На какви стандарти трябва да отговарят морските дизелови генератори за кораби?

Въведение в MARPOL Приложение VI на IMO и Техническия кодекс за NOx

Приложение VI към MARPOL според Международната морска организация налага строги световни ограничения върху емисиите от корабни двигатели, насочени конкретно към оксидите на азота (NOx), оксидите на сярата (SOx) и праховите частици (PM). Тази регулация беше приета за първи път през 2005 г. и оттогава е претърпяла няколко актуализации. Правилата се прилагат основно за по-големи двигатели с мощност над 130 kW, като нивата на изискванията за NOx зависят от годината на производство или монтаж на двигателя. Когато международният лимит за сяра рязко намалее през 2020 г. до само 0,50% съдържание на сяра в корабните горива, корабните компании бяха принудени да инвестират значително в технологии като изпускателни скрубери или напълно да преминат към алтернативни горива като течнещ газ (LNG). Този регулаторен преход доведе до масивна трансформация на пазара в морската индустрия.

Ролята на Международната морска организация при регулирането на емисиите от морски дизелови генератори

Организацията по морски въпроси работи за стандартизиране на правилата за емисии за всички 175 страни, които представлява. Това означава, че корабите по целия свят преминават през подобни изпитвания, се сертифицират по сходен начин и са обект на последователно прилагане на разпоредбите, когато става дума за техните морски дизелови двигатели. Техническият кодекс за NOx изисква производителите да докажат, че техните двигатели отговарят на стандартите чрез типови одобрения, които вземат предвид начина, по който тези машини действително работят в реални условия. Компаниите трябва да предоставят подробна информация относно това какви емисии произвеждат техните двигатели при различни натоварвания. Тези изисквания помагат за координиране на усилията с организации като Агенцията за опазване на околната среда на САЩ, осигурявайки по-лесно сътрудничество между глобалните стандарти и местните правила. Когато международните и националните правила са по-добре съгласувани, спазването им става по-лесно за корабните оператори по света.

Как емисионните стандарти формират дизайна и експлоатацията на морски дизелови генератори

Съвременните морски дизелови генератори днес трябва да отговарят на строгите изисквания на клас III, поради което производителите започнаха да включват решения като системи за селективно каталитично редуциране, по-добре проектирани камери за горене и много по-точен контрол върху впръскването на гориво. Всички тези подобрения значително намалиха емисиите на азотни оксиди – с около 80 процента по-ниски в сравнение с по-старите двигатели, според проучване на Раджу и колеги от 2021 г. Друга голяма промяна е преходът към ултра ниско серно дизелово гориво, което вече е норма в индустрията. Това по-чисто гориво допринася за намаляване на емисиите на фини прахови частици с около три четвърти, без да компрометира надеждността на тези машини при ежедневната им работа в морето.

Класификационната система: От съответствие с клас 1 до клас 3

Сравнение на граничните стойности за емисии по клас 1, клас 2 и клас 3 за морски дизелови двигатели

Морските дизелови двигатели се делят на три различни категории според емисиите си на азотни оксиди, както е определено от Международната морска организация. Първата категория включва двигатели, произведени преди 2000 година, когато те могат да излъчват до 14,4 грама на киловатчас NOx. След 2011 година нещата се промениха със стандарта „Ниво 2“, при който допустимите емисии бяха намалени до около половината от тази стойност – 7,7 g/kWh, благодарение на по-добрите методи за горене. След това през 2016 година влязоха в сила изискванията от „Ниво 3“, които важат конкретно в определени региони, където корабите вече трябва да ограничават излъчването на NOx само до 2,0 g/kWh. Това представлява впечатляващо намаление от около 80% в сравнение с допусканото през първите години. Тези по-нови двигатели често разчитат на системи за селективно каталитично възстановяване или технологии за рециркулация на изгорелите газове, за да отговарят на тези строги изисквания. Когато разгледаме ограниченията за фини прахови частици, историята е подобна – от 0,40 g/kWh при „Ниво 1“ до 0,10 g/kWh при двигателите от „Ниво 3“.

Етаж	Лимит за NOx (g/kWh)	Лимит за PM (g/kWh)	Период на въвеждане
Tier 1	≤ 14,4	≤ 0,40	2000–2011
Ниво 2	≤ 7,7	≤ 0.20	2011–2016
Ниво 3	≤ 2.0	≤ 0.10	2016–настояще

Изисквания за съответствие с ниво 3 в зоните за контрол на емисиите (ECA)

Съдовете, които оперират в зоните за контрол на емисиите, като северноамериканското крайбрежие и Балтийско море, трябва да отговарят на стандарти ниво 3, което означава намаляване на емисиите на азотни оксиди с 80% в сравнение с по-старите двигатели от ниво 1. Повечето корабни оператори избират един от два подхода при спазването на това изискване. Някои избират да инсталират селективни каталитични системи за редуциране върху съществуващите си генератори, докато други преминават към хибриди, задвижвани от течно природен газ. Изискванията за съдържанието на сяра са също толкова строги в тези райони, с максимална граница от 0,10%. За да бъдат съобразени с изискванията, корабите изгарят специално гориво с ниско съдържание на сяра или инвестират в скъпа технология за промиване, която почиства изгорелите газове преди те да напуснат комина.

Кейс студи: Въвеждане на ниво 3 за съдове, опериращи в Северноамериканската ECA

През 2023 г. изследователи са проучили 24 товарни кораба, работещи в региона на Северна Америка по ЕСА, и са открили нещо интересно. Когато са модернизирали двигателите си до стандарт Tier 3, емисиите на азотен оксид са намалели с около 92% в сравнение с по-старите модели от клас Tier 1. Но за много корабни собственици имало и недостатък. Около една трета от тях са понесли по-големи разходи за ремонт, тъй като на тези нови сложни системи се налагали редовни подмяны на SCR филтри. Тези допълнителни разходи варирали между приблизително осемнадесет хиляди и четиридесет и пет хиляди долара годишно. Въпреки това, проверката на Международната морска организация миналата година показа, че повечето компании спазват правилата, като около 89 от всеки 100 кораба са съответстващи на изискванията. Нарушителите са изправени пред сериозни глоби, средно около триста двадесет хиляди долара за всяко нарушение. За да управляват по-ефективно тези сложни системи, все повече морски предприятия използват софтуер за предиктивно поддържане, който помага следтретментните системи да работят правилно и минимизира непредвидени повреди по време на критични операции.

Оценка на възможността за прилагане на стандарти от ниво 4 за морски дизелови генератори

Окончателни правила за ниво 4: Произход от стандарти за наземни двигатели

Стандартите от ниво 4 първоначално бяха разработени за наземни непътни двигатели и задължаваха производителите да намалят емисиите на азотни оксиди и прахови частици чрез нови технологии за вторична обработка. Международната морска организация все още не е приложила тези стандарти за кораби, но в момента се водят разговори за възможното прилагане на някои от същите принципи в бъдещите морски правила. Въпреки това, директното прилагане на решения, разработени за наземни условия, на борда на кораби среща реални предизвикателства поради ограничения в пространството и различните инженерни изисквания в морската среда.

Технически предизвикателства при адаптиране на изискванията от ниво 4 за морско приложение

Поставянето на системи, еквивалентни на Tier 4, върху морски дизелови генератори не е точно проста задача. Елементите за постобработка като единици за селективно каталитично редуциране (SCR) и филтри за дизелови частици (DPF) заемат около 18 до 25 процента повече пространство в сравнение с конфигурациите от Tier 3. Освен това тези компоненти имат затруднения с издръжливостта, когато са изложени на суровите условия в морето. Наскорошно проучване на пазара на морски дизелови двигатели в Северна Америка сочи още един важен аспект. Морската вода прониква навсякъде по корабите, а постоянните вибрации ускоряват износването. По-специално при SCR катализаторите продължителността на живот намалява с около 40% в сравнение с аналогичното оборудване, използвано на суша. Това е напълно логично, като се има предвид колко по-тежки са морските условия за механичните системи в дългосрочен план.

Дебат в индустрията: Дали Tier 4 е приложимо за морски дизелови генераторни системи?

Морската индустрия в момента е доста разединена по този въпрос. Когато анализирахме резултатите от анкета сред оператори, около 62 процента казаха, че съществуващите проекти на кораби просто нямат достатъчно място за правилното разпределение на енергията, необходимо за системите за съответствие с изискванията от клас IV. Сторонниците на тези правила твърдят, че те всъщност ще допринесат за прилагането на хибридни двигатели, но хората, работещи на първа линия, са загрижени за честотата, с която филтрите за дизелови частици трябва да се почистват на всеки 450 до 500 работни часа. Такава редовна поддръжка сериозно нарушава графиките на работа. Има надежда и в модулните опции за третиране на изгорелите газове, макар че повечето експерти са съгласни, че все още са необходими около две до три години практически изпитания в море, преди някой да ги разгледа за широко разпространение в цели флоти.

Сертифициране и регулаторна рамка за морски компресионни двигатели

Класификация на ЕРА на морски компресионни двигатели според изходната мощност

Двигателите с въздушно запалване за морско приложение се класифицират в различни категории според изходната си мощност, за да може Агенцията по опазване на околната среда (EPA) да прилага специфични мерки за контрол на емисиите. За двигатели с мощност над 37 киловата съществуват по-строги ограничения относно оксидите на азота и фините прахови частици, съгласно разпоредбите за нестопански двигатели. По-големите двигатели, които се използват в търговското корабоплаване, трябва да прилагат значително по-съвършени технологии, за да останат съобразени с тези изисквания. Такива системи като рециркулация на изгорелите газове или селективни каталитични редукционни системи стават задължителни добавки за плавателни съдове, които искат да работят в рамките на закона, като едновременно с това осъществяват ефективна дейност в морето.

Процес на сертифициране на морски дизелови генератори съгласно федералните правила на САЩ

Процесът на сертифициране в САЩ изисква доста интензивни изпитвания за морски приложения, обхващащи всички специфични режими на работа, които лодките действително изпитват по вода. Това означава да се подлагат двигатели на сериозни натоварвания и да се симулират условията, при които те се излагат на истинска морска вода в продължение на време. Според най-новите федерални правила производителите трябва да докажат, че отговарят на изискванията поне за 80 процента от това, което двигателят декларира като мощност. Има и няколко важни етапа по пътя. Първо следва одобрение на различните технологии за управление на двигателя преди началото на производството. След това се взема предвид как компонентите се износват естествено, така че емисиите да остават в рамките на допустимите граници през целия жизнен цикъл на оборудването от 10 000 часа. Целият този процес гарантира, че сертифицираните морски двигатели ще работят надеждно дори след години непрекъсната експлоатация в сурови условия.

Съгласуване на националните и международни регулаторни изисквания

Стандартите на EPA Tier 4 изискват намаляване с около 90 процента на емисиите на NOx в сравнение с по-старото оборудване от Tier 1. Междувременно в Международната морска организация работят усилено по контрола върху SOx и NOx чрез разпоредбите на MARPOL Приложение VI. Днешните морски дизелови генератори често се предлагат с двойни горивни опции и модулни системи за обработка, които могат да отговарят на тези различни изисквания. За компаниите, произвеждащи двигатели, които трябва да работят световно, съгласуването на всички тези методи за изпитване и цели за емисии не е просто полезно, а е практически задължително, ако искат да останат конкурентни в различни региони, без да променят непрекъснато продуктите си от основата.

ЧЗВ

Каква е основната цел на MARPOL Приложение VI?

Основната цел на MARPOL Приложение VI е намаляване на въздушното замърсяване от корабни двигатели чрез контрол на емисиите на оксиди на азота (NOx), оксиди на сярата (SOx) и прахови частици (PM).

Защо стандартите за емисии от клас 3 са важни?

Стандартите за емисии от клас 3 са важни, защото значително намаляват емисиите на NOx с около 80% в сравнение с по-старите стандарти, осигурявайки по-чист въздух и спазване на изискванията в зоните за контрол на емисиите (ECAs).

С какви предизвикателства се сблъскват корабните оператори при стандартите от клас 4?

Корабните оператори се сблъскват с предизвикателства при стандартите от клас 4 поради ограниченията в пространството и необходимостта от често поддържане на филтрите за прахови частици, което може да наруши оперативните графици.

Как алтернативните горива като ВЗГ помагат за спазване на стандартите за емисии?

Алтернативните горива като течно природен газ (ВЗГ) помагат за спазване на стандартите за емисии, като произвеждат по-малко емисии в сравнение с традиционните морски горива, което допринася за спазване на ограниченията за серен диоксид и оксиди на азота.