Яким стандартам мають відповідати суднові дизель-генератори для кораблів?

Вступ до MARPOL IMO додатку VI та Технічного кодексу з NOx

Додаток VI МАРПОЛ під егідою Міжнародної морської організації встановлює суворі глобальні обмеження щодо викидів суднових двигунів, зокрема оксидів азоту (NOx), оксидів сірки (SOx) та твердих частинок (PM). Це положення було вперше запроваджене ще у 2005 році та зазнало кількох оновлень з того часу. Правила стосуються переважно більших двигунів потужністю понад 130 кВт, із різними рівнями стандартів NOx залежно від дати виготовлення чи встановлення двигуна. Коли міжнародний ліміт сірки різко знизився у 2020 році до всього 0,50% вмісту сірки у судновому паливі, судноплавні компанії були змушені значно інвестувати в технології, такі як очисні системи вихлопних газів, або повністю перейти на альтернативні види палива, наприклад зріджений природний газ (LNG). Ця регуляторна зміна спричинила масштабну трансформацію ринку в усьому морському секторі.

Роль Міжнародної морської організації у регулюванні викидів суднових дизель-генераторів

Міжнародна морська організація працює над уніфікацією правил щодо викидів для всіх 175 країн, які вона представляє. Це означає, що судна по всьому світу проходять подібні перевірки, отримують сертифікацію порівнянним чином і підлягають однаковому контролю щодо своїх суднових дизельних двигунів. Технічний кодекс IMO щодо оксидів азоту вимагає від виробників підтвердження відповідності двигунів встановленим стандартам шляхом типових схвалень, які враховують реальні умови експлуатації цих машин. Компанії мають надавати детальну інформацію про викиди своїх двигунів за різного навантаження. Ці вимоги сприяють координації зусиль із такими організаціями, як Агентство з охорони довкілля США, забезпечуючи більш плавну взаємодію між глобальними стандартами та місцевим регулюванням. Коли міжнародні та національні правила краще узгоджені, дотримання вимог стає простішим для судновласників по всьому світу.

Як стандарти щодо викидів впливають на проектування та експлуатацію суднових дизель-генераторів

Сучасні суднові дизельні генератори сьогодні мають відповідати суворим стандартам Tier III, тому виробники почали додавати такі елементи, як системи селективного каталітичного відновлення, удосконалені камери згоряння та значно точніший контроль над впорскуванням палива. Усі ці покращення докорінно скоротили викиди оксидів азоту — приблизно на 80 відсотків менше, ніж у старих двигунів, згідно з дослідженням Раджу та колег 2021 року. Ще однією значною зміною стало масове переходження на наднизькосірчаний дизпаливо як норму в галузі. Це чистіше паливо допомагає зменшити викиди твердих частинок приблизно на три чверті, не погіршуючи надійності роботи цих машин щодня в морських умовах.

Система класифікації Tier: від відповідності Tier 1 до Tier 3

Порівняння обмежень викидів Tier 1, Tier 2 та Tier 3 для суднових дизельних двигунів

Морські дизельні двигуни поділяються на три різні категорії залежно від викидів оксидів азоту, встановлених Міжнародною морською організацією. Перша категорія охоплює двигуни, виготовлені до 2000 року, коли вони могли виділяти до 14,4 грама на кіловат-годину NOx. Після 2011 року ситуація змінилася завдяки стандарту Tier 2, який знизив допустимі викиди приблизно вдвічі — до 7,7 г/кВт·год — завдяки покращеним технологіям згоряння. Потім з 2016 року набули чинності норми Tier 3, що діють у певних регіонах, де судна тепер мають обмежувати викиди NOx лише 2,0 г/кВт·год. Це відповідає вражаючому зниженню близько 80% порівняно з тим, що дозволялося на початку. Новіші двигуни часто використовують системи селективного каталітичного відновлення або технологію рециркуляції відпрацьованих газів, щоб відповідати цим суворим вимогам. Що стосується обмежень на тверді частинки, то історія схожа: з 0,40 г/кВт·год за стандартом Tier 1 значення знизилося аж до 0,10 г/кВт·год у двигунах Tier 3.

Ярус	Обмеження NOx (г/кВт·год)	Обмеження PM (г/кВт·год)	Період впровадження
Рівень 1	≤ 14,4	≤ 0,40	2000–2011
Рівень 2	≤ 7,7	≤ 0.20	2011–2016
Клас 3	≤ 2.0	≤ 0.10	2016–донині

Вимоги до відповідності рівню 3 в зонах контролю викидів (ECA)

Судна, що працюють у зонах контролю викидів, таких як північноамериканське узбережжя та Балтійське море, мають відповідати стандартам Tier 3, що передбачає зниження викидів оксидів азоту на 80% порівняно зі старішими двигунами Tier 1. Більшість суднових операторів обирають один із двох шляхів виконання цих вимог. Деякі встановлюють системи селективного каталітичного відновлення на своїх існуючих генераторах, тоді як інші переходять на гібриди, що працюють на зрідженому природному газі. Вимоги щодо вмісту сірки в цих зонах також дуже жорсткі — максимально допустимий рівень становить 0,10%. Для відповідності судна або спалюють спеціальне паливо з низьким вмістом сірки, або інвестують у дороге технологічне обладнання (скрубери), яке очищає вихлопні гази перед їх викидом у атмосферу.

Практичний приклад: Впровадження стандарту Tier 3 на суднах, що працюють у Північноамериканській зоні контролю викидів

У 2023 році дослідники проаналізували 24 вантажних судна, які працювали в регіоні Північноамериканської зони контролю викидів (ECA), і виявили цікавий факт. Після модернізації двигунів до стандарту Tier 3 викиди оксидів азоту скоротилися приблизно на 92% у порівнянні зі старішими моделями Tier 1. Однак для багатьох судновласників виникла проблема: близько третини з них стикнулися з вищими витратами на ремонт, оскільки сучасним системам потрібна регулярна заміна фільтрів SCR. Ці додаткові витрати коливалися в межах приблизно від вісімнадцяти тисяч до сорока п’яти тисяч доларів щороку. Проте минулорічний огляд Міжнародної морської організації показав, що більшість компаній дотримуються нормативів — приблизно 89 із кожних 100 суден відповідають вимогам. Тих, хто не дотримується правил, чекають серйозні штрафи, які в середньому складають близько триста двадцять тисяч доларів за кожне порушення. Щоб краще керувати цими складними системами, все більше морських підприємств переходять на програмне забезпечення передбачуваного обслуговування, яке допомагає підтримувати належну роботу систем післяобробки та мінімізує непередбачені поломки під час критичних операцій.

Оцінка доцільності стандартів IV етапу для суднових дизель-генераторів

Остаточні положення щодо IV етапу: походження зі стандартів наземних двигунів

Стандарти IV етапу спочатку були запроваджені для стаціонарних двигунів, що працюють поза дорогами, з метою змусити виробників зменшити викиди оксидів азоту та частинок за рахунок нових технологій очищення відпрацьованих газів. Міжнародна морська організація ще не перенесла ці стандарти на судна, проте тривають обговорення щодо застосування деяких із цих принципів у майбутніх морських нормах. Проте безпосереднє застосування наземних рішень на суднах стикається з реальними труднощами через обмеження простору та інші інженерні вимоги у морських умовах.

Технічні труднощі адаптації вимог IV етапу для морського застосування

Встановлення систем, еквівалентних рівню 4, на суднових дизельних генераторах — це не дуже просте завдання. Системи післяобробки, такі як блоки селективного каталітичного відновлення (SCR) та фільтри твердих частинок (DPF), займають приблизно на 18–25 відсотків більше місця, ніж у конфігураціях рівня 3. Крім того, ці компоненти мають проблеми з довговічністю в умовах жорстких морських навантажень. Останній звіт ринку суднових дизельних двигунів Північної Америки також зазначає одне важливе зауваження: солона вода проникає всюди на кораблях, а постійні вібрації призводять до швидшого зносу деталей. Зокрема, термін служби каталізаторів SCR скорочується приблизно на 40% порівняно з аналогічним наземним обладнанням. Це цілком логічно, враховуючи значно більші навантаження, яким з часом піддаються механічні системи в морських умовах.

Дискусія в галузі: чи є рівень 4 практичним для суднових систем дизель-генераторів?

Морська галузь зараз досить розділена щодо цього питання. Коли ми переглянули результати опитування експлуатаційних компаній, близько 62 відсотків відповіли, що існуючі проекти суден просто не мають достатньо місця для належного розподілу потужності, необхідного системам відповідності IV етапу. Прихильники цих нормативів стверджують, що вони насправді сприятимуть розвитку гібридних двигунів, але фахівці, які працюють безпосередньо на місцях, хвилюються через те, як часто потрібно очищати фільтри твердих частинок — кожні 450–500 годин роботи. Таке регулярне обслуговування серйозно порушує графіки роботи. Є надія також на модульні системи очищення вихлопів, хоча більшість експертів погоджується, що їм все ще потрібно ще приблизно два-три роки реального тестування в морі, перш ніж хто-небудь вважатиме за можливе масово впроваджувати їх у парках суден.

Сертифікація та нормативна база для морських двигунів із запалюванням від стиснення

Класифікація двигунів із запалюванням від стиснення для морського застосування за потужністю (EPA)

Морські двигуни з іскровим запалюванням розподіляються на різні категорії залежно від їхньої потужності, щоб Агентство з охорони довкілля могло застосовувати конкретні заходи контролю викидів. Для двигунів, які виробляють понад 37 кіловат, існують суворіші обмеження щодо оксидів азоту та частинок, згідно з правилами для двигунів, що не використовуються на дорогах. Більші двигуни, які використовуються в комерційних морських операціях, повинні застосовувати досить складні технології, щоб залишатися у межах цих вимог. Такі системи, як рециркуляція відпрацьованих газів або селективне каталітичне відновлення, стають необхідними додатками для суден, які хочуть дотримуватися законодавчих вимог і при цьому ефективно працювати в морі.

Процес сертифікації морських дизель-генераторів згідно з федеральними нормами США

Процес сертифікації в США вимагає досить інтенсивного тестування морських двигунів, яке охоплює всі специфічні режими роботи, що реально виникають під час експлуатації суден на воді. Це передбачає перевірку двигунів за умов змінних навантажень та моделювання наслідків тривалого впливу реальних морських умов. Згідно з останніми федеральними вимогами, виробники мають довести, що їхні двигуни відповідають стандартам щонайменше на 80 відсотків від заявленої потужності. Також існує кілька важливих контрольних етапів. По-перше, необхідно отримати схвалення різних технологій систем керування двигуном ще до початку виробництва. По-друге, слід врахувати природне старіння компонентів, щоб викиди залишалися в межах допустимих значень протягом усього терміну служби обладнання — 10 000 годин. Увесь цей процес забезпечує надійну роботу сертифікованих морських двигунів навіть після багаторічної експлуатації в складних умовах.

Узгодження національних та міжнародних нормативних вимог

Стандарти EPA Tier 4 передбачають зниження викидів NOx приблизно на 90 відсотків у порівнянні зі старішими установками Tier 1. Тим часом Міжнародна морська організація наполегливо працює над контролем викидів SOx та NOx шляхом реалізації положень MARPOL Додатка VI. Сучасні суднові дизель-генератори часто оснащуються опціями подвійного палива та модульними системами очищення, здатними виконувати ці різні вимоги. Для компаній, що виробляють двигуни, які мають функціонувати по всьому світу, узгодження методів випробувань та цільових показників викидів — це не просто перевага, а практично необхідність, якщо вони хочуть залишатися конкурентоспроможними в різних регіонах, не перерозробляючи постійно свої продукти з нуля.

ЧаП

Яка основна мета Додатка VI до MARPOL?

Основна мета Додатка VI до MARPOL полягає у зменшенні забруднення повітря від суднових двигунів шляхом контролю викидів оксидів азоту (NOx), оксидів сірки (SOx) та твердих частинок (PM).

Чому важливі стандарти викидів рівня 3?

Стандарти викидів рівня 3 важливі, оскільки вони значно зменшують викиди NOx приблизно на 80% порівняно зі старішими стандартами, забезпечуючи чистіше повітря та дотримання вимог у зонах контролю викидів (ECAs).

З якими труднощами стикаються судновласники через стандарти рівня 4?

Судновласники стикаються з труднощами щодо стандартів рівня 4 через обмеженість місця та необхідність регулярного обслуговування фільтрів твердих частинок, що може порушити робочий графік.

Як альтернативні палива, такі як зріджений природний газ, допомагають виконувати стандарти викидів?

Альтернативні палива, такі як зріджений природний газ (LNG), допомагають виконувати стандарти викидів, оскільки вони утворюють менше викидів порівняно з традиційними судновими паливами, сприяючи дотриманню обмежень з викидів сірки та оксидів азоту.