В настоящее время экосистема Мирового океана далеко не всегда и не во всех районах справляется со всё нарастающими антропогенными нагрузками. Это приводит к нарушению равновесия экосистемы океана, способному, как предсказывают учёные, через 40-50 лет стать необратимым, если не будут приняты экстренные меры по охране окружающей среды. Поэтому сохранение водной акватории от загрязнения различными веществами, особенно нефтепродуктами, становится в настоящее время крайне актуальной задачей.

В современных условиях экологической напряженности все больше внимания уделяется охране окружающей среды и снижению вредного воздействия на нее. Одним из наиболее значимых источников загрязнений являются суда, особенно суда, работающие на дизельном топливе. Именно поэтому вопрос изучения, создания и применения систем очистки выхлопных газов на судне, повышение энергоэффективности судна, внедрение чистого топлива и новых разработок в сфере водного транспорта становится актуальным и необходимым.

В соответствии со «Стратегией развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года» приоритетными задачами являются повышение безопасности, экологичности и энергоэффективности перевозок на внутреннем водном транспорте (ВВТ). При этом одной из актуальных задач для повышения эффективности использования флота на перевозках является снижение эксплуатационных издержек, которое может быть достигнуто путём рационального использования топлива и совершенствования технической эксплуатации флота.

Цель работы - анализ экологического обоснования исследования судовых систем и оборудования.

Задачи:

Рассмотреть методы повышения энергоэффективности судовых систем и оборудования.

Изучить внедрение чистых топлив на водный транспорт.

Определить системы очистки выбросов отходящих газов судовых двигателей, возможности мониторинга и управление выбросами на судах.

Выявить новейшие разработки и инновационные решения в судовых системах и оборудовании, которые способствуют экологически устойчивому судоходству.

Предмет исследования - судовые системы и оборудование.

Объект исследования – экологичность перевозок на водном транспорте.

1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СУДОВЫХ СИСТЕМ И ОБОРУДОВАНИЯ

В настоящее время разработано несколько методов повышения энергоэффективности судовых систем и оборудования:

Использование эффективных судовых двигателей: выбор двигателей с высоким КПД (коэффициентом полезного действия) может значительно снизить потребление топлива и выбросы. Современные двигатели, такие как газотурбинные двигатели, электрические пропульсивные системы и системы с переменными скоростями, могут быть более эффективными по сравнению с традиционными дизельными двигателями.

Оптимизация конструкции судна: модификация гидродинамического профиля судна, использование современных материалов легкой конструкции и снижение гидродинамического сопротивления могут улучшить эффективность судна и снизить его энергопотребление. Вот некоторые преимущества такого подхода:

снижение массы судна - применение легких и прочных материалов, таких как алюминий, композиты и передовые стали, позволяет снизить общую массу судна. Уменьшение массы имеет прямое влияние на энергопотребление, поскольку легкое судно требует меньше энергии для движения и поддержания оптимальной скорости;

улучшение гидродинамических характеристик - оптимизация формы корпуса и уменьшение гидродинамического сопротивления судна способствуют снижению сил трения и сопротивления воды. Применение современных техник моделирования и расчета позволяет разработать более гладкую и эффективную обводку судна, что увеличивает его скорость и снижает энергопотребление.

использование новых пропульсивных систем - нновационные пропульсивные системы, такие как водометные и воздушные подушки, а также электрические и гибридные приводы, могут значительно улучшить эффективность и маневренность судна. Они позволяют снизить потери энергии, связанные с традиционными пропульсивными системами и обеспечивают оптимальное использование ресурсов.

Управление энергопотреблением: внедрение интеллектуальных систем управления судовыми системами может оптимизировать расход энергии. Это может включать автоматическое регулирование скорости и мощности двигателя в зависимости от нагрузки, управление освещением и вентиляцией, а также энергосберегающие режимы работы систем.

Регулярное и правильное обслуживание судовых систем и оборудования помогает сохранить их работоспособность и эффективность. Это может включать проверку и замену изношенных компонентов, очистку и смазку систем, а также настройку и оптимизацию систем для достижения максимальной энергоэффективности.

Таким образом, улучшение энергоэффективности судов имеет положительный эффект на окружающую среду. Снижение энергопотребления судна влечет за собой уменьшение выбросов парниковых газов, таких как CO2, и других загрязняющих веществ. Это важно в условиях повышенного внимания к экологической устойчивости и сокращению воздействия на климат. Использование современных материалов легкой конструкции и снижение гидродинамического сопротивления - важные факторы для достижения энергоэффективности и снижения потребления ресурсов в морской индустрии.

2. ВНЕДРЕНИЕ ЧИСТЫХ ТОПЛИВ НА ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ

По сравнению с другими видами транспортных средств, по уровню выбросов оксидов серы и двуокиси углерода водный транспорт считается самым «грязным». Суммарно на его долю приходится до 5,3 % общих выбросов в окружающую среду. Естественно, мировое сообщество в последнее время принимает ряд коренных мер, направленных на снижение загрязнений окружающей среды, повышение экономии топлива, улучшение характеристик энергетических установок в секторе водного транспорта.

Среди альтернативных видов топлива в настоящее время рассматриваются: сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), метанол, биотопливо и водород.

В качестве альтернативных топлив, а вернее, энергоносителей, ряд судовладельцев уже сегодня используют метиловый спирт (метанол). Преимуществом такого вида топлива является его экологичность – в нем нет серы, а содержание оксидов азота и диоксида углерода в отработавших газах значительно меньше. К сожалению, метиловый спирт и его пары ядовиты, а оксид и диоксид углерода образовываются и выбрасываются в атмосферу в большем количестве при его производстве. Таким образом, производство парниковых газов просто переноситься с акватории (в случае использования традиционного топлива) на территорию (где располагается химическое производство).

Использование чистых топлив на судах, таких как сжиженный природный газ (СПГ), водород и биотопливо, имеет значительные перспективы. Вот несколько причин, почему это может быть выгодным:

снижение выбросов парниковых газов: чистые топлива, такие как СПГ, водород и биотопливо, обладают более высокой чистотой с точки зрения выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2) и оксиды азота (NOx). Их использование может значительно уменьшить негативное воздействие судов на климат.

соответствие регулятивным требованиям: Международная Морская Организация (ММО) и другие регулирующие органы вводят все более строгие нормативы относительно выбросов судов. Они поощряют или даже требуют использования чистых топлив и предлагают субсидии или налоговые льготы для судов, использующих такие топлива.

репутационные и бизнес-преимущества: использование чистых топлив на судах может способствовать улучшению репутации и привлечению экологически осознанных клиентов и партнеров. Компании и операторы судов, демонстрирующие свою заботу о окружающей среде, могут быть более конкурентоспособными и востребованными на рынке.

Однако, необходимо учитывать и вызовы, связанные с использованием новых чистых топлив, такие как стоимость инфраструктуры, обеспечение безопасности и обучение персонала. Тем не менее, с улучшением технологий и ростом интереса к устойчивому развитию, применение чистых топлив на судах представляет собой перспективное направление для будущего.

Крупнейшие отечественные поставщики нефтепродуктов (компании «Роснефть», «Газпромнефть», «Лукойл» и др.) последние несколько лет стали активно расширять продуктовую линейку путем включения в ее состав судовых топлив высокого экологического класса.

Самым экологичным видом топлива является водород, производимый из возобновляемой энергии. Жидкий водород может быть использован будущем. Однако у него достаточно низкий показатель объемной энергетической плотности, что приводит к необходимости создания больших мест хранения.

3. СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ, ВОЗМОЖНОСТИ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЕ ВЫБРОСАМИ НА СУДАХ

В мировой практике применяют различные методы и способы очистки дымовых газов, базирующиеся на трех основных методах: физическом, химическом и биологическом. При этом на практике чаще всего используются: механический, физико-химический, электрохимический и биохимический.

Одной из наиболее эффективных систем очистки выхлопных газов на судне является избирательная каталитическая редукция (ИКР). Данная система использует набор катализаторов для превращения ионов азота (NOx) в азот (N2) и воду (H2O) на основе процесса химического взаимодействия. Данный метод позволяет снизить выбросы NOx на 90% или более.

Система очистки выхлопных газов на судне имеет ряд преимуществ.

Во-первых, она существенно снижает выбросы вредных веществ, включая окислы азота и серы.

Во-вторых, такая система помогает снизить влияние судна на морскую экосистему, улучшая состояние воды и исключая отравление рыбы и других морских животных.

В-третьих, использование системы очистки выхлопных газов на судне может существенно улучшить условия работы и жизни экипажа, устраняя вредные вещества из атмосферы, которую они вдыхают.

Система обработки выхлопных газов на судне включает в себя несколько ключевых стадий:

Стадия фильтрации, где выхлопные газы проходят через фильтр для удаления твердых частиц и других загрязнений.

Стадия нейтрализации, где остаточные токсичные газы, такие как окислы азота, проходят через каталитическую систему, которая превращает их в безопасные и недействующие вещества.

Стадия сорбции, где отработавшие газы проходят через сорбент, который поглощает оставшиеся загрязнения и нечистоты из газового потока.

Система очистки выхлопных газов на судне является эффективным решением для снижения выбросов вредных веществ в атмосферу. Она способствует защите окружающей среды, улучшает состояние морской экосистемы и обеспечивает безопасные условия работы экипажа. Системы очистки выхлопных газов на судне являются важными инновациями для судоходной отрасли и приносят пользу как природе, так и людям.

Система очистки выхлопных газов на судне является неотъемлемой частью экологической ответственности и устойчивого развития судоводства. Ее применения позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду и природные ресурсы, сохранить морскую экосистему и биоразнообразие.

Важно отметить, что применение систем очистки выхлопных газов на судне имеет не только экологическую, но и экономическую выгоду. Уменьшение выбросов вредных веществ и снижение риска пожаров и взрывов приводит к снижению затрат на ремонт и улучшению условий работы на судне.

Любое законодательство должно иметь надежную и жесткую программу мониторинга для обеспечения соблюдения отдельными судами. Текущее соответствие измеряется в ходе проверки бортовых журналов и заборов проб топлива в порту, что требует немало времени и средств. Некоторые современные методы, такие как использование дронов, проходят испытания, но вряд ли смогут обеспечить необходимый масштаб для полного охвата, а инспекции в порту по-прежнему необходимы для соблюдения законодательных стандартов.

С 01.01.2018 года вступила в силу обязанность судовладельцев по осуществлению планового отслеживания уровня выбросов углекислого газа в процессе судоходства, с ведением ежегодного отчета о таких уровнях.

Лицом, ответственным за внедрение и поддержание системы мониторинга, является судовладелец, а так же любое лицо, которому поручена эксплуатация судна судовладельцем.

Таким образом, использование систем очистки выхлопных газов не только позволяет защитить окружающую среду и жизнь на планете, но и является важным шагом в направлении устойчивого развития судоводства и морской отрасли в целом.

4. НОВЕЙШИЕ РАЗРАБОТКИ И ИННОВАЦИОННЫЕ РЕШЕНИЯ В СУДОВЫХ СИСТЕМАХ И ОБОРУДОВАНИИ

Переключение на электродвигатели имеет несколько преимуществ.

Экологичность: электродвигатели не выбрасывают вредных веществ в атмосферу, что значительно снижает негативное воздействие на окружающую среду и здоровье людей.

Тишина: электродвигатели работают практически бесшумно, что позволяет наслаждаться природой и не беспокоить окружающих.

Экономичность: использование электродвигателей требует гораздо меньше топлива по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, что может значительно сэкономить деньги.

Простота обслуживания: в отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели имеют меньшее количество подвижных частей, что упрощает их обслуживание и снижает затраты на ремонт и замену деталей.

Следующий способ – это гибридные суда. Это суда, которые используют комбинацию электрических и традиционных двигателей. Такие суда могут работать на электричестве в портах или в экологически чувствительных областях, что снижает выбросы загрязняющих веществ и шум.

Использование возобновляемых источников энергии: некоторые суда внедряют солнечные панели или ветрогенераторы для получения энергии. Это помогает уменьшить зависимость от ископаемых топлив и снижает выбросы парниковых газов. Применение солнечных панелей на судах. К преимуществам использования солнечных панелей следует отнести: - перспективность, доступность и неисчерпаемость источника энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды энергоносителей; - полную безопасность для окружающей среды. Однако этому источнику энергии свойственны такие недостатки, как зависимость от погоды и времени суток; сезонность в средних широтах и несовпадение периодов выработки энергии и потребности в ней, нерентабельность в высоких широтах; необходимость аккумуляции энергии; высокая стоимость конструкции, связанная с применением редких элементов; необходимость обслуживания (Приложение А).

Современное развитие техники пока не позволяет говорить о солнечных панелях и ветроустановках, как об альтернативе традиционным источникам энергии на морском транспорте. Лишь единицы судов используют, так или иначе, энергию возобновляемых источников. Опыт задействования установок носит скорее экспериментальный характер. Основными общими недостатками установок, использующих альтернативные виды энергии на судах, следует признать большую стоимость и низкую производительность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На водном транспорте используется много судовых систем и оборудования, которые могут загрязнять окружающую среду. Отходы от судов, выбросы выбросы SOx, NOx и CO2, а также несанкционированное сливание нефтепродуктов и балластных вод могут иметь негативное воздействие на экосистемы морей и океанов. Однако, водная транспортная индустрия сосредотачивает свои усилия на разработке и внедрении экологически устойчивых решений.

Целью данной работы является анализ экологического обоснования исследования судовых систем и оборудования. В ходе изучения темы, решены следующие задачи: рассмотрены методы повышения энергоэффективности судовых систем и оборудования; изучено внедрение чистых топлив на водный транспорт; определена система очистки выбросов отходящих газов судовых двигателей, возможности мониторинга и управление выбросами на судах; выявлены новейшие разработки и инновационные решения в судовых системах и оборудовании, которые способствуют экологически устойчивому судоходству.

Анализ литературных источников показывает, что повышение эффективности работы судовых энергетических установок (СЭУ) может быть достигнуто благодаря снижению энергопотребления судна, что влечет за собой уменьшение выбросов парниковых газов, таких как CO2, и других загрязняющих веществ. Применение легких и прочных материалов позволяет снизить общую массу судна. Внедрение интеллектуальных систем управления судовыми системами может оптимизировать расход энергии. Регулярное и правильное обслуживание судовых систем и оборудования помогает сохранить их работоспособность и эффективность.

Среди альтернативных видов топлива в настоящее время рассматриваются: сжиженный природный газ (СПГ), сжиженный углеводородный газ (СУГ), метанол, биотопливо и водород. Такие топлива, как СПГ, водород и биотопливо, обладают более высокой чистотой с точки зрения выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2) и оксиды азота. Их использование может значительно уменьшить негативное воздействие судов на климат. В качестве альтернативных топлив, а вернее, энергоносителей, ряд судовладельцев уже сегодня используют метиловый спирт (метанол). К сожалению, метиловый спирт и его пары ядовиты, а оксид и диоксид углерода образовываются и выбрасываются в атмосферу в большем количестве при его производстве.

В мировой практике применяют различные методы и способы очистки выхлопных газов, базирующиеся на трех основных методах: физическом, химическом и биологическом. Одной из наиболее эффективных систем очистки выхлопных газов на судне является избирательная каталитическая редукция (ИКР). Данная система использует набор катализаторов для превращения ионов азота (NOx) в азот (N2) и воду (H2O) на основе процесса химического взаимодействия. Данный метод позволяет снизить выбросы оксидов азота NOx на 90% или более. Важно отметить, что уменьшение выбросов вредных веществ и снижение риска пожаров и взрывов приводит к снижению затрат на ремонт и улучшению условий работы на судне.

Один из основных способов снижения выбросов вредных веществ воздуха при эксплуатации судна — это переключение на электродвигатели. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, электродвигатели работают на основе электричества и не выделяют вредные газы. Следующий способ – это гибридные суда. Это суда, которые используют комбинацию электрических и традиционных двигателей. Еще один способ - использование возобновляемых источников энергии: некоторые суда внедряют солнечные панели или ветрогенераторы для получения энергии. Однако этому источнику энергии свойственны такие недостатки, как зависимость от погоды и времени суток; сезонность, высокая стоимость конструкции, необходимость обслуживания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Стратегия развития внутреннего водного транспорта Российской Федерации на период до 2030 года (утв. Распоряжением Правительства РФ от 29 февраля 2016 г. № 327-Р). URL: http://government.ru/docs/22004/.

Анализ эффективности работы систем очистки дымовых газов морских судов от примесей при использовании абсорберов и скрубберов Электронный ресурс. – Режим доступа: https://www.korabel.ru/news/comments/o_monitoringe_urovnya_vybrosov_uglekislogo_gaza_na_morskom_transporte_v_sootvetstvii_s_postanovleniem_es_2015_757.html

Артемов А. В., Артемов Г. А., Волошин В. П., Захаров Ю. В., Шквар А. Я. Судовые энергетические установки. Л.: Судостроение, 1987. 480 с.

Безюков О. К., Ерофеев В. Л., Ерофеева Е. В., Пряхин А. С. Энергосбережение: энергетическая эффективность водного транспорта: моногр. СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2016. 283 с.

Ерофеев В. Л., Маркин В. В. Основы энергосбережения. Энергетическая эффективность водного транспорта: моногр. СПб.: Судостроение, 2006. 220 с

Кириллов, Н.Г. Экологические проблемы эксплуатации водного транспорта / Н.Г. Кириллов // Вестник. – СПб.: Государственный университет имени адм. С. О. Макарова. - №2. - 2016, с 5-15.

О возможности использования на судах возобновляемых источников энергии на основе ветроустановок и солнечных панелей Электронный ресурс. – Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/o-vozmozhnosti-ispolzovaniya-na-sudah-vozobnovlyaemyh-istochnikov-energii-na-osnove-vetroustanovok-i-solnechnyh-paneley/viewer.

Соловьев А.В. Повышение эффективности судовых энергетических установок / А.В. Соловьев, Н.Ф. Попов //Вестник АГТУ. - №4. – 2018, с 3-9.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Пример применения солнечных батарей на судне «Planet solar turanor» (Швейцария)

Пример применения ветрогенератора на судне Stena Jutlandica (Швеция)