Наука и техникаНаука

Аммиак — новое топливо для судовых двигателей

Александр Митрофанов

Борьба с загрязнением атмосферы окислами углерода, азота и серы коснулась не только промышленных предпрятий, наземного и воздушного транспорта, но и транспорта водного.

В настоящее время суда потребляют в год около 300 млн т нефтепродуктов и выбрасывают в атмосферу 3–4% CO₂ от общего количества, вызванного человеческой деятельностью. В то же время торговый флот играет фундаментальную роль в мировой экономике, перевозя более 80% всех грузов.

В 1973 году ИМО (Международная морская организация) приняла Международную конвенцию по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ – International Convention for the Prevention of Pollution from Ships, MARPOL 73/78), которая была дополнена Протоколами 1978 и 1997 годов и постоянно обновляется соответствующими поправками. Конвенция МАРПОЛ касается загрязнения с судов нефтью, вредными жидкими веществами, перевозимыми наливом, вредными веществами, перевозимыми по морю в упакованном виде, сточными водами, мусором, а также предотвращения загрязнения воздуха с судов. МАРПОЛ внес большой вклад в значительное снижение загрязнения окружающей среды в результате международного судоходства и применяется к 99% мирового торгового тоннажа.

Первым шагом стало ограничение выбросов в атмосферу оксида серы (SOx) и оксидов азота (NOx), образующихся при сгорании топлива в судовых энергетических установках. Правила по предотвращению загрязнения воздуха с судов (Приложение VI МАРПОЛ, вступило в силу 19 мая 2005 г.) устанавливают определенные зоны контроля выбросов оксида серы (SOx) с более строгим контролем выбросов серы и зоны контроля выбросов оксидов азота (NOx) для стандартов выбросов NOx уровня III (Emission Control Areas for Sulphur Oxides, Nitrogen Oxides). Emission Control Areas (ECA) представляют собой зоны либо контроля выбросов серы (SECA), либо выбросов оксидов азота (NECA).

В соответствии с Правилами ИМО, согласно Приложению VI к МАРПОЛ, в настоящее время все зоны контроля выбросов (ECA) имеют ограничения по выбросам SOx (SECA) и ограничения по выбросам NOx (NECA).

В настоящее время установлены следующие ECA:

• Baltic Sea & North Sea (Балтийское и Северное моря);
• North American Area (Североамериканский район). Включает прибрежные районы США, включая Гавайские острова и Канады;
• U.S. Caribbean Sea Area (Карибские острова США);
• Mediterranean Sea (Средиземное море);
• Canadian Arctic & Norwegian Sea (Канадская Арктика и Норвежское море).

Вступило в силу 1 марта 2026 года.

Кроме того, ИМО рассматривает North-East Atlantic Ocean (Северо-Восточную часть Атлантики) как потенциальную ECA в обозримом будущем. Ряд стран, включая КНР, Южную Корею, Австралию и Мексику, уже выдвинули предложения о включении своих территориальных вод в зоны ECA.

Зоны ECA

В пределах ECA максимальное содержание серы в судовом топливе не должно превышать 0,1%, в то время как за их пределами допускается до 0,5%. А ведь автор еще помнит «старые добрые времена», когда ему приходилось работать на тяжелом топливе с содержанием серы аж 4,5%!

За пределами SECA суда, построенные в 2010 году или ранее, по выбросам NOx должны соответствовать не менее чем Tier I, а построенные в 2011 году или позже – Tier II. Если выбросы согласно Tier I и Tier II достигаются путем конструктивной доработки двигателей, то достичь Tier III можно только путем специальной обработки выпускных газов.

При использовании скрубберов в ECA можно применять и более сернистое топливо. В скруббере выхлопные газы орошаются водой (забортной или пресной), которая поглощает окислы серы и частично окислы азота с образованием кислот, а также сажу, каторая собирается в шламовой цистерне. Отработавшая вода сбрасывается за борт, если это допускает местное законодательство (открытый цикл), или после нейтрализации щелочью и очистки от сажи возвращается в процесс (замкнутый цикл), при этом обычно используется пресная вода.

Для соответствия Tier III по содержанию NOx применяются различные методы, в частности:

1. Селективное каталитическое восстановление (SCR).

В этой системе мочевина или аммиак впрыскиваются в выхлопные газы перед их прохождением через установку, состоящую из специального слоя катализатора, при температуре от 300 до 400 градусов Цельсия. Химическая реакция между мочевиной/аммиаком и NOx в выхлопных газах снижает выбросы NOx (NO и NO₂) до N₂. Блок SCR устанавливается между выпускным коллектором и турбонагнетателем. Такой метод обеспечивает снижение содержания NOx более чем на 90%.

2. Рециркуляция отработавших газов (EGR).

В этой технологии часть выхлопных газов после турбонагнетателя возвращается в продувочный ресивер после прохождения его через блок скруббера (промывки выхлопных газов). Это обеспечивает снижение NOx на 50– 60% по сравнению с Tier I.

Снижение NO^_x происходит за счет уменьшения коэффициента избытка воздуха (содержания кислорода), используемого для сжигания, добавление CO₂ и водяного пара снижает пиковые температуры.

Вышеуказанные меры значительно повышают эксплуатационные затраты и снижают экономическую эффективность судов. Так, снижение содержания серы в судовом топливе повышает его стоимость в среднем на 20%, а установка скрубберов обходится более чем в 300 тыс. евро на 1 мВт мощности двигателя без учета последующих эксплуатационных затрат.

Начиная с 2011 года ИМО включилась в борьбу с выбросами парниковых газов (Greenhouse Gas Emissions – GHG), добавив Главу 4 Приложения VI к конвенции MARPOL «Правила энергоэффективности судов» (Chapter 4 to Annex VI on “Regulations on energy efficiency for ships”). Она применяется к судам валовой вместимостью 400 т и более, совершающим международные рейсы.

Был введен Конструктивный коэффициент энергоэффективности – ККЭЭ (Energy Efficiency Design Index – EEDI) – для новых судов, Планы управления энергоэффективностью (SEEMP) и Система сбора данных о расходе топлива (DCS) для судов от 5000 т.

EEDI измеряет количество граммов CO₂, выбрасываемых на тонно-милю, стимулируя таким образом использование более эффективного оборудования. Чем меньше EEDI, тем выше эффективность судна. Формула учитывает технические параметры судна (мощность двигателя, скорость, дедвейт). «Достигнутый EEDI» должен быть меньше «требуемого EEDI», который ужесточается каждые 5 лет. Обязателен для большинства новых судов валовой вместимостью 400 и более рег. тонн, контракт на постройку которых подписан после 1 января 2013 г.

В 2018 и 2023 годах ИМО определил свою стратегию на снижение GHG в мировом судоходстве.

Стратегия ИМО в борьбе с выбросами парниковых газов GHG

Индикаторы интенсивности углерода (CII – Carbon Intensity Indicator) – с 2023 года внедрены требования по рейтингу судов (от A до E) на основе их эксплуатационной эффективности. CII – это показатель эксплуатационной энергоэффективности судна, который рассчитывается ежегодно. Он показывает, сколько граммов углекислого газа (CO2) выбрасывается на единицу транспортной работы. При этом используются данные Системы сбора данных ИМО (IMO DCS), которая уже обязательна для судов.