Dnevnik jednog strojara

Brodska propulzija u svrhu globalnog zagrijavanja

Pomorska industrija aktivno sudjeluje u smanjivanju stakleničkih plinova. Kyoto protokol je donesen 11.12.1997 god. kao dodatak na UN konvenciju o promjeni klime i kao sporazum o smanjenju emisije ugljikovih oksida. Sporazum je stupio na snagu 16.02.2005.
Nakon toga se pojavila potreba da se pojačaju napori za smanjivanjem klimatskih promjena i tada je vijeće UN zaduženo za klimatske promjene se sastalo u Parisu 12.12.2015 i sporazumno dogovorili nove mjere zaštite atmosphere.Taj sporazum je nazvan Pariškim sporazumom i stupio je na snagu 04.10.2015
iMO marpool annex 6 koji se bavi zaštitom zagađenja ispusnim plinovima brodskih motora, prvi put implementiran 1997 limitira emisiju glavnih zagađivača u ispusnim plinovima motora kao sto su sumporni i dušični oksidi kao i ispuštanje i korištenje supstanci koje jako oštećuju ozonski omotač.

Marpol annex 6 također regulira incineraciju na brodu, i emisiju VOC (volatile organic compaunds) s tankera implementirajući Vapour return line na operativnom cjevovodu tereta.
Nakon stupanja na snagu Marpol Anex 6, 19.05.2005,Marine environment Protection Committee (MEPC) na svojoj 53 sjednici odlučuje da se postrože limiti emisije ispusnih plinova u svjetlu tehnološkog napretka i nakupljenog iskustva.
Kao rezultat trogodisnje studije, MEPC 58, October 2008 prihvaćen je revidirani annex 6 s pripadajućim
NOX Technical Code 2008 koji stupa na snagu 01.07.2010.Uspostava zona sa ograničenom emisijom plinova (ECA -emission control area) and SECA zone -sulphur emission control area
Revidirani Anex 6 donosi uredbu da se postotak sumpora u teškom gorivu smanji sa postojećih 3.5% NA 0.5% na snagu stupa 01.01.2020. Na 70 MPEC (October 2016)konvenciji potvrđeno je da ce postotak sumpora u gorivu biti 0.5 % od 01.01.2020.

U istraživanju koje je provedeno u europskoj uniji došli su do sljedećih spoznaja
§ Acidifikacija se znatno smanjila između 1990. i 2010. na europskim područjima s osjetljivim ekosustavom koja su bila izložena taloženju kiselina s prekomjernom količinom sumpora i dušika.
§ Eutrofikacija, veliki problem za okoliš uzrokovan unosom viška hranjivih tvari u ekosustav, nije zabilježila sličan napredak. Područja s osjetljivim eko sustavom koja su pod utjecajem prevelikih količina atmosferskog dušika tek su se neznatno smanjila u razdoblju od 1990. do 2010.
§ izloženost visokim koncentracijama ozona uzrokuje štetu na usjevima. Velik broj poljoprivrednih usjeva izložen je razinama ozona koje premašuju dugoročan cilj Europske unije namijenjen zaštiti vegetacije. Ovo se naročito odnosi na značajan dio poljoprivrednih područja, pogotovo u južnom, središnjem i istočnom dijelu Europe.
Kvaliteta zraka u Europi nije uvijek rasla u skladu s općim smanjenjem antropogenih emisija (koje uzrokuju ljudi) onečišćujućih tvari u zraku. Razlozi koji uzrokuju ovo su složeni:
§ ne postoji jasan linearan odnos između smanjenja emisija i koncentracija onečišćujućih tvari u zraku;
§ raste prijenos onečišćujućih tvari u zraku na velike udaljenosti u Europu iz drugih zemalja sjeverne polutke.

Zbog toga je i dalje potrebno ulagati ciljani napor za smanjenje emisija kako bi se i dalje omogućila zaštita ljudskog zdravlja i okoliša u svijetu.
Onečišćenje zraka je problem na lokalnoj, paneuropskoj i globalnoj razini. Onečišćujuće tvari u zraku ispuštene u jednoj zemlji mogu atmosferom dospjeti u druga mjesta, gdje mogu uzrokovati ili doprinijeti lošoj kvaliteti zraka.
Lebdeće čestice, dušični dioksid i prizemni ozon danas se smatraju trima onečišćujućim tvarima koje najviše utječu na ljudsko zdravlje. izloženost tijekom najveće koncentracije i dugotrajna izloženost ovim onečišćujućim tvarima ovise o težini utjecaja, od narušavanja respiratornog sustava do prerane smrti. Oko 90 % stanovnika europskih gradova izloženo je onečišćujućim tvarima u koncentracijama iznad razina kvalitete zraka koje se smatraju štetnima po zdravlje. Na primjer, procjenjuje se da sitne lebdeće čestice (PM2.5) u zraku skraćuju očekivano trajanje života u Europskoj uniji za više od osam mjeseci. Benzo(a)piren je kancerogena onečišćujuća tvar koji izaziva sve veću zabrinutost, čije su koncentracije iznad najniže razine utvrđene u cilju zaštite ljudskog zdravlja u nekoliko gradskih područja, naročito u srednjoj i istočnoj Europi.

Nove regulative – izazov za brodogradnju i pogonske strojeve
Ograničenja primjenjiva u ECA-ima za SO x i čestice su od 1. siječnja 2015. smanjena na 0,10%.
Uključuju se i progresivna smanjenja emisija NO x iz brodskih dizel motora instaliranih na brodove, s ograničenjem emisije “Tier ii” za motore instalirane na brodu izgrađenom 1. siječnja 2011. ili kasnije; i strože ograničenje emisije “Tier iii” za motore instalirane na brodu izgrađenom na ili poslije 1. siječnja 2016. koji djeluju u ECA-ima (Sjevernoameričko područje za kontrolu emisija i područje Karipskog mora SAD-a). Pomorski dizelski motori instalirani na brodu izgrađenom 1. siječnja 1990. ili poslije njega, ali prije 1. siječnja 2000. godine moraju se pridržavati ograničenja emisije “Tier i”, ako je odobrena metoda za taj motor.
Revidirani NO x Tehnički kodeks 2008. uključuje novo poglavlje koje se temelji na dogovorenom pristupu regulacije postojećih (prije 2000.) Motora utvrđenih u Prilogu Vi MARPOL-a, odredbe za metodu izravnog mjerenja i nadzora, postupak certifikacije za postojeće motore i ispitne cikluse primjenjuju se na motore Tier ii i Tier iii.
MEPC 66 (travanj 2014.) usvojio je izmjene i dopune Uredbe 13 MARPOL-a Aneksa Vi u vezi s datumom stupanja na snagu NO x Tier iii standarda.
izmjene i dopune predviđaju da se Tier iii NO x standardi primjenjuju na brodski dizelski motor koji je instaliran na brodu konstruiranom 1. siječnja 2016. godine ili poslije njega, a koji djeluje u području Sjeverne Amerike za kontrolu emisija ili u području Karipskog mora SAD-a, označene su za kontrolu emisija NO x.
Pored toga, zahtjevi Tier iii primjenjivat će se na instalirane brodske dizel motore kada se rade u drugim područjima za kontrolu emisije koja bi u budućnosti mogla biti određena za kontrolu Tier iii NO x.

Razina iii primjenjivat će se na brodove izgrađene na ili nakon dana kada je Odbor za zaštitu morskog okoliša usvojio takvo područje za kontrolu emisija ili kasnije datum koji može biti naveden u izmjeni kojom se određuje područje NO x Tier iii za kontrolu emisije.
Nadalje, zahtjevi razine iii ne primjenjuju se na brodski dizelski motor instaliran na brodu konstruiranom prije 1. siječnja 2021. duljine manje od 500 bruto tonaže, duljine 24 m ili veće, koji je posebno dizajniran i koristi se isključivo za rekreacijske svrhe.
Promjene propisa o tvarima koje oštećuju ozonski omotač, isparljivi organski spojevi, spaljivanje brodova, prihvatni uređaji i kvaliteta loživog ulja također su izrađeni uz propise o dostupnosti loživog ulja.
Očekuje se da će revidirane mjere imati značajan blagotvoran utjecaj na atmosferski okoliš i zdravlje ljudi, posebno za one koji žive u lučkim gradovima i obalnim zajednicama.
(izvor iMO-annex 6 )

Zadnjih nekoliko godina pomorska industrija prolazi kroz dinamičan period implementacije novih pravila kojima se da bi se preživjelo na tržištu treba prilagoditi.
Vidljivo je nekoliko trendova :
1. konverzija postojećih sporohodnih motora na alternativna goriva
(HFO-LPG. HFO -LNG,methanol,DME,….)
2. DF motori koji opet mogu raditi u Diesel or Otto principu
3. Nadogradnja postojećih Tierii motora na Tier iii standard.
4. Ugradnja scrubbera,EGR systema (exhaust gas recirculation) SCR (selective catalytic reactor)

Gore navedene su najčešćce metode. Postoje i alternativne metode kao sto su saturacija ispirnog zraka, fuel moisturing method i slične ali kao sto je već rečeno govorimo o alternativnim metodama.
Sigurno je da ce Sulphur cap 01.01.2020 donijeti povećanje operativnih troškova na bilo koji način.
Gorivo od 0.5% sumpora će očekivano biti skuplje od goriva sa 3.5% sumpora. Da bi se moglo koristiti “staro” gorivo potrebno je ugraditi scrubber(EGCS-exhaust gas cleaning system) sto također može biti veliki problem kod modifikacije starijih brodova zbog nedostatka prostora. Jeftinija verzija je ugradnja otvorenog scrubera kod kojih se dovodi morska voda koja je prirodno alkalna, na sapnicu i ubrizgava u scruber. ispusni plinovi prolaze kroz vodenu zavjesu SO2 i čađa se vezu za vodu i preko dna scrubbera ispuštaju u more. Na ovaj način problem se prebacuje sa zraka (atmosphere) na more.
Drugi tip EGCS (exhaust gas cleaning system) je zatvorenog tipa i kao takav traži dodatne uređaje koji opet poskupljuju izvedbu.Dodatni tank lužine (soda caustrika),dodatni rashladnik vode, pročistačc vode i slično.Kako to implementirati u ionako pretrpanu strojarnicu.

Naravno da je pražnjenje tj ispuštanje te vode zabranjeno u mnogim svjetskim lukama uključujući dijelove Kine, zapadna Europa, Belgija…..

Kod novogradnji su scruberi (EGCS-exhaust gas cleaning system) već uključeni u dizajn broda
EGCS se primjenjuje samo za vrijeme plovidbe kroz SECA ili ECA zone.Svaki EGCS ima bay-pass ventil za plovidbu izvan specijalnih zona.

Tier iii treba smanjiti emisiju ispusnih plinova i to bi značilo da nema sumpora, čađe i NOx. Sumpor se jednostavno uklanja korištenjem niskosumpornog goriva ili gas oila (Diesel), PM (particle matters -cadja) je osnovni product brzog izgaranja u Diesel motoru i neizbježna je u sadržaju ispusnih plinova motora. Prepoznaje se kao gusti crni dim i jako je štetna za zdravlje jer uzrokuje rak. čađe se možemo riješiti scruberima. Čađa kao takva još ima sposobnost gorenja na temperaturama od 400-600 ⁰C tako da se na manjim plovilima(nekim jahtama) koristi dodatni grijač u ispusnoj cijevi za dogorijevanječađe u neopasnu prašinu.
Eliminacija tj smanjenje NOX na Tier iii vrijednost 3.4 gr/kwh trenutno predstavlja najveći problem.
Atmosfera oko nas je sastavljena od mješavine 78% N2, 21% O2 i 1 % ostalih plinova u kojem se nalazi i CO2 u 0.0388 %.
Molekula Dušika ima trovalentnu tj jako čvrstu vezu između atoma u molekuli.Tako jaka veza ne dozvoljava cijepanje molecule a samim tim i vezivanje tj reakciju dušika s drugim elementima. Zbog takvih svojstava dušik nazivamo i inertnim plinom koji ne podržava gorenje (gorenje je kemijska reakcija ) niti bilo kakve druge reakcije.Da bi se ta trovalentna veza razbila potrebna je temperature od preko 1200⁰C.
Poznato je da diesel motori rade s vrlo visokom temperaturom plamena (zavisno od opterećenja :veće opterećenje, veća temperature, uglavnom temp mogu ici do 3500 ⁰C) u cilindrima i niskom temperaturom ispušnih plinova. Pri tim temperaturama molekula dušika “puca “i vezuje se u N2O2, dušikov dioksid,kao takav u atmosferi djelovanjem sunca i fotosinteze raspada se na dušikov monoksid NO i NO2 (zajedničkim imenom NOx) i O3 prizemni ozon, u narodu poznatiji kao smog.
i da demantiram pogrešnu tvrdnju:nisu sela ljeti svježija zbog manjka asfalta, nego zbog manjka prometa tj NOx ili prizemnog ozona.Dušik je netopiv u vodi i kod duge izloženosti ljudi većim koncentracijama uzrokuje ozbiljne zdravstvene probleme.

Da bi se smanjila količina NOx treba spustiti temperature u cilindrima ali gubimo snagu motora sto nije rješenje. Znatno smanjenje emisije NOx-a se postiglo ugradnjom EGR (exhaust gas recirculation)systema.Kod ovog systema cilindar se puni dijelom ispusnim plinovima sa većim postotkom CO2 koji smanjuje temperature izgaranja i količinu kisika u cilindru.Smanjenjem temp smanjuje se i NOx ali ne dovoljno.Da bi se NOx još smanjio potrebno je ugraditi SCR(selective catalytic reactor) u koji se ubrizgane urea koja je ustvari amonijak NH3. Gore navedeni sistemi se koriste samo za vrijeme plovidbe ECA ili SECA zonama.

Drugi pravci u smjeru smanjenja emisije ispusnih plinova idu u smjeru korištenja “alternativnih goriva”,u prvom redu plinova. Kod korištenja plinova Lng, LPG i slično fascinantno je kako se ideje Herr Otta i Herr Rudolpha isprepleću.
Na kopnu već godinama postoje stacionarni 4T motori na pogon plinom.Ta iskustva su prenesena na brodove, prvo na LNG carrier i cruise ships,i nakon toga krenulo se s modifikacijom ostalih vrsta brodova. Prirodni plin ima specifičnu težinu od 0.56 dok nafta ima 0.85 i vise. Temperatura samozapaljenja metana je oko 450⁰C dok je diesela oko 270 ⁰C. Zbog manje specifične težine plina manja je energetska iskoristivost plina. Na brodu se tekući plin skladišti u tankove c-type u kojima lagano isparava i stvara tlak u tanku od nekih 5 bara. ispareni plin se vodi cijevima do usisnog ventilana motoru gdje se ubrizgava u proctor usisnog ventila. Otvaranjem usisnog ventila smjesa goriva i zraka (benzinski -otto process )se komprimira u cilindru, temperature smjese je ispod temperature samozapaljenja plina ali iznad temp samotaljenja diesela tako da se kad treba upaliti smjesu u cilindar ubrizga malo dizela koji se zapali i zapali smjesu. Količina čađe ovisi o količini ubrizganog dizela dok su sumpor i NOx eliminirani. Kad motor radi samo na naftu radi u dizel ciklusu s common rail sustavom. Količina ubrizganog dizela se kontrolira trajanjem otvorenosti solenoid ventila.

Zbog male energetske iskoristivosti plina da bi motori mogli raditi u plinskom modu opterećenje mora biti minimalno 17% pa sve do 80-85 % kada se iz sigurnosnih razloga prebacuje na diesel.
DF (dual fuel) četverotaktni motori se najcešće upotrebljavaju za diesel električne pogone.nevažno da li je riječ o klasičnoj propelerskoj osovini ili podružnim potisnicima(azipodi)
Gubici kod diesel electrične propulzije iznose od 12-15%,zbog duzine kablova, otpora i slično, naizgled veliki ali pozitivne strane DE propulzije kompenziraju taj nedostatak.
Pozitivno je da motori rade uvijek optimalnom području,sa optimalnom specifičnom potrošnjom goriva, smanjene vibracije,smještaj Diesel generatora ne ovisi o položaju osovinskog voda. Generatori mogu biti smješteni bilo gdje u strojarnici neovisno od položaja osovinskog voda.
Kod sporohodnih dvotaknih motora razvoj se kreće u dva smjera: diesel procesu i otto procesu.

MAN B&W preferira razvoj velikih dvotaktnih DF motora s diesel ciklusom.Dakle MAN B&W je razvio vlastiti Fuel Gas Supply System (FGSS) koji se sastoji od tanka typa c, gas valve traina,water skida sa glikolom za odstranjivanje vlage, grijaćem, opskrbna linija 5-6 bara za generatore i druga linija koja ide na usis Burckhardt 5 stupanjskog kompresora koji postiže konačni tlak ubrizgavanja od 350 bar i 45 °C. . Ubrizgava se istovremeno plin i diesel pri čemu diesel zbog niže temperature samozapaljenja zapali plin. Kod izgaranja plina nema cčađe tj ima je minimalno zbog pilot ubrizgavanja dizela.U normalnoj navigaciji brod troši 85-95 % plina i 5-15% diesela.Cijena kubičnog metra prirodnog plina u ukapljenom stanju je oko 350-400 usd ali u stvarnosti je rijec o mnogo većoj količini jer 1kubicni metar ukapljenog plina je ustvari 600 kubika u plinovitom stanju pod atmosferskim tlakom.Emisija sumpornih oksida je nula, č minimalno ali nažalost zbog dieselskog procesa i visoke temperature plamena u cilindrima emisija NOx je jos uvijek iznad Tier iii norme. Za postići 3,4gr/kwh potrebno je instalirati SCR. Sve ovo poskupljuje instalaciju i održavanje
Većinu postojećih MAN ME motora je moguće konvertirati na plin.
Kroz 2018 godinu većina novih brodova je ugovoreno s MAN B&W ME Gi motorima, dok se ove 2019 godine sve vise brodovlasnika odlučuje na Wartsila WinGD (Winthur Gas and Diesel)

Wartsila WinGD motori su veliki brodski sporohodni DF motori koji rade u benzinskom tj otto procesu.
Kod klip u svom gibanju prema gornjoj mrtvoj točki zatvori ispirne otvore, u tom trenutku se otvaraju GAV (gas admition valves) koji ubrizgavaju prirodni plin u cilindar pod tlakom od 18 bara.Nakon ubrizgavanja plina počinje kompresija smjese plina i zraka (benzinski proces) za paljenje se ubrizgaje mala količina dizela koja zapali smjesu. Ovim procesom izgaranja motori malo izgube na snazi ali zato su povoljniji jer nema vanjskih visokotlačnih kompresora, nema potrebe za ugradnju SCR-a i dodatnih troškova održavanja. Problemi su mogući zbog knockinga koji je ustvari samozapaljenje komprimiranog plina.
Za sve brodove opremljene DF strojevima ubrzano se radi na mrezi LNG bunker stanica. Uskladišteni plin relativno brzo gubi svojstva tj iz uskladištenog plina se počinju izdvajati teze komponente poznate kao Volatile organic compaunds (hlapljivi organski spojevi) cime se gube dobra svojstva uskladištenih plinova.Trebat će se “bunkerat” manje a češće.

Ekološki osviješten sjever Europe koristi pojmove low emission i emission free.Optimizirani trajekti koriste motore s plinskim gorivom, EGCS, dok su emission free plovila na električnu energiju. U Oslu je izgradben Charging dock za dopunjavanje baterija. Postoje i brodovi koji struju za pogon elektromotora dobivaju iz gorivih ćelija koje koriste PEM (proton exchange membrane) tehnologiju.U ćeliju se ulijeva vodik pri čemu nastaje struja, toplih i voda u obliku vodene pare.Vodik se najlakše dobiva elektrolizom vode.
Može se utvrditi da vrijeme dobrih starih diesela sa efikasnost od 50 % još uvijek nije prošlo,pa iako se eksperimentiralo s jedrima, s vodenim jastucima ispod trupa,katamaranskom pristupu dvotrupca, trenutno su dizeli još uvijek nezamjenljivi bez obzira na kojem principu radili: Otto ili Diesel.

Srećko Mimica