ما هي المعايير التي يجب أن تلتزم بها مولدات الديزل البحرية للسفن؟

مقدمة إلى المرفق السادس من اتفاقية MARPOL التابعة للمنظمة البحرية الدولية ورمز NOx التقني

يفرض المرفق السادس من اتفاقية ماربول التابع للمنظمة البحرية الدولية قيودًا صارمة على مستوى العالم بشأن انبعاثات محركات السفن، مع التركيز بشكل خاص على أكاسيد النيتروجين (NOx) وأكاسيد الكبريت (SOx) والجسيمات الصلبة (PM). تم تطبيق هذا التنظيم لأول مرة في عام 2005، وشهد عدة تحديثات منذ ذلك الحين. تنطبق القواعد أساسًا على المحركات الكبيرة التي تزيد قدرتها عن 130 كيلوواط، مع وجود مستويات مختلفة من المعايير الخاصة بأكاسيد النيتروجين حسب تاريخ تصنيع أو تركيب المحرك. وعندما انخفض الحد الدولي لمحتوى الكبريت بشكل كبير في عام 2020 ليصل إلى 0.50٪ فقط في وقود السفن، لم يكن أمام شركات الشحن سوى الاستثمار الكبير في تقنيات مثل أجهزة تنقية العادم أو التحول الكامل إلى وقود بديل مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG). وقد تسبب هذا التحوّل التنظيمي في تحول هائل في السوق عبر قطاع النقل البحري.

دور المنظمة البحرية الدولية في تنظيم انبعاثات مولدات الديزل البحرية

تعمل المنظمة البحرية الدولية على توحيد قواعد الانبعاثات لجميع الدول الـ175 التي تمثلها. وهذا يعني أن السفن حول العالم تخضع لاختبارات مماثلة، وتُعتمد بطرق مقاربة، وتواجه تطبيقاً متسقاً من حيث لوائح محركات الديزل البحرية. ويتطلب كود المنظمة الفني للانبعاثات (NOx) من الشركات المصنعة إثبات توافق محركاتها مع المعايير من خلال اعتماد الأنواع الذي يأخذ بعين الاعتبار الطريقة التي تعمل بها هذه الآلات فعلياً في الظروف الحقيقية. ويجب على الشركات تقديم معلومات مفصلة عن ما تنفثه محركاتها تحت مختلف الأحمال. وتساعد هذه المتطلبات في تنسيق الجهود مع جهات مثل وكالة حماية البيئة الأمريكية، مما يسهم في تعزيز التعاون السلس بين المعايير العالمية واللوائح المحلية. وعندما تتوازى القواعد الدولية والوطنية بشكل أفضل، يصبح الامتثال أسهل بالنسبة لمشغلي السفن في جميع أنحاء العالم.

كيف تؤثر معايير الانبعاثات على تصميم وتشغيل المولدات الكهربائية البحرية ذات الديزل

تتطلب مولدات الديزل البحرية الحديثة الامتثال لمعايير Tier III الصارمة هذه الأيام، لذلك بدأ المصنعون بإضافة أشياء مثل أنظمة الحد الانتقائي من التحفيز، وغرف احتراق ذات تصميم أفضل، وسيطرة أكثر دقة على حقن الوقود. وقد قلّصت كل هذه التحسينات انبعاثات أكاسيد النيتروجين بشكل كبير، حيث تقل بنسبة حوالي 80 بالمئة عما كانت تنتجه المحركات القديمة وفقًا للبحث الذي أجراه راجو وزملاؤه عام 2021. وكان تغييرًا كبيرًا آخر هو الانتقال إلى استخدام وقود الديزل منخفض الكبريت جدًا كمعيار شائع في جميع أنحاء القطاع. يساعد هذا الوقود الأنظف في خفض انبعاثات المواد الجسيمية بنحو ثلاثة أرباع دون التأثير على موثوقية تشغيل هذه الآلات اليوم بعد يوم في البحار.

نظام تصنيف المستويات: من الامتثال لمستوى Tier 1 إلى مستوى Tier 3

مقارنة بين حدود الانبعاثات لمستويات Tier 1 وTier 2 وTier 3 للمحركات الديزل البحرية

تنقسم محركات الديزل البحرية إلى ثلاث فئات مختلفة وفقًا لانبعاثات أكاسيد النيتروجين الصادرة عن المنظمة البحرية الدولية. تغطي الفئة الأولى المحركات المصنوعة قبل عام 2000، والتي كان يمكنها أن تنبعث منها ما يصل إلى 14.4 جرام لكل كيلوواط ساعة من أكاسيد النيتروجين (NOx). تغير الوضع بعد عام 2011 مع معايير المرحلة الثانية التي خفضت الانبعاثات المسموح بها إلى نحو النصف، أي 7.7 جم/كيلوواط ساعة، وذلك بفضل تقنيات احتراق أفضل. ثم جاءت اللائحة الخاصة بالمرحلة الثالثة التي دخلت حيز التنفيذ منذ عام 2016 في مناطق محددة، ويُطلب من السفن فيها الآن الحد من انبعاثات أكاسيد النيتروجين إلى 2.0 جم/كيلوواط ساعة فقط. وهذا يمثل انخفاضًا مثيرًا للإعجاب بنسبة حوالي 80% مقارنة بما كان مسموحًا به في الأيام الأولى. غالبًا ما تعتمد هذه المحركات الحديثة على أنظمة التخفيض الحفاز الانتقائي أو تقنية إعادة تدوير غاز العادم لتلبية هذه المتطلبات الصارمة. وتشير نظرة على حدود مادة الجسيمات إلى قصة مشابهة، حيث انخفضت من 0.40 جم/كيلوواط ساعة في مرحلة 1 إلى 0.10 جم/كيلوواط ساعة في محركات المرحلة 3.

طبقة	حد NOx (جم/كيلوواط ساعة)	حد PM (جم/كيلوواط ساعة)	مدة التنفيذ
الدرجة الأولى	≤ 14.4	≤ 0.40	2000–2011
المستوى الثاني	≤ 7.7	≤ 0.20	2011–2016
المستوى الثالث	≤ 2.0	≤ 0.10	2016–الحاضر

متطلبات الامتثال للمرحلة الثالثة في مناطق التحكم بالانبعاثات (ECAs)

يجب على السفن التي تعمل في مناطق التحكم بالانبعاثات مثل الساحل الشمالي الأمريكي والبحر البلطيقي الالتزام بمعايير المرحلة الثالثة، والتي تعني خفض انبعاثات أكاسيد النيتروجين بنسبة 80٪ مقارنةً بالمحركات الأقدم من المرحلة الأولى. يتبع معظم مشغلي السفن إحدى طريقتين عند التعامل مع هذا الشرط. يختار البعض تركيب أنظمة الحد المحفز الانتقائي على مولداتهم الحالية، في حين يتحول آخرون إلى هجين يعمل بالغاز الطبيعي المسال. إن لوائح محتوى الكبريت صارمة بنفس القدر في هذه المناطق، حيث تبلغ الحد الأقصى المسموح به 0.10%. وللتقيد بهذه المعايير، فإن السفن إما تحرق وقودًا منخفض الكبريت خصيصًا، أو تستثمر في تقنية غالية الثمن تُعرف باسم أجهزة تنقية العادم التي تنظف غازات العادم قبل خروجها من المدخنة.

دراسة حالة: تنفيذ متطلبات المرحلة الثالثة على السفن العاملة في منطقة التحكم بالانبعاثات في أمريكا الشمالية

في عام 2023، قام باحثون بدراسة 24 سفينة شحن تعمل في منطقة ECA بأمريكا الشمالية ووجدوا أمرًا مثيرًا للاهتمام. عند ترقية محركاتها إلى المعيار Tier 3، انخفضت انبعاثات أكاسيد النيتروجين بنسبة حوالي 92٪ مقارنةً بالطرازات الأقدم من Tier 1. ولكن كان هناك عقبة أمام العديد من مالكي السفن. فقد واجه نحو ثلثهم فواتير إصلاح أكبر بسبب الحاجة لتغيير مرشحات SCR بشكل دوري في هذه الأنظمة الجديدة المتطورة. وتراوحت هذه المصروفات الإضافية بين ثمانية عشر ألف وأربعين ألف دولار أمريكي تقريبًا كل عام. ومع ذلك، كشفت دراسة التقييم التي أجرتها المنظمة البحرية الدولية العام الماضي أن معظم الشركات كانت تلتزم باللوائح، حيث كانت حوالي 89 سفينة من أصل 100 سفينة ممتثلة. أما تلك التي لم تمتثل، فقد واجهت غرامات جسيمة بلغ متوسطها حوالي ثلاثمائة وعشرين ألف دولار أمريكي لكل مخالفة. ولمساعدتهم على إدارة هذه الأنظمة المعقدة بشكل أفضل، يتجه عدد متزايد من الشركات البحرية إلى برامج الصيانة التنبؤية التي تساعد في الحفاظ على عمل أنظمة ما بعد المعالجة بشكل صحيح مع تقليل الأعطال غير المتوقعة أثناء العمليات الحيوية.

تقييم إمكانية تطبيق معايير المرحلة الرابعة على المولدات الديزلية البحرية

اللوائح النهائية للمرحلة الرابعة: أصولها في معايير المحركات البرية

بدأت معايير الانبعاثات للمرحلة الرابعة كمتطلبات للمحركات غير الطرقية البرية، مما دفع الشركات المصنعة إلى تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين والمادة الجسيمية من خلال تقنيات جديدة للعلاج اللاحق. لم تُطبّق المنظمة البحرية الدولية هذه المعايير بعد على السفن، ولكن هناك مناقشات جارية حول تطبيق بعض المفاهيم نفسها على اللوائح البحرية المستقبلية. ومع ذلك، فإن تكييف هذه الحلول البرية مباشرةً للقوارب يشكل تحديات حقيقية بسبب قيود المساحة ومتطلبات هندسية مختلفة في البيئة البحرية.

التحديات التقنية في تكييف متطلبات المرحلة الرابعة للتطبيقات البحرية

تركيب أنظمة تعادل المستوى 4 على مولدات الديزل البحرية ليس أمرًا مباشرًا تمامًا. إن أجزاء ما بعد المعالجة مثل وحدات التخفيض الحفاز الانتقائي (SCR) ومرشحات الجسيمات الديزلية (DPF) تستهلك مساحة أكبر بنسبة تتراوح بين 18 إلى 25 بالمئة مقارنةً بالتكوينات من الفئة 3. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذه المكونات تواجه صعوبات في الحفاظ على المتانة عند تعرضها للظروف القاسية في البيئة البحرية. ويُشير تقرير حديث من سوق محركات الديزل البحرية في أمريكا الشمالية إلى أمر مهم جدًا: إن المياه المالحة تتسلل إلى كل مكان على السفن، كما أن الاهتزازات المستمرة تعمل على تسريع تآكل الأجزاء. وبالنسبة لمحفزات SCR تحديدًا، فإن عمرها المتوقع ينخفض بنسبة تقارب 40% مقارنةً بالمعدات المماثلة المستخدمة على اليابسة. وهذا أمر منطقي نظرًا للضغط الكبير الذي تتعرض له الأنظمة الميكانيكية في البيئات البحرية مع مرور الوقت.

نقاش في القطاع: هل يُمكن تطبيق المستوى 4 عمليًا على أنظمة مولدات الديزل البحرية؟

تُعاني الصناعة البحرية حاليًا من انقسام كبير حول هذه المسألة. وعندما نظرنا في نتائج الاستبيانات التي أجريت على مشغّلي السفن، أشار حوالي 62 بالمئة منهم إلى أن التصاميم الحالية للسفن ببساطة لا تحتوي على مساحة كافية لتوزيع الطاقة اللازم لأنظمة الامتثال من الفئة الرابعة. ويُصرّ المؤيدون لهذه اللوائح التنظيمية على أنها ستساعد فعليًا في دفع عجلة استخدام المحركات الهجينة، لكن العاملين في الخطوط الأمامية يشعرون بالقلق إزاء تكرار الحاجة إلى تنظيف مرشحات الجسيمات الديزلية كل 450 إلى 500 ساعة تشغيل. إن هذا النوع من الصيانة الدورية يعطل جداول العمل بشكل كبير. وهناك أمل أيضًا في خيارات معالجة العادم المعيارية، رغم أن معظم الخبراء يتفقون على ضرورة إجراء ما يتراوح بين عامين إلى ثلاثة أعوام من الاختبارات الفعلية في البحار قبل أن يفكر أحد في تعميم استخدامها على نطاق واسع ضمن الأساطيل.

إطار الشهادات واللوائح التنظيمية للمحركات البحرية ذات الإشعال بالضغط

تصنيف وكالة حماية البيئة الأمريكية للمحركات البحرية ذات الإشعال بالضغط حسب إنتاج الطاقة

تُصنف محركات الإشعال بالضغط البحرية إلى فئات مختلفة بناءً على إنتاجها من القدرة، بحيث يمكن لوكالة حماية البيئة (EPA) تطبيق تدابير تحكم محددة في الانبعاثات. بالنسبة للمحركات التي تنتج أكثر من 37 كيلوواط، توجد قيود أشد على أكاسيد النيتروجين والمادة الجسيمية وفقًا للوائح المعدة الخاصة بالمحركات غير المرخصة. تتطلب المحركات الأكبر حجمًا المستخدمة في عمليات الشحن التجاري اعتماد تقنيات متقدمة نسبيًا فقط للحفاظ على الامتثال لهذه المتطلبات. تصبح أنظمة مثل إعادة تدوير غاز العادم أو أنظمة التخفيض الحفاز الانتقائي إضافات ضرورية للسفن التي ترغب في التشغيل ضمن الحدود القانونية مع إنجاز العمل بكفاءة في البحر.

عملية شهادة المولدات الديزلية البحرية بموجب اللوائح الاتحادية الأمريكية

تتطلب عملية التصديق في الولايات المتحدة إجراء اختبارات شديدة الصعوبة للتطبيقات البحرية، تشمل جميع دورات التشغيل الخاصة التي تتعرض لها القوارب فعليًا في البيئة المائية. وهذا يعني اختبار المحركات تحت أحمال متغيرة ومحاكاة ما يحدث عندما تتعرض لظروف المياه المالحة الحقيقية على مدى الزمن. وفقًا لأحدث القواعد الفيدرالية، يجب على الشركات المصنعة أن تُظهر التزامها بالمعايير في ما لا يقل عن 80 بالمئة من القدرة الإنتاجية التي يدّعي المحرك تقديمها. وهناك أيضًا عدة نقاط تفتيش مهمة خلال هذه العملية. أولًا، الحصول على موافقة تقنيات التحكم في المحركات المختلفة قبل بدء الإنتاج. ثم تأتي مرحلة أخذ التدهور الطبيعي للمكونات بعين الاعتبار، بحيث تظل الانبعاثات ضمن الحدود المسموح بها طوال العمر الافتراضي الكامل للمعدات البالغ 10,000 ساعة. وتضمن هذه العملية بأكملها أن تعمل المحركات المعتمدة بشكل موثوق حتى بعد سنوات من التشغيل المستمر في البيئات القاسية.

مواءمة المتطلبات التنظيمية الوطنية والدولية

تسعى معايير وكالة حماية البيئة من الفئة 4 إلى تقليل انبعاثات أكاسيد النيتروجين بنسبة تقارب 90 في المئة مقارنة بالمعدات الأقدم من الفئة 1. وفي الوقت نفسه، تعمل المنظمة البحرية الدولية بجد على التحكم في انبعاثات أكاسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين من خلال لوائح MARPOL المرفقة 6. وغالبًا ما تأتي مولدات الديزل البحرية اليوم مزودة بخيارات وقود مزدوجة وأنظمة علاج وحداتية يمكنها التعامل مع هذه المتطلبات المختلفة. بالنسبة للشركات التي تصنع محركات تحتاج إلى العمل عالميًا، فإن تحقيق انسجام بين أساليب الاختبار والأهداف الانبعاثية ليس مجرد أمر مفيد، بل أصبح ضروريًا بشكل أساسي لكي تظل تنافسية عبر المناطق المختلفة دون الحاجة لإعادة تصميم منتجاتها من جديد باستمرار.

الأسئلة الشائعة

ما هو الهدف الرئيسي من المرفق السادس من اتفاقية MARPOL؟

الهدف الرئيسي من المرفق السادس من اتفاقية MARPOL هو تقليل تلوث الهواء الناتج عن محركات السفن من خلال التحكم في انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx)، وأكاسيد الكبريت (SOx)، والمادة الجسيمية (PM).

لماذا تُعد معايير الانبعاثات من الدرجة الثالثة مهمة؟

تُعد معايير الانبعاثات من الدرجة الثالثة مهمة لأنها تقلل بشكل كبير من انبعاثات أكاسيد النيتروجين (NOx) بنسبة حوالي 80٪ مقارنة بالمعايير الأقدم، مما يضمن هواءً أنظف والامتثال داخل مناطق التحكم في الانبعاثات (ECAs).

ما التحديات التي تواجه مشغلي السفن بمعايير الدرجة الرابعة؟

يواجه مشغلو السفن تحديات مع معايير الدرجة الرابعة بسبب محدودية المساحة والحاجة إلى صيانة متكررة لمرشحات الجسيمات الديزلية، مما قد يؤدي إلى تعطيل الجداول التشغيلية.

كيف تساعد الوقود البديل مثل الغاز الطبيعي المسال في الامتثال لمعايير الانبعاثات؟

تساعد الوقود البديلة مثل الغاز الطبيعي المسال (LNG) في الامتثال لمعايير الانبعاثات من خلال إنتاج انبعاثات أقل مقارنة بالوقود البحري التقليدي، مما يسهم في الالتزام بحدود الكبريت وأكاسيد النيتروجين.