В настоящей статье представлена краткая характеристика сжиженного природного газа как одной из альтернатив в качестве топлива для судовых энергетических установок. Автор также продемонстрировал необходимые технические параметры для применения подобного типа топлива в судостроении.
Ключевые слова: судовые энергетические установки, газовая турбина, газотурбинная энергетическая установка, сжиженный природный газ, судостроение.
Морские перевозки играют ключевую роль в международной цепочке поставок в период быстрого роста международной экономики, которая наблюдается с начала XXI века. Более 90 % мировой торговли осуществляется международным судоходством, причем ежегодно по морю перевозится около 8 млрд. тонн товаров международной торговли. Увеличение количества товаров, перевозимых судами, привело к увеличению и количества топлива, потребляемого сектором морского транспорта в последние десятилетия, с ожиданием сохранения этой тенденции в последующие годы. Ископаемое топливо в формах дизельного топлива и мазута считаются в основном судовым топливом. Однако в последние годы у топлива, использующегося в судовых энергетических установках, были выявлены две основные проблемы, первая из которых — постоянный рост цен на топливо [3].
Хотя цены за последние двадцать лет находились в колебательном паттерне повышения и снижения, они по-прежнему находятся на высоком уровне. Ожидания экономистов указывают на то, что цены будут продолжать расти, что, соответственно, привело к тому, что фактор стоимости топлива стал еще более значительным в общей стоимости эксплуатации корабля. Вторая проблема — выбросы судов, поскольку за последние десятилетия выбросы в атмосферу с судов стали предметом повышенного внимания во всем индустриальном мире. Хотя реальный уровень загрязнения морского воздуха не ясен, вклад судов в глобальные выбросы можно приблизительно обозначить в следующих пределах: оксиды азота [NOx] — 10–20 %. углекислый газ [CO 2 ] — 2–4 %. оксиды серы [SOx] — 4–8 %. Чтобы минимизировать вышеприведенные проблемы, было проведено множество исследований, чтобы представить практические решения, и одним из таких решений является использование альтернативного топлива вместо ископаемого топлива. Основные альтернативные типы судового топлива можно найти в двух формах: жидкое топливо, включая этанол, метанол, биожидкое топливо и биодизель, и газообразные топлива, включая пропан, водород и природный газ. Несмотря на то, что все эти виды топлива более экологичны, чем ископаемое топливо, некоторые из них по-прежнему трудно широко применять на борту судов из-за низкого содержания энергии, например, метанол и этанол. Сравнение этих типов показывает, что и водород, и природный газ считаются лучшими альтернативами применению на борту судов, особенно с точки зрения решения экономических и экологических проблем [2].
Так, природный газ представляет собой газообразное ископаемое топливо, основным компонентом которого является метан. С точки зрения доступности за последние десять лет мировое производство природного газа показывает ежегодный рост на 3,2 %, а мировое потребление составляет 3,05 %, что указывает на то, что устойчивость природного газа выше, чем у традиционного жидкого топлива — дизельного топлива. Согласно нынешним ценам на топливо, цена природного газа в долларах США, который дает такую же энергию от сырой нефти, почти равна половине цены на сырую нефть — это означает, что использование природного газа в качестве источника топлива для транспортного сектора, в том числе морского, будет менее затратным, чем использование традиционного топлива из сырой нефти [1].
Природный газ, в целом, является чрезвычайно важным источником энергии для снижения загрязнения и поддержания чистой и здоровой окружающей среды. Основными продуктами сгорания природного газа являются углекислый газ и водяной пар. Сам по себе природный газ можно найти на борту судов в трех формах: газ, жидкость [сжиженный природный газ, СПГ] и сжатый природный газ. В судоходной отрасли СПГ десятилетиями известен как товар, перевозимый большими танкерами по всему миру. Недавно ряд компаний впервые применили СПГ в качестве топлива, особенно для судов, выполняющих регулярные каботажные перевозки. Так, считается, что через 5–10 лет большинство судов, привлекаемых для каботажных перевозок, будут использовать СПГ в качестве судового мазута [1].
Говоря о функциональных и конструктивных характеристиках морских судов с СПГ в качестве топлива для судовых энергетических установок, можно сказать, что СПГ хранится в качестве топлива на борту судов в цилиндрическом криогенном резервуаре, изготовленном из специального армированного пластика с пределом прочности на растяжение 1029 МПа. Стенки резервуара изготовлены таким образом, что он может выдерживать давление от 0,3 до 10 бар, храниться СПГ при температуре -162 °C, а плотность составляет 0,450 т/м 3 при 1 бар. Резервуары для хранения всегда имеют двойные стенки с чрезвычайно эффективной изоляцией между ними. Изоляция, какой бы эффективной она ни была, сама по себе не удержит температуру СПГ на низком уровне, вследствие чего СПГ хранится как «кипящий криоген», то есть это очень холодная жидкость при температуре кипения для того давления, при котором он хранится [3].
Для бункеровки и трубопроводов судов, работающих на СПГ, как правило, газопроводы не должны проходить через жилые помещения, служебные помещения или помещения управления. Любая газовая труба, проходящая через закрытое пространство на корабле за пределами машинного отделения, должна быть расположена внутри двойной трубы или воздуховода с механической вентиляцией под давлением, обеспечивающей 30 воздухообменов в час, и системами обнаружением газа. Размер воздуховода должен выдерживать давление, возникающее при разрыве трубы. Для трубопровода низкого давления (макс. 10 бар) размер воздуховода должен быть рассчитан на расчетное давление не меньше, чем у газовой трубы. Также при использовании сжиженного природного газа в качестве топлива для судовых энергетических установок, необходимо обеспечить соответствующий уровень безопасности. Так, основная проблема безопасности при подаче газа на судно будет заключаться в ограничении и контроле мест, где он может присутствовать, принимая во внимание, что воспламенение не может произойти, если природный газ не смешан в соотношении от 5,3 % до 14 % с воздухом [2].
Таким образом, можно сделать вывод, что природный газ, как топливо, хорошо зарекомендовал себя в секторе городского транспорта и электроэнергетики, и данная технология может быть передана в эксплуатацию в отрасль судоходства благодаря наличию перспективных двигателей, систем и технической помощи. Быстрый рост спроса на природный газ как на мировой источник энергии заставляет всех, кто интересуется источниками энергии, экономикой и загрязнением окружающей среды, продвигать эту новую технологию вперед, чтобы увеличить возможность ее использования во всех судовых энергетических установках в более безопасной форме, особенно в области судоходства. Соображения безопасности при использовании природного газа в качестве основного топлива на борту судов считаются одним из факторов, влияющих на переход с дизельного топлива на природный газ. Поскольку природный газ считался более чистым топливом с более высоким содержанием энергии, это сделало его более подходящим для всех судовых энергетических установок, таких как дизельные двигатели, паровые турбины и газовые турбины.
В тех случаях, когда газовая турбина на судне в качестве функционала энергетической установки наносит наименьший вред окружающей среде среди традиционных морских электростанций, основным преимуществом использования природного газа в качестве топлива для судовой газовой турбины является экономическая выгода за счет использования более дешевого топлива, чем флотский мазут. Но до сих пор использование судовых газовых турбин, работающих на природном газе, ограничено такими типами судов, как перевозчики сжиженного природного газа, использующие систему отпарных газов, а также высокоскоростные пассажирские суда, работающие на коротких дистанциях маршрутов плавания.
Литература:
- Brun K, Kurz R. 2020. Myth: Gas turbines do not belong on commercial ships [Электронный ресурс]. URL: https://www.camfil.com/en/insights/energy-and-power-systems/mythbuster-gas-turbines-in-ships (дата обращения: 24.06.2022).
- Elgohary MM, Seddiek IS. 2012. Comparison between Natural Gas and Diesel Fuel Oil Onboard Gas Turbine Powered Ships. JKAU Marine Science 23(2):109–127.
- Elgohary MM. 2013. Overview of past, present and future marine power plants. Journal of Marine Science and Application 12(2):219–227.
