Milyen szabványoknak kell megfelelniük a hajók tengeri dízelgenerátorainak?

Bevezetés az IMO MARPOL VI. mellékletébe és a NOx Műszaki Kódexbe

A Nemzetközi Tengerészeti Szervezet (IMO) MARPOL VI. függeléke szigorú, világszerte érvényes korlátozásokat ír elő a hajómotorok kibocsátására, különösen a nitrogén-oxidok (NOx), kéntartalmú gázok (SOx) és a szilárd részecskék (PM) tekintetében. Ezt az előírást eredetileg 2005-ben vezették be, azóta több alkalommal frissítették. Az előírások elsősorban a 130 kW feletti nagyobb teljesítményű motorokra vonatkoznak, és a NOx-ra vonatkozó különböző szabványok attól függenek, hogy a motort mikor gyártották vagy szerelték fel. Amikor 2020-ban az internacionális kénhatár drasztikusan lecsökkent, csupán 0,50%-ra a hajóüzemanyagok kén-tartalmában, a hajózási vállalatoknak jelentős beruházásokat kellett tenniük kipufogógáztisztító rendszerekbe (pl. scrubberekbe), vagy át kellett térniük alternatív üzemanyagokra, mint például a cseppfolyósított földgáz (LNG). Ez a szabályozási változás jelentős piaci átalakulást idézett elő az egész tengerhajózási szektorban.

A Nemzetközi Tengerészeti Szervezet szerepe a hajódízel-generátorok kibocsátásának szabályozásában

A Nemzetközi Tengerészeti Szervezet az összes általa képviselt 175 ország kibocsátási szabályainak egységesítésén dolgozik. Ez azt jelenti, hogy a világ hajói hasonló vizsgálatokon esnek át, összehasonlítható módon tanúsítják őket, és a tengeri dízelmotorok tekintetében az előírások betartatása is egységes. A szervezet NOx Műszaki Kódexe előírja a gyártóknak, hogy típusjóváhagyással igazolják, motoraik megfelelnek az előírásoknak, figyelembe véve, hogyan működnek ezek a gépek valós körülmények között. A vállalatoknak részletes információkat kell szolgáltatniuk arról, hogy motorjaik milyen kibocsátást produkálnak különböző terhelések mellett. Ezek az előírások segítik a koordinációt olyan szervezetekkel, mint az amerikai Környezetvédelmi Ügynökség (EPA), és így gördülékenyebb együttműködést tesznek lehetővé a globális szabványok és a helyi előírások között. Amikor a nemzetközi és a nemzeti szabályok jobban összhangba kerülnek, a hajóüzemeltetők számára világszerte egyszerűbbé válik az előírások betartása.

Hogyan alakítják a kibocsátási előírások a tengeri dízelgenerátorok tervezését és üzemeltetését

A modern tengeri dízelmotoros generátoroknak napjainkban be kell tartaniuk a szigorú Tier III előírásokat, ezért a gyártók elkezdték beépíteni olyan megoldásokat, mint a szelektív katalitikus redukciós rendszerek, jobban tervezett égésterek, valamint sokkal finomabb üzemanyag-befecskendezés-vezérlés. Ezek az innovációk jelentősen csökkentették a nitrogén-oxid kibocsátást – kutatás szerint körülbelül 80 százalékkal kevesebb, mint a régebbi motorok esetében, amit Raju és munkatársai 2021-es tanulmánya támaszt alá. Egy másik nagy változás az iparágban az ultra alacsony kéntartalmú dízel használatának általánossá válása. Ez a tisztább üzemanyag körülbelül háromnegyedével csökkenti a részecskék kibocsátását anélkül, hogy veszélyeztetné a gépek megbízhatóságát a mindennapi tengeri működés során.

A Tier besorolási rendszer: Az 1. szintűtől a 3. szintű megfelelésig

Az 1., 2. és 3. szintű kibocsátási határértékek összehasonlítása tengeri dízelmotorok esetében

A tengeri dízelmotorok az International Maritime Organization által meghatározott nitrogén-oxid kibocsátásuk alapján három különböző kategóriába sorolhatók. Az első kategória a 2000 előtt gyártott motorokat foglalja magában, amelyek akár 14,4 gramm NOx-ot is kibocsáthattak kilowattóránként. A helyzet 2011 után változott meg a Tier 2 szabványok bevezetésével, amelyek a megengedett kibocsátást körülbelül a felére csökkentették, 7,7 g/kWh-ra, köszönhetően a javított égési technikáknak. Ezt követte a Tier 3 szabályozás, amely 2016 óta hatályos bizonyos régiókban, és amely szerint a hajóknak NOx-kibocsátásukat csupán 2,0 g/kWh-ra kell korlátozniuk. Ez körülbelül 80%-os csökkenést jelent a korai időkben megengedett értékhez képest. Ezek az újabb motorok gyakran szelektív katalitikus redukciós rendszerekre vagy kipufogógáz-visszavezetési technológiára támaszkodnak, hogy megfeleljenek ezeknek a szigorú előírásoknak. A részecskék kibocsátására vonatkozó korlátozások esetében hasonló tendencia figyelhető meg: a Tier 1 szabvány szerinti 0,40 g/kWh-ról a Tier 3 motoroknál már csak 0,10 g/kWh a határérték.

Szint	NOx korlát (g/kWh)	PM korlát (g/kWh)	Bevezetési időszak
1. szint	≤ 14,4	≤ 0,40	2000–2011
2. szint	≤ 7,7	≤ 0.20	2011–2016
3. szint	≤ 2.0	≤ 0.10	2016–napjainkig

A kibocsátáskontroll területeken (ECA) az első osztályú megfelelési követelmények

A tengeri járműveknek, amelyek például Észak-Amerika partjain vagy a Balti-tengeren közlekednek, be kell tartaniuk a Tier 3 szabványokat, amelyek azt jelentik, hogy a nitrogén-oxid kibocsátásukat 80%-kal csökkenteniük kell a régebbi Tier 1 motorokhoz képest. A hajóüzemeltetők többsége két út valamelyikét választja e követelmény teljesítésekor. Néhányan szelektív katalitikus redukciós rendszereket szerelnek fel meglévő generátoraikra, míg mások folyékony földgázzal működő hibrid rendszerekre váltanak. A kén tartalomra vonatkozó előírások ezen területeken ugyanolyan szigorúak, maximális határértékük 0,10%. A megfelelés érdekében a hajók vagy speciális alacsony kén tartalmú üzemanyagot használnak, vagy drága scrubber technológiába fektetnek be, amely a kipufogógázokat tisztítja meg, mielőtt azok a kéményből távoznának.

Esettanulmány: Tier 3 szabvány bevezetése hajókon, amelyek az Észak-amerikai ECA területén közlekednek

2023-ban kutatók 24, Észak-Amerika ECA régiójában közlekedő teherhajót vizsgáltak meg, és érdekes dolgot fedeztek fel. Amikor a hajók motorjait Tier 3 szintre fejlesztették, a nitrogén-oxid kibocsátás körülbelül 92%-kal csökkent az öregebb, Tier 1-es modellekhez képest. Ám ezzel együtt probléma is adódott sok hajótulajdonos számára: a hajók körülbelül harmadánál magasabb javítási költségek merültek fel, mivel az új, korszerű rendszerek rendszeres SCR-szűrőcsere igénybe vettek. Ezek az extra költségek évente durván tizennyolcezer és negyvenötezer dollár között mozogtak. Ennek ellenére az International Maritime Organization tavalyi ellenőrzése azt mutatta, hogy a vállalatok többsége betartja az előírásokat: a hajók kb. 89 százaléka megfelelő. Azok, amelyek nem, súlyos bírságokkal néztek szembe, amelyek átlagosan hozzávetőlegesen háromszázhuszatezer dollárt tettek ki sérelmenként. A komplex rendszerek hatékonyabb kezelése érdekében egyre több tengerészeti vállalkozás fordul most már prediktív karbantartó szoftverekhez, amelyek segítenek fenntartani az utókezelő rendszerek megfelelő működését, miközben minimalizálják a kritikus műveletek során fellépő váratlan meghibásodásokat.

A Tier 4 szabványok tengeri dízelgenerátorokra való alkalmazhatóságának értékelése

A végső Tier 4 előírások: eredetük a szárazföldi motorok szabványaiban

A Tier 4 kibocsátási szabványok eredetileg a szárazföldi, közúti járműveken kívüli motorokra vonatkozó követelmények voltak, amelyek a gyártókat arra ösztönözték, hogy csökkentsék a nitrogén-oxidok és a részecskék kibocsátását új utókezelési technológiák segítségével. A Nemzetközi Tengerészeti Szervezet (IMO) eddig még nem vezette be ezeket a szabványokat hajókon, de folyamatban vannak a tárgyalások annak lehetőségéről, hogy jövőbeni tengeri szabályozásokba átültessék az azokhoz hasonló elveket. Ugyanakkor a szárazföldi megoldások hajókon való közvetlen alkalmazása komoly kihívásokkal jár a korlátozott helyigény és a tengeri körülményekhez tartozó eltérő műszaki követelmények miatt.

Technológiai kihívások a Tier 4 előírások tengeri alkalmazásának adaptálásában

A Tier 4 szintjének megfelelő rendszerek tengeri dízelgenerátorokra történő telepítése nem egyszerű feladat. Az utókezelő elemek, mint például a szelektív katalitikus redukció (SCR) egységek és a dízel részecskeszűrők (DPF), körülbelül 18–25 százalékkal több helyet igényelnek, mint a Tier 3 konfigurációk. Emellett ezek az alkatrészek nehezen bírják ki a tengeri körülményekkel járó nehéz körülményeket. Egy friss jelentés a North American Marine Diesel Engine Markettől rámutat egy fontos tényre: a tengervíz mindenhol jelen van a hajókon, és az állandó rezgések gyorsabban kopasztják az alkatrészeket. Különösen az SCR-katalizátorok esetében a várható élettartam körülbelül 40 százalékkal csökken a szárazföldön használt hasonló berendezésekhez képest. Ez teljesen érthető, figyelembe véve, mennyire megterhelők a tengeri környezetek a mechanikus rendszerek számára hosszú távon.

Ipari vita: Gyakorlatias-e a Tier 4 tengeri dízelgenerátor-rendszereknél?

A hajózási ipar jelenleg elég megosztott ebben a kérdésben. Amikor megvizsgáltuk az üzemeltetők által kitöltött kérdőívek eredményeit, körülbelül 62 százalékuk úgy vélte, hogy a meglévő hajótervezések egyszerűen nem rendelkeznek elegendő helyfoglalással a Tier 4 szabályozásoknak megfelelő teljesítményelosztáshoz. A szabályozások hívei azt állítják, hogy ezek valójában segíteni fogják a hibridmotorok alkalmazásának előretolódását, ám azok, akik a gyakorlatban dolgoznak, aggódnak amiatt, hogy a dízel részecskeszűrőket mennyire gyakran kell tisztítani 450–500 üzemóra után. Ez a fajta rendszeres karbantartás komolyan zavarja a munkafolyamatok ütemezését. Reményt jelentenek a moduláris kipufogó-tisztítási lehetőségek is, bár a legtöbb szakértő egyetért abban, hogy ezeknek még körülbelül két-három év tengeri próbaüzemre van szükségük, mielőtt bárki is széles körben bevezetné őket a flottákban.

Tengeri kompressziós gyújtású motorok tanúsítási és szabályozási kerete

A környezetvédelmi ügynökség (EPA) besorolása a tengeri kompressziós gyújtású motorok teljesítménykimenete alapján

A tengeri kompressziós gyújtású motorokat a teljesítményük alapján különböző kategóriákba sorolják, hogy az EPA speciális kibocsátási korlátozásokat alkalmazhasson. A 37 kilowatt feletti teljesítményű motorok esetében szigorúbb előírások vonatkoznak a nitrogén-oxidokra és a részecskék kibocsátására a nem úton használt motorokra vonatkozó szabályozás szerint. A nagyobb, kereskedelmi hajózási műveletekben használt motoroknak igen kifinomult technológiákat kell alkalmazniuk, csak hogy megfeleljenek ezeknek az előírásoknak. Ilyenek például az elhasznált gáz visszavezetési rendszerei vagy a szelektív katalitikus redukció berendezései, amelyek elengedhetetlen kiegészítőkké váltak azoknál a hajóknál, amelyek jogilag megengedett határokon belül kívánnak üzemelni, miközben hatékonyan végzik munkájukat a tengeren.

Tengeri dízelgenerátorok tanúsítási folyamata az amerikai szövetségi előírások szerint

A tengeri alkalmazásokra vonatkozó amerikai tanúsítási eljárás igen szigorú tesztelést követel, amely magában foglalja az összes olyan speciális terhelési ciklust, amelyekkel a hajók valós körülmények között találkoznak a vízen. Ez azt jelenti, hogy az átmeneti terhelések mellett vizsgálni kell, mi történik akkor, ha a motorok hosszabb időn keresztül valódi tengervízi körülményeknek vannak kitéve. A legfrissebb szövetségi előírások szerint a gyártóknak bizonyítaniuk kell, hogy teljesítménykimenet tekintetében legalább a motor által megadott érték 80 százalékában megfelelnek az előírásoknak. Az eljárás során több fontos ellenőrzési pont is van. Először a különféle motorvezérlési technológiák engedélyezése történik meg a gyártás megkezdése előtt. Ezután figyelembe kell venni az alkatrészek természetes elhasználódását, így a kibocsátás a berendezés teljes 10 000 órás élettartama alatt is a megengedett határokon belül maradjon. Ez az egész folyamat biztosítja, hogy a tanúsított tengeri motorok megbízhatóan működjenek még hosszú ideig tartó, kemény körülmények közötti üzemeltetés után is.

Nemzeti és nemzetközi szabályozási követelmények összehangolása

Az EPA Tier 4 szabványai körülbelül 90 százalékkal kevesebb NOx-kibocsátást írnak elő a régebbi Tier 1-es berendezésekhez képest. Eközben a Nemzetközi Tengerészeti Szervezet (IMO) keményen dolgozik a kéntartalmú gázok (SOx) és nitrogén-oxidok (NOx) kibocsátásának szabályozásán a MARPOL VI. függelékében foglalt előírások révén. A mai tengeri dízelgenerátorok gyakran rendelkeznek kettős üzemanyag-választási lehetőséggel és moduláris kezelőrendszerekkel, amelyek képesek ezeket a különböző követelményeket teljesíteni. Az olyan vállalatok számára, amelyek világszerte működő motorokat gyártanak, ezeknek a vizsgálati módszereknek és kibocsátási céloknak az egységesítése nemcsak hasznos, hanem alapvetően szükséges is ahhoz, hogy versenyképesek maradjanak különböző régiókban anélkül, hogy folyamatosan újra kellene tervezniük termékeiket.

GYIK

Mi a MARPOL VI. függelék elsődleges célja?

A MARPOL VI. függelék elsődleges célja a hajómotorokból származó légszennyezés csökkentése a nitrogén-oxidok (NOx), kéntartalmú gázok (SOx) és a szilárd részecskék (PM) kibocsátásának szabályozásával.

Miért fontosak a 3. szintű kibocsátási előírások?

A 3. szintű kibocsátási előírások azért fontosak, mert a régebbi előírásokhoz képest nagyjából 80%-kal csökkentik a NOx-kibocsátást, így tisztább levegő és a kibocsátás-ellenőrzési területeken (ECA) a követelményeknek való megfelelés biztosítható.

Milyen kihívásokkal szembesülnek a hajóüzemeltetők a 4. szintű szabványokkal?

A hajóüzemeltetők a 4. szintű szabványokkal szembesülnek a területi korlátozások és a dízel részecskeszűrők gyakori karbantartásának szükségessége miatt, ami megzavarhatja a működési menetrendeket.

Hogyan segítenek az olyan alternatív tüzelőanyagok, mint az LNG, a kibocsátási előírások teljesítésében?

Az alternatív üzemanyagok, mint például a cseppfolyósított földgáz (LNG), segítenek az emissziós előírások teljesítésében, mivel kevesebb kibocsátást okoznak a hagyományos hajóüzemanyagokhoz képest, így hozzájárulnak a kén- és nitrogén-oxid határértékek betartásához.