайшей перспективе. СПГ, как ожидается, будет значительным переходным топливом, но операторы должны тщательно управлять метановым проскальзыванием и риском застрявших активов.

Не следует также упускать из виду роль цифровизации и операционной эффективности. Инвестирование в маршрутизацию погоды, оптимизацию отделки на основе искусственного интеллекта, упреждающую очистку корпуса и пропеллера и медленную пропаривание могут снизить расход топлива на 10-25% по всем направлениям, независимо от выбранной технологии движения. Эти меры часто являются самыми дешевыми и высокодоходными действиями, которые оператор флота может предпринять сегодня.

Заключение

Воздействие судоходства на окружающую среду в основном связано с технологией движения, на которую оно опирается. Путь от сегодняшнего флота, зависящего от тяжелого топлива, к будущему с нулевым уровнем выбросов сложен и чреват техническими, финансовыми и логистическими препятствиями. Владельцы флота должны ориентироваться в быстро меняющемся нормативном ландшафте, оценивать истинный жизненный цикл углерода и загрязняющих веществ в своих вариантах топлива и инвестировать в гибкие двигатели и инфраструктуру.

Наиболее успешными операторами будут те, кто примет прагматичную стратегию многотопливного производства. Они объединят повышение эффективности работы сегодня с пилотными проектами для завтрашнего топлива с нулевым уровнем выбросов, такого как метанол и аммиак. Понимая конкретные сильные и слабые стороны каждой двигательной технологии - от простого водородного топливного элемента до сложной логистики бункеровки аммиака - лидеры морских перевозок могут сделать обоснованные инвестиции, которые не только соответствуют целевым показателям, но и создают устойчивый, перспективный флот, готовый к экономике 22-го века.