Koje standarde moraju ispunjavati brodski dizelski generatori za brodove?

Uvod u IMO-ov MARPOL Dodatak VI i Tehnički kod za NOx

MARPOL Dodatak VI pod okriljem Međunarodne morske organizacije nameće stroge svjetske ograničenja emisija iz brodskih motora, posebno ciljajući okside dušika (NOx), okside sumpora (SOx) i čestice (PM). Ova regulativa je prvi put uvedena još 2005. godine i od tada je prošla kroz nekoliko ažuriranja. Pravila se primjenjuju uglavnom na veće motore snage preko 130 kW, s različitim razinama standarda za NOx ovisno o vremenu izgradnje ili ugradnje motora. Kada je međunarodno ograničenje sumpora drastično smanjeno 2020. godine na samo 0,50% sumpora u brodskim gorivima, brodarskim tvrtkama nije ostalo ništa drugo nego da znatno ulože u tehnologije poput sustava za ispiranje ispušnih plinova ili potpuno pređu na alternativna goriva poput tekućeg prirodnog plina (LNG). Ovaj regulatorni pomak doveo je do ogromne transformacije tržišta u cijelom pomorskom sektoru.

Uloga Međunarodne morske organizacije u reguliranju emisija morskog dizelskog generatora

Međunarodna pomorska organizacija radi na usklađivanju pravila o emisijama za sve 175 zemalja koje predstavlja. To znači da brodovi diljem svijeta prolaze slična ispitivanja, certificiraju se na usporediv način i podvrgavaju dosljednoj kontroli kada je riječ o njihovim pomorskim dizelskim motorima. Tehnički kod IMO-a za NOx zahtijeva od proizvođača da dokažu kako njihovi motori zadovoljavaju standarde putem tipskih odobrenja koja uzimaju u obzir kako ovi strojevi zapravo rade u stvarnim uvjetima. Tvrtke moraju dostaviti detaljne podatke o tome što njihovi motori emitiraju pri različitim opterećenjima. Ovi zahtjevi pomažu u usklađivanju napora s grupama poput Američke agencije za zaštitu okoliša (EPA), omogućujući bolju suradnju između globalnih standarda i lokalnih propisa. Kada su međunarodni i nacionalni propisi bolje usklađeni, pridržavanje pravila postaje lakše za brodarske operatere diljem svijeta.

Kako standardi emisija oblikuju dizajn i rad pomorskih dizelskih generatora

Suvremeni brodski dizelski generatori danas moraju ispunjavati stroge standarde Tier III, pa proizvođači počinju dodavati stvari poput sustava selektivne katalitičke redukcije, bolje projektiranih komora za izgaranje i znatno preciznijeg upravljanja ubrizgavanjem goriva. Sve te poboljšane karakteristike smanjuju emisiju oksida dušika vrlo značajno, otprilike 80 posto manje u odnosu na stare motore, prema istraživanju Rajua i suradnika iz 2021. godine. Još jedna velika promjena je prijelaz na ultra niskosumporni dizel kao standard u cijeloj industriji. Ovo čistije gorivo pomaže u smanjenju emisije suspendiranih čestica za otprilike tri četvrtine, bez gubitka pouzdanosti rada ovih uređaja svakodnevno na moru.

Klasifikacijski sustav: Od usklađenosti s Tier 1 do Tier 3

Usporedba ograničenja emisija za Tier 1, Tier 2 i Tier 3 za brodske dizelske motore

Marinski dizelski motori svrstavaju se u tri različite kategorije prema emisiji dušikovih oksida kako je utvrđeno od strane Međunarodne pomorske organizacije. Prva kategorija obuhvaća motore proizvedene prije 2000. godine, kada su mogli emitirati do 14,4 grama po kilovatu-satu NOx-a. Nakon 2011. godine stvari su se promijenile s uvodenjem standarda Tier 2 koji su smanjili dopuštenu emisiju na otprilike polovicu te količine, na 7,7 g/kWh, zahvaljujući boljim tehnikama izgaranja. Zatim su uvedena pravila Tier 3 koja vrijede od 2016. godine, posebno u određenim područjima, gdje brodovi sada moraju ograničiti emisiju NOx-a samo na 2,0 g/kWh. To predstavlja impresivno smanjenje od oko 80% u usporedbi s onim što je bilo dopušteno u ranim danima. Ovi noviji motori često koriste sustave selektivne katalitičke redukcije ili tehnologiju recirkulacije ispušnih plinova kako bi zadovoljili ove stroge zahtjeve. Ako pogledamo granice za čestice, priča je slična, smanjenje ide od 0,40 g/kWh kod Tier 1 sve do 0,10 g/kWh kod Tier 3 motora.

Razred	Granica za NOx (g/kWh)	Granica za PM (g/kWh)	Razdoblje provedbe
Prvi sloj (Tier 1)	≤ 14,4	≤ 0,40	2000–2011
Razina 2	≤ 7,7	≤ 0.20	2011–2016
Razred 3	≤ 2.0	≤ 0.10	2016. – danas

Zahtjevi za sukladnost s razinom 3 u područjima kontrole emisija (ECA)

Plovila koja plove u područjima kontrole emisija, poput sjevernoameričke obale i Baltičkog mora, moraju zadovoljiti standarde razine 3, što znači smanjenje emisije dušikovih oksida za 80% u odnosu na starije motore razine 1. Većina brodskih operatora koristi jedan od dva pristupa kako bi ispunili ovaj zahtjev. Neki biraju instalaciju selektivnih katalitičkih redukcijskih sustava na postojeće generatore, dok drugi prelaze na hibride na tekućinom prirodnim plinom. Propisi o sadržaju sumpora jednako su strogi u tim područjima, s maksimalnom granicom od 0,10%. Kako bi bili u skladu, brodovi ili koriste posebno gorivo s niskim udjelom sumpora ili ulažu u skupu tehnologiju scrubbera koja čisti izduvne plinove prije nego što napuste dimnjak.

Studija slučaja: Primjena razine 3 na plovilima koja rade u sjevernoameričkom ECA

2023. godine istraživači su proučili 24 teretna broda koji plove u području sjevernoameričke ECA zone i otkrili nešto zanimljivo. Kada su nadogradili svoje motore na standard Tier 3, emisija dušikovog oksida smanjila se za otprilike 92% u usporedbi sa starijim modelima Tier 1. No, za mnoge vlasnike brodova postojao je jedan problem. Otprilike trećina njih suočila se s većim troškovima popravaka jer su sofisticirani novi sustavi zahtijevali redovitu zamjenu SCR filtera. Ovi dodatni troškovi kretali su se između otprilike osamnaest tisuća i četrdeset pet tisuća dolara godišnje. Ipak, pregled proveden prošle godine od strane Međunarodne pomorske organizacije pokazao je da većina tvrtki poštuje propise, pri čemu je bilo kompatibilno oko 89 od svakih 100 brodova. Oni koji nisu pronađeni u skladu s propisima suočavali su se s ozbiljnim kaznama koje su u prosjeku iznosile oko tristo dvadeset tisuća dolara po prekršaju. Kako bi bolje upravljali ovim složenim sustavima, sve više pomorskih tvrtki okreće se softveru za prediktivno održavanje koji pomaže u održavanju ispravnog rada naknadnih sustava obrade emisija te smanjuje neočekivane kvarove tijekom ključnih operacija.

Procjena izvodivosti standarda 4. razine za brodske dizelske generatore

Konačni propisi 4. razine: Porijeklo u standardima za motore na kopnu

Standardi emisija 4. razine prvotno su bili zahtjevi za neputnim motorima na kopnu, koji su proizvođače potaknuli na smanjenje oksida dušika i čestica uporabom novih tehnologija naknadne obrade. Međunarodna pomorska organizacija još nije preuzela ove standarde za brodove, ali se vode razgovori o primjeni nekih od istih koncepata na buduće pomorske propise. Međutim, direktna prilagodba rješenja s kopna brodovima donosi stvarne izazove zbog ograničenja prostora i drugačijih inženjerskih zahtjeva na moru.

Tehnički izazovi u prilagodbi zahtjeva 4. razine pomorskim primjenama

Postavljanje sustava ekvivalentnih 4. stupnju na brodske dizelske generatore nije baš jednostavno. Komponente naknadne obrade, poput jedinica selektivne katalitičke redukcije (SCR) i filtera dizelskih čestica (DPF), zauzimaju oko 18 do 25 posto više prostora u odnosu na konfiguracije 3. stupnja. Osim toga, ove komponente imaju poteškoća s izdržljivošću kada su izložene teškim uvjetima na moru. Nedavno izvješće Sjevernoameričkog tržišta brodskih dizelskih motora ističe još jednu važnu činjenicu: slana voda prodire svugdje na brodovima, a stalne vibracije ubrzavaju habanje. Posebno u slučaju SCR katalizatora, njihov vijek trajanja smanjuje se za oko 40% u usporedbi s sličnom opremom koja se koristi na kopnu. To je razumljivo s obzirom na znatno veći opterećenje mehaničkih sustava u brodskom okruženju tijekom vremena.

Rasprava u industriji: Je li 4. stupanj praktičan za brodske dizelske generatorske sustave?

Pomorska industrija trenutno je prilično podijeljena oko ovog pitanja. Kada smo pogledali rezultate ankete kod operatera, otprilike 62 posto ih je reklo da postojeći dizajni brodova jednostavno nemaju dovoljno prostora za odgovarajuću distribuciju energije koju zahtijevaju sustavi za suđenje Tier 4. Zagovornici ovih propisa tvrde da će oni zapravo potaknuti korištenje hibridnih motora, ali osobe koje rade na terenu zabrinute su koliko često se filtri za dieselne čestice moraju čistiti svakih 450 do 500 sati rada. Takva redovna održavanja znatno remete rasporede radnih procesa. Postoji nada u tim modularnim opcijama za obradu ispušnih plinova, iako većina stručnjaka slaže da još uvijek trebaju dvije do tri godine stvarnog testiranja na moru prije nego što ih netko ozbiljno razmotri za široku primjenu u flotama.

Certifikacija i regulatorni okvir za pomorske motore s kompresijskim paljenjem

EPA klasifikacija pomorskih motora s kompresijskim paljenjem prema izlaznoj snazi

Motorni dizelski motori za pomorsku upotrebu svrstavaju se u različite kategorije prema njihovom izlaznom snaga kako bi EPA mogao provoditi specifične mjere kontrole emisija. Za motore koji proizvode više od 37 kilovata, postoje stroža ograničenja za okside dušika i čestice prema propisima za neservisne motore koje su donijeti. Veći motori koje vidimo u komercijalnim brodskim operacijama moraju usvojiti prilično sofisticiranu tehnologiju kako bi ostali u skladu s ovim zahtjevima. Stvari poput sustava za recirkulaciju izduvnih plinova ili postrojenja za selektivnu katalitičku redukciju postaju nužni dodaci za plovila koja žele djelovati unutar zakonskih granica, a istovremeno učinkovito obavljati posao na moru.

Postupak certificiranja pomorskih dizelskih generatora prema federalnim propisima SAD-a

Proces certificiranja u SAD-u zahtijeva vrlo intenzivno testiranje za pomorske primjene, obuhvaćajući sve one specifične radne cikluse koje brodovi zapravo doživljavaju na vodi. To znači opterećivati motore promjenjivim opterećenjima te simulirati što se događa kada su izloženi stvarnim uvjetima slane vode tijekom vremena. Prema najnovijim federalnim propisima, proizvođači moraju pokazati da zadovoljavaju standarde u najmanje 80 posto onoga što motor tvrdi da isporučuje u smislu izlazne snage. Postoji i nekoliko važnih kontrolnih točaka tijekom procesa. Prvo dolazi odobrenje različitih tehnologija upravljanja motorom prije početka proizvodnje. Zatim slijedi uzimanje u obzir kako se komponente prirodno degradiraju kako bi emisije ostale unutar ograničenja tijekom cijelog vijeka trajanja opreme od 10.000 sati. Cijeli ovaj proces osigurava da certificirani pomorski motori pouzdano rade čak i nakon godina stalne uporabe u ekstremnim uvjetima.

Usklađenost nacionalnih i međunarodnih regulatornih zahtjeva

Standardi EPA Tier 4 zahtijevaju smanjenje emisije NOx za oko 90 posto u usporedbi sa starijim opremom Tier 1. U međuvremenu, Međunarodna pomorska organizacija naporno radi na kontroli emisija SOx i NOx kroz svoje propise MARPOL Dodatak VI. Dizelski generatori za brodove danas često dolaze s opcijama dvostrukog goriva i modularnim sustavima tretmana koji mogu zadovoljiti ove različite zahtjeve. Za poduzeća koja proizvode motore koji moraju raditi diljem svijeta, usklađivanje svih ovih metoda testiranja i ciljeva emisije nije samo korisno, već je gotovo neophodno kako bi ostala konkurentna u različitim regijama bez stalnog ponovnog dizajniranja svojih proizvoda od nule.

Česta pitanja

Koji je primarni cilj MARPOL Dodatka VI?

Primarni cilj MARPOL Dodatka VI je smanjenje zagađenja zraka iz brodskih motora kontroliranjem emisija dušikovih oksida (NOx), sumpornih oksida (SOx) i čestica (PM).

Zašto su važni standardi emisije 3. razine?

Standardi emisije 3. razine važni su jer znatno smanjuju emisiju NOx za otprilike 80% u odnosu na starije standarde, osiguravajući čistiji zrak i sukladnost unutar zona kontrole emisija (ECAs).

S kojim izazovima se suočavaju brodski operatori kod standarda 4. razine?

Brodski operatori suočavaju se s izazovima kod standarda 4. razine zbog ograničenog prostora i potrebe za redovitim održavanjem filtera čestica na dizel gorivu, što može remetiti operativne rasporede.

Kako alternativna goriva poput LNG-a pomažu u ispunjavanju standarda emisije?

Alternativna goriva poput tekućeg prirodnog plina (LNG) pomažu u ispunjavanju standarda emisije time što proizvode manje emisija u usporedbi s tradicionalnim brodskim gorivima, pružajući pomoć u sukladnosti s ograničenjima sumpora i dušikovih oksida.