Baterije dolaze u svim oblicima i veličinama, ali najčešći oblici su prizmatični (uglavnom pravokutne prizme) ili cilindrični.

Slika 9. Tipovi i vrste baterija

vrste baterija

Baterijska ćelija skupina je elektroda u jednom spremniku koja pokazuje osnovni napon baterije. Obično je baterijska ćelija napona od 1 do 4 volti.

Baterijski modul grupa je ćelija mehanički pričvršćena jedna na drugu i električki spojene serijski ili paralelno kako bi tvorile baterijski blok paketa baterije.

U električnim vozilima baterijski moduli obično su 10-30V. Paket baterija električnog vozila sastoji se od niza baterijski modula u jednom spremniku koji su spojeni serijski ili paralelno ovisno o željenom kapacitetu i željenom naponu. Baterijski paketi također sadrže elektroniku i sustav protiv pregrijavanja potrebni za normalni rad baterije. Obično električna plovila sadrže 10-40 baterijskih modula i uobičajeno rade na rasponu od 100 do 350V. Baterijski ili akumulatorski sustav može biti jedan baterijski paket ili to može biti više paketa spojenih zajedno kako bi zadovoljili

zahtjevima plovila.

Kad bismo otvorili kućište baterije za električna i hibridna vozila, unutra bismo našli više baterijskih ćelija te vjerojatno nekoliko elektroničkih elemenata. Uočimo razliku između baterije i ćelije. Ćelija je osnovna baterijska jedinica i odlikuje se svojim nazivnim naponom i kapacitetom.

 

Litij-Ionske baterije

U usporedbi s drugim uobičajenim baterijama, litij-ionsku bateriju karakterizira velika gustoća energije, velika gustoća snage, duži životni vijek i prihvatljivija je za okoliš. Automobilističke litij-ionske baterije imaju veliki kapacitet i veliki broj

serijsko-paralelnih kombinacija spajanja članaka, koji su, zajedno s problemima kao što su sigurnost, trajnost, ujednačenost rada i cijena samih baterija veliko ograničenje za široku primjenu litij-ionskih baterija. Litij-ionske baterije moraju raditi u sigurnom i pouzdanom okruženju, što je ograničeno temperaturom i naponom. Prekoračenjem tih ograničenja će dovesti do brzog slabljenja učinkovitosti baterije, pa čak dovesti i do ugrožavanja sigurnosti.

Litij-ionska baterija (Li-Ion) predstavlja veći korak u evoluciji punjivih baterija. Budući da kao osnovnu aktivnu tvar koristi litij, jedan od najlakših metala, ova vrsta baterije odlikuje se vrlo malom masom što je itekako korisna karakteristika kod

električnih i hibridnih plovila.

Litij ionska baterija

 

Jedna od najvećih prednosti joj je vrlo velika gustoća energije, čak dvostruko veća od tipične nikal-metal-hidridne (NiMH) baterije, a odlikuje je i tri puta veći nazivni napon od niklenih baterija (3.6V u odnosu na 1.2V). Velika prednost joj je i u tome što, za razliku od baterija na bazi nikla, Li-Ion baterija ne zahtijeva apsolutno nikakvo

održavanje jer ne pati ni od memorijskog ni od kristalizacijskog efekta. Dakle, moguće ju je puniti bilo kada i nema potrebe za periodičkom pražnjenjem.

Li-Ion baterija je, sama po sebi, izuzetno osjetljiva na prepunjavanje i pretjerano pražnjenje, no za to se, umjesto korisnika, brine elektronika koja je ugrađena u svaku komercijalnu Li-Ion bateriju. Iako nije pogodna za pražnjenje jakom strujom, pokazala se kao izvrsno rješenje za električna i hibridna vozila, mobilne telefone i

ostale električne uređaje.

Olovni akumulatori

Olovni akumulator izumio je i razvio Gaston Planté 1859.g. (francuski fizičar). U to vrijeme to je bila prva punjiva baterija. Danas, u tehnički nešto dotjeranijem obliku taj se akumulator još uvijek najviše upotrebljava.

Olovni akumulator sastoji se od jednog ili više članaka, koji sadrže dvije olovne ploče (elektrode; katodu i anodu), uronjenih u vodom razrijeđenu sumpornu kiselinu (elektrolit) prikladnih koncentracija (najčešće 38%-tna).

Najčešće su u uporabi olovni akumulatori, koji daju napon od 2V po ćeliji. Budući da plovila /vozila  imaju instalaciju za napon 12/24V, stoga se u akumulator ugrađuje šest serijski povezanih ćelija, pa se njihovi naponi zbrajaju. [5]

Olovni akumulator spremnik je energije koji pretvorbom električne energije u kemijsku akumulira tj. pohranjuje određeni dio dovedene mu električne energije.

Proces pretvorbe električne u kemijsku energiju nazivamo punjenje akumulatora. Priključkom trošila na stezaljke akumulatora vrši se obrnuti proces odnosno pretvorba kemijske u električnu energiju. To još nazivamo pražnjenje akumulatora.

Sastoji se od jednog ili više članaka koji sadrže dvije vrste elektroda (katodu i anodu)

koje su uronjene u elektrolit.

Kod olovnih akumulatora obje elektrode obložene su olovnim sulfatom (PbSO4). Prilikom procesa punjenja slijedom složenih elektrokemijskih reakcija s elektrolitom (razrijeđena sumporna kiselina u prikladnoj koncentraciji), na pozitivnoj elektrodi (anodi) olovni sulfat prelazi u olovni dioksid (PbO2), a na negativnoj elektrodi (katodi) stvara se čisto olovo. Istovremeno, povećava se koncentracija sumporne kiseline (H2SO4). Pri procesa pražnjenju se odvija suprotan proces, stvarajući napon na elektrodama visine oko 2V. Proces punjenja i pražnjenja može se prikazati

izrazom:

2PbSO4 + 2H2O <– pražnjenje punjenje –> PbO2 + Pb +2PbSO4

 

AGM akumulatori ​ (absorbed glass mat)​

AGM akumulatori su ​tip ​olovnih akumulator​a​  ​koji se razlikuju od ​standardnih​ olovnih ​jer ​imaju separatore od staklene vune koji u potpunosti upij​aju​​ elektrolit. Tako upijen elektrolit ne može istjecati niti ako kučište akumulatora pukne.
​Predviđen vijek trajanja im je do 10 godina ili 3000 ciklusa paljenja.​
Prednosti AGM akumulatora

  1.     ​rade u  svim položajima
  2.     ​​veća snaga za otprilike 50% u odnosu na standardne akumulatore
  3.     ​sendvić izvedba omogućava povećanje postotka olova u pločama i time povećanje kapaciteta
  4.     nije potrebno nadoljevanje elektrolita
  5.     elektrolit ​se ne može proliti
  6.     ​dobro podnose niske temperature​
  7.     ​samopražnjenje 1-3% kapaciteta mjesečno​
  8.     ​manji električni otpor omogućava brzo punjenje
  9.     ​​povećana otpornost na vibracije​

 

Nikal-Kadmijeve baterije

NiCd baterija predstavlja prvu široko prihvaćenu punjivu bateriju opće namjene. Unatoč tome što nudi nisku gustoću energije, a i kemijski sastav joj je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmij), veliki životni vijek (čak i do 1500 ciklusa) i dobro podnošenje većih struja pražnjenja čini je i danas vrlo pogodnom za određene primjene (kućanski uređaji i alati, prijenosne radio-stanice, medicinska oprema, profesionalne video- kamere).

Nikal-Kadmijske baterije su punjive baterije, ali nakon određenog ciklusa gube snagu i moraju se zbrinuti. Kadmij je teški metal i njegovo odlaganje u prirodi je štetno jer vremenom može doći do podzemnih voda i zatim u cijeli ekosustav u kojem se akumulira.

Nikal-Kadmij baterije se jako često upotrebljavaju u kućanstvima, npr. Za zidne satove, dječje igračke, daljinske upravljače i slično

Natrij-Nikal-Klorid baterije

Na-NiCl2 baterije karakterizira vrlo visoku energetsku gustoću, dugi životni ciklus i može raditi u teškim uvjetima (-40˙C do +60˙C). Za razliku od drugih baterija, baterije na bazi natrija sastoji se od krutog ili krutog i rastaljenog elektrolita s tekućim natrijem koji ima ulogu negativne elektrode.

Glavne prednosti Natrij-Nikal-Klorid baterije su:

– nema potrebe za hlađenjem,

– visoka gustoća energije (328kWh/m3, 142kW/t),

– dugi životni ciklus (2000 ciklusa pri zadržavanju 80% kapaciteta baterije)

– bez održavanja

– nula emisije i visoka recikliranost sirovine.

 

Baterije na bazi Litij-Ionskih polimera

LiPo baterije obično se sastoje od nekoliko istih sekundarnih ćelija spojene paralelno što rezultira povećanjem struje pražnjenja, često su dostupni i u seriji za povećanje ukupnog raspoloživog napona. Ova vrsta baterija razvila se iz Litij-Ionskih baterija. Osnovna razlika je u tome što se litij-sol elektrolit ne drži u organskim otapalima nego

u čvrstim polimernim kompozitima kao što su polietilen oksid i poliakrilonitrit.

Prednost Litij-Ion polimer baterija naspram Li-Ion je u dizajnu (jednostavnost konstrukciji), stoga niži troškovi proizvodnje, prilagodljivost raznim oblicima pakiranja , pouzdanost i robusnost.

Litij-Ion polimerne baterije počele su se pojavljivati na tržištu 1995. godine. U posljednjih nekoliko godina proizvođači su deklarirali ciklus od samo 500 punjenjapražnjenja prije nego što kapacitet padne na 80% (Sanyo), dok druga varijanata LiPoli baterija (tanki film LiPo baterija) može izdržati i do 10000 ciklusa.

KARAKTERISTIČNA SVOJSTVA POJEDINIH TIPOVA BATERIJA

Glavni razlog sporog razvoja električnih automobila je problem skladištenja električne energije te vrijeme punjenja. Do prije desetak godina za skladištenje većih količina el. energije koristile su se u pravilu olovne akumulatorske baterije. Postojale su i druge vrste, najčešće Nikal-Kadmij (NiCd), no bile su znatno skuplje, a nisu nudile puno više.

Poznato je da su olovne baterije velike i teške, a u električnom automobilu, kako bi ispunio glavni zahtjev (domet s jednim punjenjem) ih treba puno ugraditi. U pravilu za skladištenje jednog kWh električne energije potrebno je oko 60 kg baterija. Ako to prevedemo u domet za neko prosječno plovilo, potrebno je oko 14 kg baterija za

jednu prijeđenu milju, dakle za 100 kilometara trebalo bi oko 1400kg baterija, što bi zauzimalo oko 600 litara prostora.


Uz to olovne baterije imaju dosta značajni nedostatak – na niskim temperaturama (već od +10 stupnjeva celzijusa) kapacitet im znatno pada što rezultira drastičnim padom dometa u zimskim uvjetima.

Punjenje u pravilu traje od 6-12 sati ovisno o snazi punjača. Olovne baterije ne podnose brza punjenja (manje od dva sata). Vijek trajanja akumulatorskih baterija izražava se u broju ciklusa (punjenje-pražnjenje). Olovne baterije namijenjene za pogon elektro vozila u pravilu izdrže 500-1000 ciklusa odnosno pet kalendarskih godina. U novije vrijeme na tržištu su se pojavile akumulatorske baterije zasnovane na litiju (Litij je jedan od najlakših metala).

Da bi trajala dovoljno dugo, olovna se baterija smije prazniti samo do polovice svojeg kapaciteta, dok se litij-ionska baterija može bez oštećenja i ubrzanog starenja dokraja isprazniti. Iz tih dviju različitih baterija jednakog nazivnog kapaciteta i jednako napunjenih, ne može se u jednom ciklusu pražnjenja iscrpsti jednaka količina energije. Li-ionska baterija nudi u tom ciklusu znatno više energije.

U pravilu litijske baterije tri puta su lakše i manje od olovnih baterija za isti kapacitet. Neki tipovi podnose brza punjenja i uz upotrebu dovoljno snažnog punjača mogu se napuniti za dvadesetak minuta. Trajnost ovisi o

 5000 ciklusa za Litij-Željezo (LiFePO4) ili deset kalendarskih godina. Iako im je cijena znatno veća od olovnih baterija (3-15 puta) svojom trajnošću i karakteristikama znatno su isplativiji izbor.

Litij-Željezo baterije odlikuje se izrazito malom masom, što je idealan izbor za električna plovila. 30 komada baterija nazivnog napona 3.2V – 60Ah čini ukupno 55kg mase. Usporedimo li približnu količinu energije sa olovnim baterijama one bi težile i preko 200kg. Za LiFePO4 baterije neophodan je nadzor napona prilikom punjenja. U slučaju previsokog napona (više od 3.65V) dolazi do trajnog oštećenja baterijskog članka. Zato se na svaki od članaka ugrađuje modul koji se u slučaju previsokog napona aktivira i održava napon u zadanim okvirima.

Litijeve polimerne baterije su kocipirane na slijedeći naćin: grafitna poluga služi kao anoda, dok je poluga litijevog kobalta katoda, a polimer, nabubren zbog litijevih soli, dopušta prolaz iona te služi kao elektrolit. U ovoj ćeliji ugljik u anodi povratno može prijeći u litij-ugljikovu leguru. Kod pražnjenja, litijevi ioni spontano napuštaju litij kobaltnu katodu i putuju kroz polimer u ugljikovu anodu stvarajući leguru. Upravo je tok pozitivnih litijevih iona električna struja baterije.

Puneći ćeliju, litij prestaje stvarati leguru i putuje natrag na katodu. Prednost ovakvih vrsta baterija je da litij ima visoku negativni standardni redukcijski potencijal.

Također, litij je lak metal pa je zbog toga potrebno manje litija da bi se proizveo 1 mol elektrona. Litijeve baterije imaju široku primjenu u prijenosnim elektronskim uređajima, a u zadnje vrijeme sve više se koristi kao primarni izvor električne energije za solarna, hibridna i električna plovila, ponajviše zbog visoke gustoće skladištenja energije i zbog toga što se mogu puniti. Ova tehnologija sve se više razvija i primjenjuje u automobilima i plovilima, sa novim materijalima kao što su željezni fosfati i litijevi vanadati (vanadijevi minerali).

usporedba performansi baterija

usporedba performansi baterija

0

Sve veće potrebe za energijom, zahtjevi za smanjenje emisije stakleničkih plinova te nestabilne cijene nafte koje imaju dugotrajan trend rasta otvaraju vrata obnovljivim izvorima energije u svim granama industrije. Pomorski promet ovdje nije izuzet te mora biti u korak s novim tehnologijama i zakonodavstvom. U suvremenoj brodogradnji postoji niz inicijativa usmjerenih prema korištenju hibridnih modela energetskih sustava LNG pogona, gorivnih članaka i obnovljivih izvora energije. Uporaba gorivnih članaka u brodogradnji bilježi rast posebno razvojem niskotemperaturnih PEM (eng. Proton Exchange Membrane) gorivnih članaka. Suvremeni gorivni članci koji kao gorivo koriste čisti vodik (dobiven iz prirodnog plina ili obnovljivih izvora energije) predstavljaju perspektivan i moguć ekološki održiv izvor energije. Iako je već i intuitivno jasno da hibridni pogon po ekonomskim kriterijima još dugo neće biti konkurentan klasičnom pogonu dizelskim motorom, ponekad se, kao npr. u zaštićenim prirodnim područjima, nameće kao pogodna alternativa klasičnom rješenju. Za potrebe zaštićenih podrućja predstavljen je idejni projekt hibridnog energetskog sustava malog putničkog broda, kojeg čine dizelski motor, elektromotor,regeneracijski sistem i baterije.

Zbog sve veceg globalnog zagrijavanja uzrokovanog izgaranjem fosilnih goriva, istrazivanja su usmjerena u cilju sto bolje iskoristivosti postojecih motora sa unutrasnjim izgaranjem ali i na koristenje alternativnih goriva .Tehnoloski dizel motori su toplinski strojevi sa najvecim stupnjem iskoristenja .Sa povecanjem stupnja kompresije povećava se faktor iskoristivosti ,ali to ima svoju cijenu u vidu povecane emisije dusikovih oksida .Ukratko zrak je smjesa dvaju plinova :kisika i dusika .Kisik u svojoj molekuli ima jednovalentu vezu (slabu)i zbog toga podrzava gorenje iako sam ne gori ,dok dusik u svojoj molekuli ima trivalentnu vezu(jaku) zbog koje dusik ne reagira ni sa  cime pa tako i ne podrzava gorenje koje je kemijska reakcija .Da bi se ta dusikova trovalentna veza razbila tj da bi dusik reagira sa necim potrebna je temperatura preko 1200°C .Poznato je da temperature plamena u cilindrima opterećenih diesel motora idu do 3000°C .Pri tim temperaturama iz motora izlazi dusikovdidioksid tj N2O2 koji se u atmosferi pod utjecajem suncanih zraka pretvara u prizemni ozon O3  i NOx spojeve. Prizemni ozon poznajemo pod imenom smog sto je izvednica od dvije engleske rijeci: smoke + fog = smog.  Takodjer , jako je mnogo rasprava o količini lebdećih ćestica (particle matters -na engleskom) koje su također produkt izgaranja u diesel motorima . Iako su ispitivanja pokazala da se te čestice stvaraju najviše izgaranjem krutih goriva pa ćak i kod roštiljanja. Postoje razne veličine ,pa PM10 (velicina cestice 10 mikrona )nije opasna jer se filtrira prije dolaska do pluća .Najgore PM 2,5 cestice velicine 2.5 mikrona koje ulaze u pluca i zbog benzopirena mogu uzrokovati rak pluca . No tome vise  jednom drugom prilikom .

Ukratko zbog svega gore navedenog trend je smanjenje upotrebe diesel motora u blizini gradova i naselja ili upotreba alternativnih ekoloskijih goriva .Drugi smjer u kojem se krenulo je razvoj hibridnih pogona ,prvenstveno u cestovnom prometu a sada i u sektoru manjih turističkih plovila trajekata ,jahti i camaca .

Nova generacija brodova su električni pogonjeni i hibridni (engl. Hybrid – vozilo koje se pokreće kombinacijom motora s unutarnjim izgaranjem i drugih izvora energije kao sto su baterije) brodovi koji zahtijevaju skladištenje energije u velike baterije s optimalnom kontrolom potrošnje snage. Tako se značajno smanjuje potrošnja goriva, cijene održavanja i emisija štetnih plinova (CO2 (ugljikov oksid), SOX (sumporov oksid) i NOX (dušikov oksid)). Točnost upravljanja takvim brodovima je poboljšana (vrijeme odziva u kritičnim situacijama), povećana je sigurnost, poboljšana izvedba samoga broda i smanjena buka i vibracija sto se posebno cijeni na putnickim brodovima.

Na velikim putničkim brodovima koristi se Diesel-električna propulzija ,što znači da brod nije pokretan direktno diesel motorom nego posredno elektromotorima .Taj system nazivamo serijskim sistem .Diesel generatori proizvode električnu energiju koja se distribuira do pogonskih elektromotora koji preko pogonskih trasformatora pretvarača frekvencije mijenja broj okretaja elektromotora i time lakšu i jednostavniju manovru. Vidno je da se isti generatori koriste za proizvodnju energije za pogonske elektromotore i za potrebe broda .

U koncepciji broda s potpuno integriranim  elektroenergetskim sustavom, kojeg karakterizira jedna električna centrala s konstantnom frekvencijom i naponom mreže te regulacija broja okretaja propulzijskih elektromotora pomoću statičkih pretvarača frekvencije, sustav električnog prijenosa snage na brodski vijak pretpostavlja četiri stupnja konverzije energije, Slika 2:

bilanca snage propulzijeeketricnim prijenosom

 – mehaničko-električnu konverziju u sinkronim generatorima,

– transformaciju napona u transformatorima,

– regulaciju frekvencije i napona u pretvaračima frekvencije

– električno-mehaničku konverziju u propulzijskim elektromotorima.

U slučaju manjih plovnih objekata, u kojima se zbog male ukupne instalirane snage ne primjenjuje visoki napon, otpada drugi stupanj pretvorbe. Iz bilance snage prikazane na Slici 2 vidljivo je da, usprkos visokom stupnju djelovanja pojedinih elemenata u sustavu električne propulzije, ipak se u električnom prijenosu energije do brodskog vijka sveukupno izgubi 8-12 % snage. U usporedbi s mehaničkim prijenosom snage kod kojega su gubici snage 2-4 %, električni prijenos je s energetskog gledišta lošiji izbor. Prednost električne propulzije je međutim sadržana u mogućnosti povećanja stupnja korisnosti na početku i na kraju propulzijskog lanca . Električna propulzija omogućuje rad pogonskih strojeva u području oko optimalne brzine vrtnje bez obzira na eksploatacijski profil plovila.

Nakon malog upoznavanja sa diesel električnom propulsijom možemo se posvetiti hibridnom pogonu.

Iz već spomenute definicije hibridnog pogona potrebno nam je skladište energije (baterije ),motor sa unutrašnjim izgaranjem i još jednim pogonskim sredstvom kao sto je elektromotor .

Dakle ,kako bi neki hibridni pogon izgledao ? Motor sa unutrašnjim izgaranjem i elektromotor bi trebali biti spojeni paralelno. Otprilike ovako :

PROPULZIJSKI SUSTAV / Propulsion system Moderni hibridni porivni sustavi kombiniraju konvencionalni motor s unutrašnjim izgaranjem s nekom drugom vrstom porivnog uređaja, poput elektro- motora, motora na komprimirani zrak i sl. Na plovilima koje će dio energije proizvoditi uz pomoć regeneracije energije  izabran je elektro-hibridni pogon broda. Ukoliko se radi o brodovima opremljenim jedrima (Flying Clipper, Benneteau Yacht koriste plovidbu na jedra pri kojoj strujanje vode oko broda okreće propeler pri čemo elektromotor prelazi u generatorski mod i puni baterije ,kod plovila koja nisu opremljena jedrima koriste se solarni foto-naponski paneli,detaljnije kasnije ) Dva su tipa brodskih hibridnih porivnih sustava koji koriste električnu energiju: hibridni serijski sustav kod kojega dizel motor pogoni generator koji napaja elektromotor priključen na osovinu propelera (slika 3) i hibridni paralelni sustavi kod kojih su dizel motor i elektromotor spojeni izravno na istu osovinu, a prijenos se ostvaruje linijski ili pojasno (slika 4). Paralelni hibridni sustav održava mehaničku vezu motora i osovine brodskog vijka. Elektromotor pogoni osovinu brodskog vijka paralelno s motorom s unutrašnjim izgaranjem. Razdjelnik snage mehanički dopušta prijenos snage paralelnih veza; zato je moguće pogoniti brodski vijak samo uz pomoć motora s unutrašnjim izgaranjem, uz pomoć elektromotora ili koristeći oba motora pri čemu se fokus opterečenja postavlja na elektromor da bi se smanjila potrošnja fosilnog goriva a time i emisija ispušnih plinova ,ako je zahtjev za snagom veći od raspoložive snage elektromotora ,uključuje se dizel motor u paralelan rad sa elektromotorom i nadopunjava elektromor do trazene snage .

shema hibridnog broskog pogona

Ovisno o kvaliteti izvedbe sustava, u slučaju pogona samo motorom s unutrašnjim izgaranjem, moguće je koristiti elektromotor kao generator električne energije. Zbog izostanka generatora električne energije kao zasebne jedinice, ovaj sustav zauzima najmanje prostora, te je najprikladniji za manje brodove . Pravo tržište elektro-hibridnih pogona brodova još ne postoji, a tek rijetki proizvođači pokušavaju progurati takve sustave na tržište, npr. Electric Marine Propulsion, Hybrid Marine i Steyr Motors.

semantski prikaz paralelnog hibridnog porivnog sustava

Od njih tek Steyr Motors ima upotpunjenu ponudu paralelnog hibridnog sustava. Steyrov Diesel Electro Hybrid(slika 5) sustav je hibridni brodski motor koji može služiti kao elektromotor i generator od 7 kW napajajući se iz akumulatora koji se pune za vrijeme rada motora te kao start dizel motoru. Kod režima gdje su potrebni maksimalni okretajni momenti Hybrid daje motoru dodatnih 100 Nm okretnog momenta već pri minimalnom broju okretaja.

grafika

Slika 5. Shematski prikaz Steyr Hybrid porivnog sustava

Hybrid je smješten na zamašnjaku glavnog pogonskog motora i razvija snagu od 7 kW pri 48 V. Teži 75 kg (bez akumulatora) te dodatno produžuje motor za 75 mm. Postoje 4 vrste rada:

  • elektropokretač – pokretanje dizel motora,
  • generator – punjenje akumulatora tijekom korištenja samo dizel motora,
  • elektromotor za krstarenja – omogućuje plovidbu bez ispušnih plinova i buke (brod plovi pogonjen isključivo elektromotorom),

–elektromotor za dodatnu snagu – glavni pogonski motor biva potpomognut dodatnom snagom elektromotora.

Za izbor motora potrebno je odrediti snagu otpora broda. Da li je riječ o deplasmansko ili polu deplasmanskom plovilu .

Uporaba sustava električnog pogona umjesto sustava unutarnjeg izgaranja za manevriranje u luci, za pristajanje i putovanje niskom brzinom, smanjuje vrijeme korištenja motora s unutarnjim izgaranjem u fazama kada su najmanje učinkoviti. U ovim radnim režimima, postižu se značajne uštede u troškovima goriva i održavanja. Za svaki dizelski motor može se uštedjeti 70 litara goriva po satu, što je ukupno 140 litara na sat. Uzevši u obzir ukupne dodane troškove instalacije električnog pogona (oko 350.000 do 400.000 EUR ovisno o kapacitetu seta baterije) i sezonsku uporabu koja je specifična za krajnjeg korisnika, očekivano je  da će se moći otpisati ovaj dodatni trošak u manje od četiri sezone, a da ćemo istodobno povećati vijek trajanja dizelskih motora produljujući njihove intervale održavanja, ukoliko plovilo ide u charter.

SUSTAV ELEKTRIČNE ENERGIJE  

Najvažniji dio je izvor energije za predviđeni hibridni pogon (veličina broda ). Naglasak je stavljen na što je moguće veću autonomiju s obzirom na upotrebu dizela. Elektromotor mora biti spojen na napon od 48 V istosmjerne struje. Osim korištenja baterije od 48 V, tu vrijednost napona moguće je dobiti serijskim spojem od četiri akumulatora napona 12 V ili šest akumulatora napona 8 V. (veličina baterija ovisi o veličini i  namjeni broda )Ponuda baterija na tržištu dijeli se prema njihovom naponu i kapacitetu koji je dan kao produkt vremena i jakosti električne struje koju baterija može osigurati kroz to vrijeme. Baterije nižeg napona (od 2 do 4 V) mogu imati puno veći kapacitet nego ostale, ali njihova učinkovitost slabi pri korištenju visokih jakosti struja. Prema Peukertovom zakonu dan je izraz kojim se može aproksimirati koliko baterija dugo može davati određenu jakost struje dok se ne isprazni:

formula

gdje je:

t – vrijeme u satima, C – kapacitet baterija u amper-satima, H – broj sati u kojem je testiran kapacitet baterije, k – Peukertova konstanta, za kiselinske baterije iznosi k ≈1,1, I – jakost električne struje u amperima, a I = P / U, gdje je P varijabilna snaga motora koja se kreće do 7kW, a U napon koji je 48 V za izabrani motor.

Kombiniranjem gornja dva izraza dobiva se podatak koliko će dugo brod moći ploviti određenom snagom samo na baterije (uz pretpostavku da se baterije za to vrijeme ne pune). Na tržištu su najviše zastupljene baterije kapaciteta 200 Ah. Graf na slici 10 prikazuje usporedbu trajanja baterija različitih kapaciteta prilikom plovidbe samo na elektro-pogon. Iz grafa je vidljivo da razlika 200 i 240 Ah baterija i nije velika, međutim, 357 Ah 12-voltne baterije imaju gotovo dvostruko veće vrijeme.

karakteristike baterija

Cijena električnog pogona se može još više spustiti u budućnosti. Baterije zauzimaju puno mjesta i još su poprilično skupe, oko 1 Euro po Watt-satu. Naprimjer ugrađeni električni kapacitet 125 kWh, baterije predstavljaju oko polovice troškova pogonskog sustava. Ostatak čine mehanički sustav pogona, dva električna motora i pretvarači frekvencije. Osiguranje sukladnosti s pomorskim propisima je jednostavno. Motori i pretvarači frekvencije su instalirani na suhom doku, vezovi su načinjeni od nehrđajućeg čelika i često su potrebne samo minimalne prilagodbe okolišu, kao što je dodavanje premaza boje.

Regeneracija elektricne energije -Sustavi za punjenje baterija

Sposobnost generiranja energije iz glavnog pokretnog propelera pod jedrom uvijek se borila s problemima učinkovitosti jer su krila  obično konfigurirana za pogon naprijed i jednostavno se ne okreću dovoljno brzo. Jedrilice Beneteau imaju pogonski propeler na azipodu i problem efikasnosti tj nedovoljne brzine vrtnje propelera niske proizvodnje energije je rijesena tako da se azipod zakrene za 180° i krila dobivaju optimalnu iskoristivost. Jednostavno i elegantno  rjesenje.

Kaže se da ovaj pogon osigurava više od 1kW kad jedri na 5-6 čvorova, a prikladan je za monohule do 50ft, multihule do 60ft i za uporabu isključivo kao generator do 100ft.

No ,što ako imamo brod bez jedara ,kako onda obnavljat energiju. U tom slučaju trebamo dovoljno prostora na palubi ili na  kabini za instalaciju solarnih foto-naponskih panela.

Solarni paneli

Fotonaponska ploča ili solarni panel se sastoji od grupe sunčevih članaka (fotonaponski članak), kojih je najčešće oko 36, serijski povezanih, stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Svaki pojedini fotoelektrični članak ima maksimalni izlazni napon od 600 do 700 mV, pa se fotoelektrični članci serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Snaga koju proizvodi jedan fotonaponski članak je relativno mali, pa se u praksi više članaka povezuju u grupu čime se formira fotonaponski članak, a više fotonaponskih članaka čini jedan fotonaponski modul ili solarni panel ili fotonaponsku ploču. Kada se poveže više sunčevih panela dobije se polje fotonaponskih ploča, koji je dio solarne fotonaponske elektrane.

Energija Sunčevog zračenja koja dospije na Zemlju 10 000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u razdoblju od jedne godine. Kada bi se promatralo da na jednom četvornom metru dospije 100 kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150 x 150 km2 da bi se dobila energija jednaka potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001.). Danas se sve više počinje sa primjenom sunčevih fotonaponskih elektrana u industrijske svrhe, čak i u onim državama koje su bogate naftom. Čak je i Vatikan ugradio 2400 – 2700 fotonaponskih ploča na svojim krovovima, pri čemu će spriječiti emisiju CO2 od 210 tona ili potrošnju 70 tona lož ulja za samo dva tjedna potrošnje.

Fotonaponska ploča napravljena je tako da se, kada je osvijetlimo, na njezinim krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se fotonaponska ploča (PN-spoj) osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron – šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Međutim, nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu – elektron se giba prema N – strani, šupljina prema P – strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na odgovarajućim stranama PN – spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima članka. Kada se članak osvijetli, kontakt na P – dijelu postaje pozitivan, a na N – dijelu negativan. Ako su kontakti članka spojeni s vanjskim trošilom, poteći će električna struja. Kada je fotonaponska ploča spojena s vanjskim trošilom i osvijetljena, u ploči će zbog fotonapona nastajati fotostruja, te će vanjskim trošilom teći električna struja, jednaka razlici struje diode i fotostruje.

Iz svega gore navedenog vidimo da foto paneli daju istosmjernu struju ,koja puni baterije. Baterije su spojene u paralelno serijske spojeve da bi im se povecao napon i kapacitet ,istosmjerna struja iz baterija ide na invertor  gdje se pretvara u izmjenicnu i preko pretvaraca frekvencije na pogonski elrktromotor.

Koliko snage je potrebno vašem brodu?

Prvi korak je izrada potrebe za snagom vašeg broda. Sve što treba da uradite je da dodate svu energiju u W/h koji svaki uređaj koristi na vašem brodu, kao što su frižider, svjetla, kompjuteri i drugo. Većina ovih uređaja ima oznaku koja će vam reći koliki su zahtjevi za napajanje u vatima, tako da samo pomnožite ovaj broj sa brojem sati dnevno koliko uređaj zapravo radi. Kada se rade  procjene, zapamtite da će frižider raditi jače na topli i sunčani dan. Jednom kad se dobiju razrađeni energetski zahtjevi dodajte  povećenje od 10% da bi eliminirali potencijalne greske.

Zatim, treba da odlučite koliko će ovaj zahtjev ispunjavati solarni paneli. Da bi to saznali, treba izračunati koliko snage možete realno očekivati od solarnih panela tokom 24 sata i bit sigurni  da su paneli dovoljno snažni da ostvare zahtjeve za napajanje tokom dana, plus da daju dovoljno kapaciteta za punjenje baterije.

Koji solarni panel odabrati?

Ovo pitanje treba prevesti s  – “Koliko prostora imam?” Danas postoji čitav niz solarnih panela koji obuhvaćajuju tri generacije i različite vrste ploča u svakoj generaciji.

Amorfne solarne ploče – prave se nanošenjem silicijuma na podlogu. Ovaj proces je jeftin i omogućava fleksibilne panele koji se postavljaju relativno lako, ali traži velike površine  za stvaranje velike snage. Sve ovo utiče na ukupnu cijenu. Međutim, amorfne ploče su tolerantne na niske nivoe svjetlosti, tako da mogu biti dobar izbor.

Polikristalni solarni paneli – koriste male djelove silicijuma spojenog zajedno, dajući privid kao da su paneli napravljeni od metalnih kristala. Oni se dobro ponašaju na neometanoj sunčevoj svjetlosti, ali mana im je ako je čak i jedna od silikonskih ćelija zatamnjena, ostale pokušavaju da dopune  energiju u tu ćeliju, što dramatično smanjuje ukupnu efikasnost panela. Polikristalni solarni paneli se lako mogu instalirati na krov bilo kog broda.

Monokristalni solarni paneli  – koriste velike pojedinačne komade silicijuma za svaku ćeliju. Oni su generalno najjeftinije rešenje i podrazumjevana toćka za početak kada planirate da instalaciju solarnog sistema. I ovi paneli  se lako postavljaju, mada mogu biti krhki zbog kristala silicijuma. Podjednako su podložni smanjenim radom pod sjenkom kao i polikristalni solarni paneli.

Gde postaviti solarni panel?

Ako montirate mali panel za dopunjavanje baterija na čamcu, kupite jeftinu krutu ploču i pronađite mjesta na brodu gdje možete da je nagnete, kako bi uhvatili sunčeve zrake tokom  dana. Izaberite mjesto koje nema sjena i to bi bilo to.

Ako provodite više vremena na brodu i treba vam najbolje od solarnih panela, monokristalni ili polikristalni solarni paneli daju više snage na istom prostoru od amorfne solarne ploče. Ali sa većom efikasnošću dolazi i do veće osetljivosti na lošije montiranje, pa ukoliko se želi izvući najbolje od solarnih panela, potrebno je sve  učiniti da se  osigura mjesto  koje nije u sjeni, a također i da su nagnuti prema suncu što je više moguće. Iz tog razloga solarni paneli se obični postavljaju na krmi broda.

Najvažnije prednosti korištenja solarnih panela za brodove

Tihi rad – Uz solarni panel na vašem brodu generatori mogu biti eliminirani, ili barem njhova upotreba smanjena na minimum.

Nema pokretnih djelova – Za razliku od vjetroturbina, potrebno je vrlo malo održavanja. Neophodno je samo periodično čišćenje.

Stabilna snaga – Raspoložive jedinice solarnih panela idu od 50 V, 75 V i više. Može se  početi sa malim solarnim sistemom koji je moguće kasnije povećati dodavanjem modula.

Solarni paneli će kontinuirano puniti baterije, čak i kada je brod  privezan. Kontroler punjenja će automatski isključiti napajanje kada su baterije potpuno napunjene.

Solarni paneli za brodove nisu samo ekološki prihvatljivi, već se i smatraju prijeko potrebnim kada se nalazite na otvorenom moru. Takođe su jeftina i jednostavna opcija za plovila koji se kreću na udaljenim obalama ili na neurednim dokovima.

Kod odluke za solarne panele, započnite pripremu tako što ćete uzeti u obzir  prostor koji imate i koji su  energetski zahtjevi.

Nađite lokaciju gdje možete montirati solarne ploče ploče, poželjno na nagibnu montažu. Mnogi vlasnici čamaca žele da ih se ugrade na palubu,i u tom slučaju polufleksibilni kristalni paneli mogu izgledati kao razumni izbor, ali mogu biti i do deset puta skuplju u odnosu na panele koji nisu fleksibilni. Jednom kada se instaliraju čuvajte  panele. Nije lako držati crnu površinu hladnom na suncu, ali se izlazna energija solarnih panela snižava kada se temperatura povećava. Ako ste u mogućnosti osigurajte ventilaciju na zadnjoj strani panela, što će rezultirat povećanjem  od 5 ili 10% izlaznosti energije,
umjesto zraćnog hlađenja postavlja se cijev vode, koja se grije preko panela, sa time dobivamo toplu vodu i hlađenje panela.

TROŠKOVI HIBRIDNOG SUSTAVA / Hybrid system costs

Troškovi u izgradnji ovakvog broda, koji se razlikuju od uobičajenih plovila, odnose se na hibridni propulzijski sustav i sustav solarne energije. Obračun troškova navedenih elemenata prikazan je u tablici 2.

Sustavi sličnih mogućnosti, temeljeni samo na dizel propulziji, jeftiniji su u prvom redu zbog toga što nemaju ugrađen sustav solarne energije dok su cijene samih motora za oko 10% niže.

cijene elemenata hibridnog sustava i solarne energije

ZAKLJUČAK / Conclusion

Koliko god dobro zvučala ideja o korištenju ekološki prihvatljivih izvora energije za pogon plovila, praktične izvedbe takvih sustava okarakterizirane su visokom cijenom i slabim stupnjem iskoristivosti. Zbog slabe iskoristivosti solarnih ćelija, koja se kreće od 10% do 20%, ako izuzmemo ekstremno skupe solarne ćelije korištene u svemirskim pogonima, potrebna je vrlo velika površina solarnih ćelija koja bi izravno davala dostatno snage za plovidbu broda „glisirajućim“ brzinama.

Koncept krstaške jahte s hibridnim pogonom, teoretski može neograničeno koristiti električnu energiju snage oko 3 kW. Primjenom naprednijih solarnih ćelija može se ostvariti povećanje dobivene snage i do četiri puta, a povećanjem omjera kapaciteta i mase baterija do dva puta, pa se hibridne izvedbe porivnog sustava čine vrlo izglednima za širu primjenu u skoroj budućnosti. Korištenjem tradicionalnih goriva mogle bi se postizati veće brzine, dok bi električna energija bila nadopuna snage ili pak korištena kao jedini izvor energije pri malim brzinama plovila, a razvojem i ugradnjom novih građevnih materijala trupa, kao što su nove vrste biokompozitnih materijala, postiglo bi se smanjenje mase broda, pa bi instalirana snaga bila dostatna i za postizanje većih brzina što ide u prilog korištenju elektro-dijela hibridnog poriva. Cijena sustava hibridnog pogona potpomognutog solarnim sustavom za ispitanu vrstu plovila je oko 25% veća od sustava klasične dizel propulzije. S druge strane hibridno-solarni sustavi, osim znatno manjeg utjecaja na zagađenje okoliša i smanjenu potrošnju goriva, imaju i mogućnost autonomne plovidbe korištenjem samo solarne energije za punjenje baterija, što bi mogla biti i presudna značajka za izbor ovog propulzijskog sustava ispred čisto dizelskog pogona.

0

Današnji trend u razvoju pomorstva i tehnologije općenito, a samim time i pritisci od strane brodara  , nagnali su proizvođače velikih brodskih dvotaktnih sporohodnih dizelskih motora da konstrukcijskim modifikacijama omoguće uporabu goriva sve lošije kvalitete. Takva goriva sadržavaju tvari koje u određenim uvjetima mogu postati vrlo korozivne. Danas se, generalno gledajući, za pogon trgovačkih brodova koristi sporohodni dvotaktni dizelski motori u rasponu snaga od 5,000 do 80,000 kW i to na goriva vrlo loše kvalitete. O gorivima i standardima goriva ćemo govoriti drugi put. Izgaranje takvih goriva u cilindrima motora neminovno uzrokuje stvaranje elektrokemijske i kemijske korozije, te trenje i trošenje elemenata cilindara i ispušnih vodova.

Od lubrikanata se očekuje da ispune sve veći broj zahtjeva. Njihova primarna funkcija je razdvajanje kliznih površina (podmazivanje), odvođenje topline i održavanje čistoće komponenti. Sekundarna funkcija lubrikanata je brtvljenje, izolacija, zaštita od korozije, kontrola oksidacije, prevencija pjenjenja, raspršivanje onečišćivača, prijenos energije, ublažavanje udara itd.

Motorna ulja trebaju zadovoljiti sljedeće uvjete:

– viskoznost mora udovoljavati uvjetima rada motora bez obzira na izmjenu temperature u dozvoljenim granicama;

 – moraju biti otporna na isparavanje

– moraju biti otporna prema oksidaciji i starenju;

– moraju imati mogućnost rastapanja čađe i koksa u produktima izgaranja;

– moraju imati zadovoljavajuću mazivost (dobru i trajnu čvrstoću uljnog filma);

 – ne smiju biti korozivna.


Ulja za podmazivanje su vrlo složena smjesa pojedinih aditiva i ”baznog” (osnovnog) ulja. Za svaku pojedinu primjenu postoji i specifična mješavina ulja za podmazivanje. Ova ulja su podijeljena po svojim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Glavna podjela ulja za podmazivanje je po viskoznosti i području primjene. Viskoznost je trenje nastalo pri strujanju fluida zbog različite brzine gibanja njegovih slojeva. Ili pojednostavljeno: otpor tekućine tečenju. Kvaliteta trenja između slojeva tekućine klasificirana je brojem koji se naziva indeks viskoznosti (engl. Viscosity index – VI) Viskoznost je najvažnija pojedinačna fizikalna karakteristika ulja za podmazivanje jer ona ustvari određuje debljinu uljnog filma. Preciznije, indeks viskoznosti (VI) je definiran kao nejedinični broj koji označava učinak promjene temperature na kinematsku viskoznost ulja. Što je indeks viskoznosti ulja veći, manje opada viskozitet kako raste temperatura, te se tako održava deblji uljni film. SAE (society of automotive enginers) je odredilo standarde viskoznosti ulja a VI (viscosity indeks) se definira brojevima od 0 pa do 90 .Uz njega se obično doda indeks W sto označava zimu tj hladnoću.

U razvoju ulja za podmazivanje koristi se termin Tribologija. Taj termin je nastao iz uvjeta koja ulja za podmazivanje moraju zadovoljiti ,a to su:

1.trenje

2.trošenje

3.podmazivanje

Ulja za podmazivanje moraju zadovoljavati sljedeće kriterije :

 

– Mora smanjiti trenje klizanja između prstenova i prstena obloga na najmanju moguću mjeru, čime se minimalizira metal na metal kontaktno i trenje trošenja. To se postiže dodavanjem aditiva ( zincdithiophosphate ili sulphurised alkaline – vidi gornju tablicu) .Ti aditivi imaju nisku frikciju tj smanjuju otpor kretanja klipnih prstenova u cilindru.

Istrošenje  se definira kao oštećenje čvrste površine koja uglavnom uključuje progresivni gubitak materijala i nastaje zbog relativnog gibanja ( trenja)između supstanci te površine i supstanca ili površine koje su u kontaktu .

– Disperzivi i deterdženti i drugi aditivi koji se dodaju u ulje u cilindru jesu aditivi koji se koriste za neutralizaciju smola netopljivih u ulju ,oksidacijskih produkata i nečistoća koje se nalaze rasute u ulju.Svrha ovih disperziva je da spriječe spajanje oksidacijskih produkata u veće molekule a ukoliko dođe do pojave ovih efekata zbog istrošenosti ulja na zidovima se pojave kao lakirane površine preko kojih klipni prstenovi imaju veće trenje . Oni minimiziraju stvaranje mulja.

Ovdje je potrebno objasniti sto je mulj (sludge). Mulj je mekana, crna, želatinasta emulzija vode i nusproizvoda nastalih izgaranjem kod rada na niskim temperaturama motora.

 Lak (varnish ) je tvrdi, tanki sloj oksidiranih uljnih proizvoda koji se zapeče na dijelove tijekom rada na visokim temperaturama. Dakle, mulj je povezan s radom pri niskim temperaturama motora, dok je lak povezan s radom pri visokim temperaturama motora.

Dakle nakon generalnog uvoda o uljima  možemo krenuti na područje ulja za podmazivanje košuljica  cilindara sporohodnih brodskih motora.U prošlosti su se koristila goriva od 4.5% S2 ,a da bi se postotak sumpora danas spustio na 3.5% a uskoro tj 01.01.2020 postotak sumpora pada na 0.5%. Od 2015 u europskoj zajednici (SECA -sulphur emission control area) se koristi 0.1% sumpora ili ultra low sulphur.O gorivima ćemo nekom drugom prilikom.

Podmazivanje motora s križnom glavom vrši se odvojenim sustavom cilindarskog ulja. Normalna potrošnja iznosi od 0,8 do 1,6 g/kWh (Hans -Jensen lubrifikatori). U tijeku podmazivanja cilindara ulje mora udovoljiti ekstremnim uvjetima tlaka i temperature. U slučaju da ulje ima prenisku ili previsoku viskoznost, na površini cilindra se neće formirati zadovoljavajući uljni film. Ulje preniske viskoznosti nije u stanju održati uljni film pošto prebrzo isparava pod utjecajem visokih temperatura, a ulje prevelike viskoznosti ne može se dovoljno brzo širiti ( razmazati ) po površini cilindra da bi stvorilo neprekinuti uljni film. Uvjeti podmazivanja su se pogoršali kad su se počela upotrebljavati teška goriva koja u sebi imaju veći sadržaj sumpora. To je uvjetovalo potrebu za alkalnim uljima. Danas su u upotrebi samo alkalna ulja, a radi se o visokokvalitetnim mineralnim uljima ( čiji je indeks viskoznosti oko 50 ) s dodatkom aditiva koji povećavaju deterdžentna, disperzivna i alkalna svojstva ulja. Što je postotak sumpora u gorivu veći, ulje mora imati veću alkalnu rezervu, kako bi površine cilindra i klipa bile zaštićene od djelovanja kiselina nastalih izgaranjem goriva. Većina današnjih sporohodnih dizelskih motora koristi cilindarska ulja s TBN = 40 do 70 mg KOH / g ( SAE 50 ) u slučaju kada motor koristi teška goriva sa sadržajem sumpora 1 do 3,5 ( max 4,0 ) %. Za slučaj korištenja teških goriva s preko 3,5 % sumpora, koriste se ulja  s TBN većim od 70 mg KOH/g (do 100 mg KOH/g ), SAE preko 50. Ulja SAE 50 s TBN 20 do 25 mg KOH/g koriste se u motorima koji koriste goriva s 0,5 do 1,0 % sumpora. Za podmazivanje motora koja koriste goriva s niskim sadržajem sumpora, ispod 0,5 %, koriste se niskoalkalna ulja s TBN =10 do 15 mg KOH / g, SAE 30 do 40.

Tvornica MAN B&W za svoju zadnju generaciju motora s oznakom Mark 9 preporučuje upotrebu ulja s TBN 100.Razlog :degradacija teških goriva tako da ulje ne samo što treba neutralizirati kiseline nego treba poništiti i ostale štetne nusprodukte izgaranja.

 

Total Base Number – što je to?

 

BN ulja iskazuje svoj potencijal  neutralizacije  kiselih produkata nastalih izgaranjem.

Ti kiseli produkti nastaju zbog sumpora sadržanog u gorivu. BN se često naziva i “alkalnost”. Konkretno, to je količina kiseline – izražena u  ekvivalentnom broja miligrama alkalnog kalijevog hidroksida – za to je potrebno neutralizirati sve alkalne sastojke u jednom gramu uzorka. BN od 70 za tipičan sporohodni motor ulje u cilindru znači da je količina kiselinskog ekvivalenta

potrebno je do 70 miligrama kalijevog hidroksida radi neutralizacije alkalnih aditiva prisutnih u jednom gram ovog ulja.

Ili pojednostavljeno KOH sluzi da neutralizira visak baza tj osnova koje ustvari neutraliziraju kiseline sa svojim lužnatim svojstvima.A time se sprečava kalcifikacija cilindra.

Teško gorivo za brodske motore sadržava sumpor  u različitim količinama, koja se može kretati od 0,3 do 4,5 % mas. Za vrijeme izgaranjem goriva, sumpor se oksidira na SO2 i SO3 . Dio tih sumpornih oksida kombinira se s vodom tijekom izgaranja i tvore sumpornu i sumpornu kiselinu.

Te kiseline su izrazito korozivne za motorne komponente i treba ih neutralizirati kako bi se spriječilo  trošenje.

Za neutraliziranje kiselina potrebne su baze. To znači da u ulju moraju biti prisutne lužnate baze topive u ulju za podmazivanje košuljica koja se nalaze u motorima s unutrašnjim sagorijevanjem.

TBN se mjeri ovim izrazom :mgKOH/gr sample što znaci koliko miligrama Kalijevog hidroksida je potrebno da se neutralizira količina sumporne kiseline mjerena po gramu uzorka.

Npr.Tipično cilindarsko ulje BN70 znači da potrebna količina od 70 mg kalijevog hidroksida da se neutralizira količina alkala sadržana u jednom gramu uzorka.4

Goriva za brodove sadrže razne količine sumpora koji varira od 0.1 pa do 3.5% mase. Za vrijeme izgaranja goriva sumpor oksidira na SO2 i SO3.Dio tih sumpornih oksida reagira s vodom tj vlagom koja dolazi do cilindra ispirnim zrakom.Pri reakciji sumpornih oksida s vodom stvara se izuzetno korozivna sumporna kiselina H2SO4. Da bi se ova količina vlage smanjila na najmanju moguću mjeru instalira se Water mist catcher na ulazu zraka u ispirni kolektor a nakon rashladnika i ispirnog zraka. Naravno da i temperaturu ispirnog zraka treba držat iznad točke humidacije.

Za neutralizaciju kiselina potrebne su baze ili osnove  i zbog toga imamo Totalni Bazni broj ili totalni broj osnova .

Što su osnove ili baze: Baze su osnovni aditivi topivi u ulju. Kalijev hidroksid nije topiv u ulju i treba baze koje će ga povezati sa cesticama ulja. Base se sastoje od osnovnih detergenata koji su organski sapuni, soli zemljanih alkalnih metala kao Kalcij ,barij i magnezij.

Kalcijev i magnezijev sulfonat i kalcijum fenat se  najčešće primjenjuju. Trik je u spajanju alkalnih metala poput kalcijevog karbonata CaCO3 koji nije topiv u ulju za podmazivanje ,s drugim molekulama tako da taj novi spoj omogući CaCO3 da se stopi s uljem i da  bude u stanju neutralizirati kiseline bez stvaranja štetnih nuspojava.

Najkritičnije točke u Diesel motoru za stvaranje taloga tj depozita su kruna i prstenovi klipa.

Svi koji su vadili klipove brodskih dvotaktnih sporohodnih motora zamijetili su žute naslage na klipu koje naravno potiču os sumpora .Bilo je tu i onih crno sivih ,jako tvrdih, teško se ciste .To su naslage kalcijum karbonata (CaCO3  ) ili po hrvatski- krečnjak -kamen. Zbog tih naslaga se na vrhu košuljice ,između cilindra i glave motora ugrađuje PCR-piston cleaning ring. Njegov dijametar je malo veći od promjera košuljice i kod  prolaska klipa prsten ostruže nakupine kalcijum karbonata sa zidova krune klipa .Ukoliko ne bi bilo PCR-a naslage bi toliko narasle da bi strugale tj oštetile košuljicu. Kod četverotaktnih motora se koristi antipolishing ring koji ima potpuno istu funkciju i svrhu kao i PCR kod dvotaktnih motora.

 Na klipu možemo još naći i nakupine čađe i pepela .Čađa je produkt nepotpunog izgaranja goriva ,a pepeo su skup komponenti koje ne mogu dalje oksidirati.

Najopasnija situacija za motor je kad se koristi niskosumporno gorivo u kombinaciji sa cilindričnim uljem visokog TBN. Tada dolazi to takozvane overalkalinity tj viška kalicijevog karbonata koji se taloži na zidovima cilindra tako da umjesto fine glatke površine imamo kretanje klipa po kamenjaru.

Zbog pravilnog doziranja cilindričnog ulja TBO -time before overhaul je značajno porastao a time su se troškovi jako smanjili. Prije su se koristili Hans -Jensen  lubrikatori ,slika ispod


Iako su imali više mogućnosti podešavanja ,za cijeli blok ,pojedinačno ,jednostavno su brizgali previše ulja u cilindre i prsteni i cilindri su se trošili tako da je 8000 radnih sati bio standard izvlačenja klipa.Potrošnja cilindričnog ulja je bila 0.9-1.4 gr/KWH. Naravno da ce se javiti lagani overalkalinity.

Fazno ubrizgavanje

 

MAN je uočio i implementirao filozofiju da nije važno samo koliko nego i kada ubrizgat ulje u cilindar.

Ta tehnologija se zove Fazno ubrizgavanje .

FAZNO PODMAZIVANJE LUBRIFIKATORI Svrha faznog podmazivanja, je da se cilindarsko ulje doda na površinu košuljice u točno određenom trenutku, tj. kada se stap nalazi neposredno prije GMT u hodu prema GMT ,kad je prvi kompresioni prsten u ravnini sa lubrikatorskim diznama. Fazno podmazivanje se u praksi provodi pomoću lubrikatora (klipne pumpice) koji su mehanički pogonjeni od strane motora, a sinkronizirani su s radom motora. Količina ulja koja se ubrizgava na košuljice motora se može regulirati ručno ili automatski. Cilindarsko ulje se ubrizgava preko nepovratnog ventila, a ravnomjerno nanošenje na površinu košuljice osigurava se distribucijskim kanalima na košuljici i stapnim prstenima. Alfa podmazivanje je elektrohidraulički sustav podmazivanja koji dozira količinu cilindarskog ulja pomoću lubrikatora koji je elektronički pokretan i koji je sinkroniziran s radom motora. Bazira se na ubrizgavanju ulja u točno određenom trenutku pomoću moderne opreme čija se filozofija rada bazira na činjenici da se s poboljšanom kontrolom momenta ubrizgavanja ulja dolazi do uštede potrošnje cilindarskog ulja. Trenutak ubrizgavanja se bazira na signalu koji signalizira položaj koljenastog vratila. Tlak ulja kod elektronski upravljanog znatno je veći od tlaka ulja kod mehanički pokretanog lubrifikatora. To je u komparaciji dvaju sustava također prednost elektronskog upravljanja. Ulje bolje prodire u utor klipnog prstena, učinak podmazivanja je poboljšan. Kod elektronski upravljanog lubrifikatora vrijeme dovođenja ulja znatno je kraće u usporedbi s mehanički pokretanim lubrifikatorom.


Prednosti Alfa lubrikatora, osim što omogućava manju potrošnju cilindarskog ulja, dolaze do izražaja u potpunosti kod MAN ME-C motora jer je cijeli sustav Alfa lubrikatora integriran u visokotlačni elektrohidraulički sustav motora. Integriranost u sustav znači da se upravljanje sustavom Alfa lubrikatora vrši elektronskim upravljačkim sustavom motora (eng. ME ECS) a za aktuaciju Alfa lubrikatora koristi se visokotlačni hidraulički sustav ME-C motora. Moguća je samostalna ugradnja Alfa sustava lubrikatora na konvencionalne motore s tim da je tada potrebna ugradnja pumpne stanice i elektronske upravljačke jedinice.



Upotreba Alpha lubricatora ne samo da je smanjila potrošnju cilindričnog ulja (feed rate 0.60 g/kwh) nego je TBO znatno produžen. Pregledom klipova kroz kolektor ispirnog zraka uočeni su klipovi sa preko 35 000 wh u jako dobrom stanju.

Sulzer ,odnosno Wartsila koristi svoju tehnologiju ,Retro fit pulse system.

Osnovni princip sustava impulsa za podmazivanje je ubrizgavanje točno odmjerenih količina mazivog ulja u cilindru u točno određeno vrijeme pod pritiskom izravno u prstene klipa, odakle je ravnomjerno raspoređen po obodu obloge cilindra.

 

Preporuka u uputstvu za Wärtsilä RTA i RT-flex motore naknadno opremljene Pulse sustavom podmazivanja iznosi 0,8 g / kWh cilindričnog ulja . S tradicionalnom specifičnom potrošnjom ulja od 1,1 – 1,6 g / KWh, to znači da se potrošnja može smanjiti za 30-50% nakon nadogradnje motora s RPLS.


Svojstva cilindarskog ulja sastruganog sa stijenke košuljice odražavaju kemijska svojstva okoline te fizikalno stanje prstena i košuljice, stoga, postoji direktna povezanost između nekih ključnih komponenti sastruganog ulja i stvarnog stanja cilindara. Temeljem podataka iz analize sastruganog ulja, količine doziranog ulja, opterećenja motora i razini trošenja cilindara moguće je sastaviti algoritam podmazivanja. Automatska optimizacija doziranja količine ulja za podmazivanje se mijenja online motrenjem sastava sastruganog ulja iz svakog cilindra, podaci se šalju izravno u glavno računalo (s algoritmom podmazivanja) te se signali šalju prema svakom rasprskaču. Kontrola trošenja stijenke košuljice uzrokovanog korozijom se temelji na kontroli količine dobave.

Funkcija cilindarskog ulja očituje se u sljedećem :

  1. Omogućuje hidrodinamično podmazivanje, tj. osigurava odvajanje radnih površina cilindarske košuljice i stapnih prstena. Količina cilindarskog ulja koja je potrebna da se stvori uljni fi lm uglavnom je neovisna o kvaliteti goriva trenutno u uporabi, a dostatna količina ulja za podmazivanje što je propisuje proizvođač utvrđuje se pregledom radne površine cilindarske košuljice i stapnih prstena kroz ispirne kanale.
  2. Čisti, tj. ispire stapne prstene, njihove kanale i prostor između kanala na stapu. Ispiranje stapnih prstena, kanala i prostora između kanala na stapu od iznimne je važnosti, i prije svega ovisi o svojstvu detergentnosti ulja (deterdžentni aditivi). Sva cilindarska ulja renomiranih proizvođača (Shell, BP, Castrol, Shevron, Total i dr.) danas u uporabi, zadovoljavaju to svojstvo, pa čak i ako je količina ulja za podmazivanje vrlo mala (min 0,6 g/kWh).
  3. Kontrolira elektrokemijsku koroziju, tj. neutralizira sumpornu kiselinu H2SO4. U procesu izgaranja stvara se agresivna sumporna kiselina i količina joj ovisi o količini sumpora u gorivu. Stoga je potrebno odabrati cilindarska ulja koja se mogu nositi s ovim problemom. Poradi postizanja dobrih radnih svojstava svih elemenata u cilindru motora potrebno je osigurati i neprekinutost uljnog filma, pa se u tu svrhu moraju zadovoljiti sljedeći uvjeti: – vrijeme ubrizgavanja cilindarskog ulja mora biti pravovremeno, – vrsta i bazni broj BN cilindarskog ulja moraju biti u skladu s karakteristikama goriva koje je u uporabi. Preporučuju se cilindarska ulja viskoziteta SAE50 i baznog broja BN70 za već uhodan motor, a poželjna je uporaba cilindarskog ulja s BN80 ako je gorivo s većim sadržajem sumpora. Pri uhodavanju na probnom stolu ili za vrijeme uhodavanja na probnoj vožnji i nakon nje, preporučuju se cilindarska ulja s povećanim svojstvom detergentnosti. Nameće se pitanje kako zadržati dostatnu količinu cilindarskog ulja na površini košuljice cilindra ako stapni prsteni klize po njoj nejednolikom brzinom, pa se ne može osigurati konstantno hidrodinamično podmazivanje, a samim time ni neutralizacija sumporne kiseline po čitavoj površini.

Naime, kako se stapni prsteni približavaju gornjoj ili donjoj mrtvoj točki, zbog promjene smjera gibanja brzina im se smanjuje s maksimalne od oko 9,0 ms-1 na 0 ms-1. Pri malim brzinama gibanja hidrodinamično podmazivanje prelazi u elastohidrodinamičko, pa se stapni prsteni tada, u odnosu prema uljnom fi lmu ponašaju kao strugači, te ga uklanjaju s površine cilindarske košuljice, što znači da se formirana sumporna kiselina ne može neutralizirati jer je nedostatna količina ulja. Potrebno je napomenuti da nije isplativo povećati količinu ulja za podmazivanje kako bi se riješio nastali problem. Rješenje se pronašlo u završnoj obradi površine cilindarske košuljice. Većina strojno obrađenih površina ima površinsku hrapavost raspoređenu približno Gausovom razdiobom. Višestruke su površinske završne obrade puno važnije od jednoprocesnih, gledano s funkcionalne točke gledišta. Završna obrada tipa Plateau honed tipična je dvoprocesna završna obrada jer nastaje primjenom dvaju procesa, klasičnoga ili grubog poravnavanja (Coarse honing) i završnoga ili finog poravnavanja (Plateau honing). Poznato je da se završnom obradom poravnanja površine (Honing) dobiva površinska hrapavost po Gausovoj raspodjeli. Primjenom dvoprocesne površinske obrade, tj. ako se primijeni grubo, a zatim fi no poravnanje, nastat će preklapanje Gausovih razdioba hrapavosti površina jedne preko druge, pa će površina tako obrađene cilindarske košuljice imati karakteristike otporne na trošenje, ali i veliku površinsku nosivost a obradom nastale neravnine služe kao uljni džepovi i sakupljači strugotina.

Srećko Mimica

0

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

0