Влияние тенденций на рынке энергоресурсов на энергетику газовозов сжиженного природного газа



В статье описываются причины возросшего влияния соотношений цен на типы топлив на процесс выбора ГД газовозов СПГ. Анализируется влияние этого фактора на выбор типа ГД газовозов в XXI веке и приводятся наглядные примеры, иллюстрирующие жёсткую связь между этими двумя процессами. Рассматривается вопрос комплектации газовозов «чисто» газовыми двигателями и определяется ситуация на рынке энергоресурсов, способная повлиять на дальнейшее развитие такого проектного решения.

Принятые сокращения

ГД — главный двигатель;

ГК — главный котёл;

ГЭУ — главная энергетическая установка;

ДВС — двигатель внутреннего сгорания;

ДГ — дизель-генератор;

ДТ — дизельное топливо;

ЕЭЭС — единая электроэнергетическая система;

МО — машинное отделение;

МОД — малооборотный дизель;

НУ — нормальные условия;

ОС — окружающая среда;

ПГ — природный газ;

ППП — промежуточный перегрев пара;

ПУ — пропульсивная установка;

ПТУ — паротурбинная установка;

СОД — среднеоборотный дизель;

СПГ — сжиженный природный газ;

СЭУ — судовая энергетическая установка;

ТТ — тяжёлое топливо;

УПСГ — установка повторного сжижения газа.

Причины возросшего влияния ценового фактора в XXI веке

Первое десятилетие XXI века без сомнения можно назвать переломным этапом для энергетики (в первую очередь, главной) газовозов СПГ. Это время, когда начинают активно появляться и применяться на практике новые способы эффективной утилизации выпара груза рефрижераторных газовозов. Здесь речь идёт, в первую очередь, о применении новых типов высокоэффективных ДВС, эффективность которых, для ряда случаев, сделала объёмы выпара ПГ даже избыточными. Например, если ЕЭЭС судна укомплектована ДГ с приводными двигателями Wärtsilä линейки 50DF, то, при обеспечении частоты переменного тока в 50 Гц, двигатель будет иметь удельный расход стандартного топлива 187 [5, с. 22]. В то время как, ставшие в 20 веке традиционными для этого типа судов, ПТУ, даже с ППП, будут иметь удельный расход стандартного топлива не ниже 245 . Эти числа говорят о том, что в 21 веке был взят курс на увеличение доли газового топлива в составе топливной смеси ГД (для ДВС, как правило, не ниже 70 % на газовом режиме). То есть ПГ стал полноценным типом судового топлива. Следовательно, возросло влияние соотношения цен на типы топлива и на выбор самого типа ГД газовоза. Практический интерес представляет анализ влияния изменения цен на рынке энергоресурсов на развитие главной энергетики газовозов СПГ, с целью выявления векторов дальнейшего развития индустрии.

Изменения цен на рынке энергоресурсов

Рынок энергоресурсов, к сожалению, был и остаётся крайне нестабильным. И, как показывает опыт последних лет, предсказать изменения цен на нём практически невозможно. Подтверждением этому могут служить графики изменения цен на тяжёлое, дизельное и газовое топливо за последние 20 лет (соответственно рисунки 1, 2 и 3).

Рис. 1. Диаграмма изменения цен на ТТ с 1997 по 2016 гг.

Средняя по временному диапазону цена ТТ составляет 324,90 $/нт.

Рис. 2. Диаграмма изменения цен на ДТ с 1997 по 2016 гг.

Средняя по временному диапазону цена ДТ составляет 505,75 $/нт.

Рис. 3. Диаграмма изменения цен на ПГ с 1997 по 2016 гг.

Средняя по временному диапазону цена СПГ составляет 8,61 $/mmbtu (316,54 $/тыс. нм³). Если рыночная цена на нефтяное топливо определяется за тонну при НУ, то цена на ПГ определяется за 1 mmbtu. Эта несистемная единица измерения называется британской термальной единицей массы. Для ПГ при НУ одному mmbtu соответствует 27,2 нм³. На рисунке 3 приведено 2 графика: А — изменение цены на ПГ; Б — изменение цены на регазифицированный СПГ. Увеличение цены на СПГ определяется следующими факторами:

– перекачка по трубопроводам от месторождения до портового терминала (в среднем) — 0,04 $/нм³;

– сжижение в порту — 0,04 $/нм³;

– регазификация в портовом терминале импортёра — 0,02 $/нм³;

– морская перевозка — 0,04 $/нм³ [4, с. 8–9].

Среднегодовые цены на нефтяное топливо (ТТ, ДТ) были определены по ценам на бункерное топливо в порту Роттердама, на ПГ — [1, с. 3]. Приведённые диаграммы подтверждают утверждение о крайней волатильности этого рынка: за рассмотренное время произошло изменение цены ТТ в 9,27 раза, ДТ — 7,23 раза, СПГ — 2,86 раза.

Анализ связей между изменением цен на типы топлива и развитием СЭУ газовозов

Развитие главной энергетики газовозов СПГ в XXI веке, условно, можно разделить на четыре этапа. Первый этап длился до конца 2006 года. Он характеризуем выбором ПТУ, как наиболее распространённым проектным решением, что являло собой продолжение сложившейся “традиции” сжигания выпара груза в ГК ПТУ. В соответствии с рисунками 1 и 3, к началу 21 века, 1 кДж энергии получаемой сжиганием ПГ был дороже чем сжиганием ТТ. В этих условиях была впервые реализована на практике идея использование бортовой УПСГ — газовоз «Jamal», эксплуатация которого началась в октябре 2000 года. Судно, по-прежнему, имело паротурбинную ГЭУ, но также было оснащено и УПСГ электрической мощностью в 3 МВт, обеспечивающей полное сжижение трёх тонн выпара в час [2, с. 79–80]. Другим важным событием стал ввод в эксплуатацию одного из первых газовозов с ЕЭЭС — «GAZ de FRANCE ENERGY» (2004 год). ЕЭЭС газовоза была оснащена четырьмя ДГ на базе двигателей Wartsila 6L50DF. Эти двигатели не были трёхтопливными — не были приспособлены к работе на ТТ, но, тем не менее, позволяли утилизировать испарившийся ПГ значительно более эффективно чем в ПТУ. Хотя, конечно, такая комплектация СЭУ и подразумевала ход в балласте на дорогостоящем ДТ.

Следующий этап длится до конца 2008 года. Он характеризуется стремительным ростом цен на все виды топлива и, в первую очередь, увеличивается ценность СПГ как товара. На фоне этой тенденции возникает идея комплектации ГЭУ газовозов “чисто” дизельными ГД — газовозы семейств Q-flex и Q-max, вместимостью, соответственно, 210 и 260 тыс. м³. В период с 2007 года в Южной Корее было построено 31 судно Q-flex и 14 судов Q-max [3, с. 8], оснащённых двигателями MAN B&W S70ME-C. Таким образом, применение МОД позволило впервые газовозам СПГ по экономичности ПУ сравняться с другими типами судов торгового флота. Также “дорогой” ПГ дал толчок дальнейшему развитию бортовых УПСГ. Например, газовозы Q-max получили установки производительностью 7 тонн выпара в час и электрической мощностью 6 МВт. В целом, использование МОД в качестве ГД газовоза — это нетипичное проектное решение, потому что ПУ газовоза должна соответствовать требованиям избыточности мощности (т. е. иметь более одного источника привода движителя). Обеспечить выполнение этого требование на стандартных газовозах (вместимостью до 180000 м³) используя МОД, практически, невозможно, ввиду ограниченности объёма МО.

Третий этап длится до конца 2014 года. Он интересен разнонаправленностью ценовых тенденций для типов топлива: с одной стороны, дешевеет ПГ, с другой стороны, после отрицательного скачка в 2009 году продолжает дорожать нефтяное топливо. В таких условиях очевидными стали преимущества двух- и трёхтопливных ДВС. Поскольку малооборотные ДВС такого типа отсутствовали, то главенствующее положение заняли двигатели Wärtsilä 50DF, которые к тому времени уже были адаптированы к работе и на ТТ. Трёхтопливными ЕЭЭС за это время были укомплектованы следующие газовозы: «GDF SUEZ NEPTUNE», «SERI BALHAF», «ABDELKADER», «BARCELONA KNUTSEN», «CASTILLO de SANTISTEBAN», «GDF SUEZ POINT FORTIN», «METHANE JULIA LOUISE», «SOYO», «WOODSIDE ROGERS». Из перечисленных судов только «CASTILLO de SANTISTEBAN» был оснащён приводными двухтопливными ДВС MAN B&W — 8L51/60DF. Отсутствие малооборотных ДВС, способных работать на газовом режиме, стало одной из причин того, что на этом временном промежутке не строились газовозы грузовместимостью более 178 тыс. м³. Главная тенденция этого периода — создание ПУ максимально приспособленной к волатильности на рынке топлива. Одним из проявлений такого подхода стала комплектация судна «METHANE JULIA LOUISE», дополнительно к трёхтопливной ЕЭЭС и УПСГ.

В настоящее время изменение цен на типы топлива происходит сонаправленно, к тому же к минимуму приблизилось соотношение стоимостей одного кДж энергии, полученной при сжигании ТТ и ПГ. Сейчас 1 кДж полученный на ПГ дороже всего на 6 %. С другой стороны, ужесточение экологических норм в акватории стран Западной Европы, в принципе, исключило возможность использования ТТ в качестве топлива газовозов в этом регионе, отличающемся высоким потреблением природного газа (то есть привлекательным для экспорта). В этой связи встаёт вопрос целесообразности полного перевода флота газовозов СПГ, работающих на западном рынке, на газовое топливо.

Оценка ценового порога целесообразности использования газовых ДВС

Под газовыми двигателями здесь понимаются ГД способные работать на ПГ без примеси запального топлива. Образцом такого типа двигателей могут служить судовые дизель-генераторные агрегаты фирмы Rolls-Royce Bergen типоразмерного ряда B35:40, с максимальной агрегатной электрической мощностью 7 МВт.

Задача заключается в определении цены на СПГ, при которой станет экономически целесообразной работа ГД на ПГ на прямом и обратном пути, т. е. появится возможность использовать на газовозах газовые двигатели. Расчёт проводится из условия сохранения постоянной интенсивности грузоперевозки, устанавливаемого равенством 1.

(1)

где — эксплуатационные скорости базового (19 уз) и рассчитываемого газовозов;

— их полезные грузовместимости (то есть объём груза, получаемый импортёром).

Оценка осуществляется для стандартного газовоза грузовместимостью (полной) 138000 м³, в качестве прототипа используется газовоз СПГ «EXCELSIOUR». Время, проводимое судном в портах, не учитывается. Равенству 1 соответствует расчётная формула 2.

(2)

где — полная грузовместимость (138000 м³);

— эффективная мощность ГД прототипа (23620 кВт);

S — плечо рейса (3000 морских миль);

q_e– удельный расход теплоты газовым двигателем (7500 );

k_B — коэффициент выпара в долях ();

k_ρ — коэффициент изменения плотности ПГ ();

k_бал — коэффициент снижение мощности ГД на балластном переходе (0,788);

— удельная низшая теплота сгорания ПГ (34090 кДж/м³).

Формула 2 не учитывает потерь груза базовым вариантом на балластном переходе — эта величина компенсируется затратами энергии расчётным вариантом на работу бортовой регазификационной установки (она необходима в случае недостаточности естественного выпара, т. е. малости k_B). При принятых значениях величин, решением уравнения будет скорость в 19,16 уз. Ей соответствует увеличение мощности ГД до 24220 кВт.

Если, в качестве топлива газовоза, альтернативой смеси ПГ+ДТ рассматривается ПГ, то затраты на топливо для базового и расчётного вариантов, при средней за 20 лет цене на ДТ, равны при цене ПГ — 436,45 $/тыс. нм³ или 11,87 $/mmbtu. Для смеси ПГ+ТТ — 295,29 $/тыс. нм³ или 8,03 $/mmbtu. Принимаемая доля ПГ в топливе двухтопливных ДВС — 0,9. В первом случае, допустимая цена ПГ выше средней на 38 %, во втором, — ниже на 7 %. Таким образом, комплектация газовыми двигателями стандартных газовозов, большая часть рейса которых проходит в территориальных водах европейских стран, экономически рациональна уже сегодня, а, при условии дорожания ТТ, допустима и на азиатском рынке. Хотя такие ГД и не адаптированы к волатильности цен на энергоресурсы в целом.

Литература:

1. A Thematic Analysis of LNG, Geopolitical Economics, and The Future of Energy, Golar LNG, 2016.
2. J. Romero Gomez, M. Romero Gomez, R. Ferreiro Garsia, A. De Miguel Catoira, On board LNG reliquefaction technology: a comparative study, University of A Coruna, Spain, Polish maritime research, № 1/2014.
3. SIGNIFICANT SHIPS of 2007, London, The Royal Institution of Naval Architects, 2008.
4. The challenges of further cost reductions for new supply options (pipeline, LNG, GTL), 22^nd world gas conference, Tokyo, 1–5 June 2003.
5. WӒRTSILӒ 50DF Product Guide, Wärtsilä, Marine solutions, Vaasa, November 2016.