Morski silnik LNG

Morski silnik LNG to silnik dwupaliwowy , który wykorzystuje gaz ziemny i paliwo bunkrowe do przekształcania energii chemicznej w energię mechaniczną. Ze względu na czystsze właściwości spalania gazu ziemnego, wykorzystanie gazu ziemnego w napędach statków handlowych staje się opcją dla firm w celu spełnienia przepisów środowiskowych IMO i MARPOL . Gaz ziemny magazynowany jest w stanie ciekłym ( LNG ), a odparowany gaz jest kierowany do silników dwupaliwowych i spalany w nich. Firmy żeglugowe były ostrożne przy wyborze układu napędowego dla swoich flot. System turbiny parowej był głównym wyborem jako główny napęd zbiornikowców LNG w ciągu ostatnich kilku dekad. Istniejący od dziesięcioleci system zbiornikowców LNG o napędzie parowym wykorzystuje BOG (gaz odparowany). Zbiornikowce LNG są mocno izolowane, aby utrzymać LNG w temperaturze około -160 ° C – aby utrzymać go w stanie ciekłym. Pomimo izolacji, obszar przechowywania LNG jest penetrowany przez ciepło, co pozwala na naturalnie wytwarzany odparowany gaz (BOG).

Tankowiec z olejem napędowym / chemikaliowcem LNG Tern Ocean na Firth of Clyde

Historia

Transport LNG po raz pierwszy stał się możliwy w 1959 roku, kiedy Methane Pioneer, przerobiony frachtowiec z czasów II wojny światowej, bezpiecznie transportował skroplony gaz ziemny do Wielkiej Brytanii. Po udowodnieniu, że LNG można bezpiecznie transportować przez ocean, przemysł żeglugowy LNG rozkwitł i obecnie zatrudnia 200 miliardów dolarów rocznie w kapitale. Od początku przemysłu LNG w 1964 r. handel międzynarodowy wzrósł ponad 50-krotnie, moce produkcyjne wzrosły ponad 10-krotnie, a zdolność produkcyjna poszczególnych statków wzrosła ponad 5-krotnie. Projekt tankowca LNG został początkowo stworzony przez Worm's and Co. Ten projekt jest obecnie określany jako projekt Gaz Transport. Zbiorniki miały początkowo pomieścić 34 000 metrów sześciennych, ale projekt przekształcił się w 71 500 metrów sześciennych. Sferyczne zbiorniki LNG pojawiły się w 1973 roku, kiedy Hoegh zbudował Norman Lady. Zbiorniki sferyczne są powszechne wśród nowoczesnych statków LNG. W 1999 roku firma Samsung Heavy Ind. stworzyła największy w swoim czasie zbiornikowiec LNG typu New Membrane. Był największym statkiem jednokadłubowym swoich czasów, o długości 278,8 m i zdolności 20,7 węzłów. Dostarczony w 2006 roku Arctic Princess był największym tankowcem LNG, jaki kiedykolwiek stworzono. Ma 288 metrów długości i pojemność 147 000 metrów sześciennych. Od 2006 r. zdolności produkcyjne nadal rosną. Nowe statki LNG dostarczone klientom w 2018 roku są często projektowane tak, aby zmieściły się w rozbudowanym Kanale Panamskim (neopanamax) i mają pojemność 170 000 metrów sześciennych. Co najmniej jeden budowniczy statków twierdzi, że możliwe jest zbudowanie statku neopanamax LNG o pojemności 200 000 metrów sześciennych https://www.gastechevent.com/sites/default/files/D2_T2_Johan%20Petter-Tutturen-Odin%20Kwon_DSME.pdf

Gaz odparowujący

Gaz ziemny, który napędza silniki dwupaliwowe, jest przewożony na statkach w postaci wrzącej cieczy i transportowany pod ciśnieniem nieco wyższym od atmosferycznego. Przenikanie ciepła przez izolację zbiornika powoduje wzrost temperatury skroplonego gazu ziemnego , co umożliwia jego odparowanie ze stanu ciekłego do gazowego. Kiedy ciepło przenika do zbiornika, ciśnienie w zbiorniku wzrasta z powodu odparowania. Izolacja zbiorników została zaprojektowana przy użyciu najbardziej zaawansowanej technologii. Mimo to ciepło przenika przez izolację zbiorników. Odparowanie następuje podczas rejsu statków. Podczas burzy ładunek LNG porusza się i chlupocze w zbiornikach. Odparowany gaz stanowi 0,1% - 0,25% dziennej pojemności statku. W zbiornikach należy utrzymywać stałe ciśnienie. Jeśli ciśnienie w zbiornikach stanie się zbyt wysokie, otwierają się zawory nadmiarowe i bezpieczeństwa, odprowadzając odparowanie do atmosfery, aż do uwolnienia nadciśnienia. Ze względu na fakt, że ponowne skraplanie LNG na pokładzie jest nieopłacalne dla większości statków, gaz wytwarzany w wyniku odparowania jest kierowany do układu napędowego statku i wykorzystywany jako paliwo w elektrowniach, takich jak kotły parowe i okrętowe silniki wysokoprężne z podwójnym paliwem . Zmniejsza to zużycie paliwa bunkrowego, a tym samym zmniejsza koszty paliwa i konserwacji sprzętu.

Technologia

Supreme firmy Samsung był największym tego typu kontenerowcem LNG typu Mark III. Supreme miał najnowszą technologię stosowaną na statkach LNG. Posiada czołgi całkowicie otoczone podwójnym dnem i grodzą między czołgami. Każdy zbiornik przechowuje swój ładunek w temperaturze -163 stopni Celsjusza. Jest to standardowa temperatura przechowywania LNG. Jest to możliwe dzięki izolacji o grubości 250 mm i membranie ze stali nierdzewnej o grubości 1,2 mm. Każdy zbiornik ładunkowy ma zanurzone pompy odśrodkowe do szybkiego rozładunku ładunku. Jest to standardowa metoda rozładunku zbiorników LNG. Maksymalna susza dla statków LNG wynosi zazwyczaj 12 metrów. Wynika to z rozmiarów i ograniczeń obiektów portowych. Najpopularniejszy rozmiar statków LNG waha się od 120 000 do 180 000 metrów sześciennych ze względu na wymiary statku. ( Trendy napędowe w silnikach dwusuwowych zbiornikowców LNG , 2017).

Dwa popularne typy zbiornikowców LNG to Moss i Membrane. Zbiorniki typu Moss są wyposażone w kuliste zbiorniki do przechowywania LNG, podczas gdy zbiorniki typu membranowego mają bardziej tradycyjne zbiorniki prostokątne z membraną ze stali nierdzewnej. Cysterny membranowe są bardziej powszechne, ponieważ są mniejsze niż statki z mchu dla tej samej ilości przewożonego paliwa LNG, ale wytwarzają więcej odparowanego gazu niż statki typu Moss.

Badanie przeprowadzone przez MEC Intelligence wykazało, że LNG będzie głównym źródłem paliwa dla wszystkich statków handlowych w ciągu 40 lat. Wiele firm już zaczęło przyglądać się procesowi przestawiania swoich flot na układy napędowe LNG.

Układy napędowe statków LNG są zwykle wyposażone w WHR, ponieważ mogą one prowadzić do zmniejszenia emisji, zmniejszenia zużycia paliwa i lepszej wydajności. Przejście na statki napędzane LNG jest skomplikowanym zadaniem dla firm, ale w połączeniu z nowoczesnymi systemami redukcji ciepła odpadowego (WHR) statki LNG mogą być bardziej wydajne niż statki napędzane olejem napędowym lub parą.

Układy napędowe

Większość układów napędowych zbiornikowców LNG wykorzystuje BOG i paliwa płynne. W elektrowni parowej BOG służy do opalania kotłów i wytwarzania pary. Para napędza turbiny i napędza statek. Zaletą tego typu jest to, że przy podwyższonym ciśnieniu w zbiorniku ładunkowym LNG nadmiar BOG jest spalany jednocześnie z paliwem płynnym. Jeśli nie ma wystarczającej ilości BOG, paliwo płynne ( ciężki olej opałowy lub HFO) jest używane do utrzymania działania elektrowni. Alternatywą dla silnika z turbiną parową jest dwupaliwowy morski silnik wysokoprężny. Komercyjni producenci układów napędowych statków, tacy jak fińska firma Wärtsilä i niemiecka MAN Diesel produkuje dwupaliwowe silniki wysokoprężne o dużej średnicy. Silniki MAN B&W ME-GI mają niezwykle elastyczne tryby zasilania, które wahają się od 95% gazu ziemnego do 100% HFO i wszędzie pomiędzy. Wymagane jest minimum 5% HFO dla oleju pilotowego, ponieważ są to silniki o zapłonie samoczynnym, a gaz ziemny nie jest samozapalny. Turbiny parowe są wyłącznie głównym źródłem ruchu statków LNG, mimo że dwusuwowe silniki wysokoprężne są bardziej wydajne. Wynika to z konieczności wykorzystania gazu odparowanego z LNG.

Korzyści kosztowe

Ostatnie badania koncentrowały się na wykorzystaniu LNG jako paliwa na statkach innych niż tankowce LNG. Badania te pokazują, że LNG wyróżnia się pod względem redukcji emisji i obniżonych kosztów operacyjnych. Wykazano, że niektóre zachęty ekonomiczne są korzystne dla obsługi układu napędowego LNG. Po dodaniu do elektrowni pewnych systemów, takich jak odzysk ciepła odpadowego (wykorzystywanie ciepła odpadowego do pracy zamiast rozpraszania), można zaobserwować znaczne oszczędności. Jedno z badań pokazuje, że silnik LNG z systemem WHR pozwala zaoszczędzić pieniądze w porównaniu z silnikiem Diesla z systemem WHR. Początkowy koszt inwestycji jest wyższy, ale jest to metoda opłacalna i nieszkodliwa dla środowiska.

Kwestie ochrony środowiska i bezpieczeństwa

Gaz ziemny składa się głównie z metanu, który ma znacznie silniejszy efekt cieplarniany niż CO ₂ ref: Potencjał globalnego ocieplenia . Wpływ metanu na klimat wynika głównie z wycieku metanu. Na przykład istnieje problem zwany poślizgiem metanu. Poślizg metanu ma miejsce, gdy niespalony gaz wycieka przez silnik. Metan ma GWP(20) (20-letni potencjał ocieplenia globalnego), który jest 86 razy wyższy niż CO ₂ . Jeśli ulatnianie się metanu nie jest kontrolowane, korzyści dla środowiska wynikające ze stosowania gazu ziemnego są ograniczone i mogą zniwelować korzyści w porównaniu z olejem napędowym lub paliwem bunkrowym ze względu na wysoki efekt cieplarniany metanu. Kolejnym wyzwaniem są zagrożenia związane z przechowywaniem LNG w bardzo niskich temperaturach. Izolacja zbiornika ma kluczowe znaczenie i istnieje możliwość kruchości strukturalnej i odmrożeń personelu. Zasadniczo, ponieważ ustalono, że LNG do napędu statków zmniejsza CO ₂ i inne zanieczyszczenia W porównaniu do zwykłych ciężkich olejów opałowych wdrożenie LNG zależy od następujących kluczowych czynników: dostępności gazu, zapotrzebowania na statki, limitów emisji (obszary kontrolowane pod względem emisji), instalacji zbiorników LNG oraz wymogów bezpieczeństwa. Należy wziąć pod uwagę wyzwania związane z wykorzystaniem LNG. Wyzwania, takie jak brak infrastruktury w większości portów handlowych, ograniczone doświadczenie załogi w obsłudze silników na paliwa gazowe, przyszłe ceny gazu oraz wymagane środki bezpieczeństwa to punkty krytyczne, które należy wziąć pod uwagę.

Stosowanie LNG zmniejsza emisję tlenków siarki o prawie 100 procent, a emisję tlenku azotu o około 85 procent. Trwa poważna debata na temat tego, czy stosowanie LNG powoduje zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, a badania wykazały, że wyciek metanu neguje korzyści klimatyczne.

Wymagania dotyczące stosowania paliwa LNG w żegludze, w szczególności wymagania techniczne i bezpieczeństwa, określa Międzynarodowy Kodeks Bezpieczeństwa Statków Używających Gazów lub Innych Paliw o Niskiej temperaturze zapłonu , w skrócie Kodeks IGF.