Энергоэффективность судов современного коммерческого флота: инструменты регулирования и методы достижения

В работе обращается внимание на то, что негативные климатические изменения, выраженные в повышении среднегодовых температур на планете и связанные с насыщением нижних слоев атмосферы парниковыми газами, вынуждают к принятию мер по сокращению антропогенного фактора влияния на эти процессы и разработке методик и инструментов регулирования. Отмечается, что несмотря на то, что на морские транспортные перевозки за счет сжигания ископаемых углеводородов приходится менее 2,5 % от суммарных выбросов диоксида углерода, в перспективе эффект накопления способен повлечь серьезные последствия. Предметом настоящего исследования является энергоэффективность судов современного коммерческого флота. В работе рассмотрены различные нормативные требования по энергоэффективности, отслежена хронология введения требований как международного, так и регионального уровней. Отмечается, что разработанные методы оценки энергоэффективности направлены на сокращение меры влияния антропогенного фактора на парниковый эффект и оценки энергоэффективности в основном базируются на мониторинге выбросов диоксида углерода при работе двигателей на различных видах топлива. В исследовании уделено внимание мероприятиям по сокращению выбросов СО2 на всех этапах жизненного цикла судов, начиная с проектирования и постройки до утилизации судна. В числе мероприятий по сокращению выбросов на этапе проектирования и постройки рассмотрены вопросы оптимизации корпуса судна и его энергетической установки, разработки конструкций для работы на нетрадиционных, углерод-нейтральных и безуглеродных видах топлива, внедрение в конструкцию судовой энергетической установки альтернативных источников энергии и др. Среди эксплуатационных мер снижения выбросов СО2 рассмотрены проблемы оптимизации скорости и маршрутов перевозок, загрузки судна, режимов работы судового оборудования. В работе также уделено внимание проблемам, возникающим в процессе внедрения технологий достижения требований к энергоэффективности судов. На основании анализа различных методов сокращения степени влияния на парниковый эффект со стороны мировой судоходной отрасли сделаны выводы о достигнутых результатах и их эффективности.

1. Живлюк Г. Е. Экологическая безопасность энергетических установок: двухтопливные и газовые двигатели / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 3. — С. 449–462. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-3-449-462.

2. Hüffmeier J. State-of-the-art methods to improve energy efficiency of ships / J. Hüffmeier, M. Johanson // Journal of Marine Science and Engineering. — 2021. — Vol. 9. — Is. 4. — Pp. 447. DOI: 10.3390/jmse9040447.

3. Wang K. Dynamic optimization of ship energy efficiency considering time-varying environmental factors / K. Wang, X. Yan, Y. Yuan, X. Jiang, X. Lin, R. R. Negenborn // Transportation Research Part D: Transport and Environment. — 2018. — Vol. 62. — Pp. 685–698. DOI: 10.1016/j.trd.2018.04.005.

4. Beşikçi E. B. An application of fuzzy-AHP to ship operational energy efficiency measures / E. B. Beşikçi, T. Kececi, O. Arslan, O. Turan // Ocean engineering. — 2016. — Vol. 121. — Pp. 392–402. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2016.05.031.

5. Иванченко А. А. Энергетическая эффективность судов и регламентация выбросов парниковых газов / А. А. Иванченко, А. П. Петров, Г. Е. Живлюк // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2015. — № 3 (31). — C. 103–112. DOI: 10.21821/2309-5180-2015-7-3-103-112.

6. Ang J. H. Energy-efficient through-life smart design, manufacturing and operation of ships in an industry 4.0 environment / J. H. Ang, C. Goh, A. A. F. Saldivar, Y. Li // Energies. — 2017. — Vol. 10. — Is. 5. — Pp. 610. DOI: 10.3390/en10050610.

7. Moustafa M. M. Energy efficient operation of bulk carriers by trim optimization / M. M. Moustafa, W. Yehia, A. W. Hussein // 18th International Conference on Ships and Shipping Research. — Italy: Organising Committee NAV, 2015. — Pp. 484–493.

8. McKinlay C. J. Fuel cells for shipping: To meet on-board auxiliary demand and reduce emissions / C. J. McKinlay, S. R. Turnock, D. A. Hudson // Energy Reports. — 2021. — Vol. 7. — Suppl. 2. — Pp. 63–70. DOI: 10.1016/j.egyr.2021.02.054.

9. Ančić I. Energy efficiency of ro-ro passenger ships with integrated power systems / I. Ančić, N. Vladimir, L. R. Luttenberger // Ocean Engineering. — 2018. — Vol. 166. — Pp. 350–357. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2018.05.042.

10. Шурпяк В. К. Новые требования ИМО по уменьшению выбросов углекислого газа с морских су-дов, совершающих транспортную работу / В. К. Шурпяк, С. А. Толмачев, М. В. Мусонов // Научнотехнический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2021. — № 64–65. — С. 4–18.

11. Amoraritei M. A preliminary propulsive performances evaluation for an oil tanker to meet EEDI challenge / M. Amoraritei // Annals of” Dunarea de Jos” University of Galati. Fascicle XI Shipbuilding. — 2019. — Vol. 42. — Pp. 103–108.

12. Constantin G. Analysis of the energy efficiency design index for two container ships and EEDI influence on propulsion performances / G. Constantin, M. Amoraritei // Annals of” Dunarea de Jos” University of Galati. Fascicle XI Shipbuilding. — 2018. — Vol. 41. — Pp. 127–132.

13. Tokuşlu A. Analyzing the Energy Efficiency Design Index (EEDI) performance of a container ship / A. Tokuşlu // International Journal of Environment and Geoinformatics. — 2020. — Vol. 7. — Is. 2. — Pp. 114–119. DOI: 10.30897/ijegeo.703255.

14. Ammar N. R. Evaluation of the environmental and economic impacts of electric propulsion systems onboard ships: case study passenger vessel / N. R. Ammar, I. S. Seddiek // Environmental Science and Pollution Research. — 2021. — Vol. 28. — Pp. 37851–37866. DOI: 10.1007/s11356-021-13271-4.

15. El Geneidy R. Increasing energy efficiency in passenger ships by novel energy conservation measures / R. El Geneidy, K. Otto, P. Ahtila, P. Kujala, K. Sillanpää, T. Mäki-Jouppila // Journal of Marine Engineering & Technology. — 2018. — Vol. 17. — Is. 2. — Pp. 85–98. DOI: 10.1080/20464177.2017.1317430.

16. Papanikolaou A. Holistic ship design optimization / A. Papanikolaou // Computer-Aided Design. — 2010. — Vol. 42. — Is. 11. — Pp. 1028–1044. DOI: 10.1016/j.cad.2009.07.002.

17. Adland R. The energy efficiency effects of periodic ship hull cleaning / R. Adland, P. Cariou, H. Jia,.F. C. Wolff // Journal of Cleaner Production. — 2018. — Vol. 178. — Pp. 1–13. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.12.247.

18. Магаровский В. В. Новое в международной политике снижения эмиссии парниковых газов судами и необходимые мероприятия в морском секторе. Часть 2: Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий, применяемых для снижения эмиссии парниковых газов / В. В. Марговский, В. Н. Половинкин, А. В. Пустошный, О. В. Савченко // Труды Крыловского государственного научного центра. — 2023. — № 1 (403). — С. 167–182. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-1-403-167-182.

19. Marques C. H. An early-stage approach to optimise a marine energy system for liquefied natural gas carriers: Part B — Application / C. H. Marques, C. R. P. Belchior, J. D. Caprace // Ocean Engineering. — 2019. — Vol. 174. — Pp. 96–107. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2019.01.045.

20. Медведев В. В. Оценка возможности уменьшения конструктивного коэффициента энергетической эффективности за счет применения валогенераторов в составе судовых энергетических установок с главными высокооборотными двигателями / В. В. Медведев, В. В. Гаврилов, И. А. Сорокин // Морские интеллектуальные технологии. — 2020. — № 1–3 (47). — С. 101–106. DOI: 10.37220/MIT.2020.47.1.048.

21. Iris Ç. A review of energy efficiency in ports: Operational strategies, technologies and energy management systems / Ç. Iris, J. S. L. Lam // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2019. — Vol. 112. — Pp. 170– 182. DOI: 10.1016/j.rser.2019.04.069.

22. Dedes E. K. Assessing the potential of hybrid energy technology to reduce exhaust emissions from global shipping / E. K. Dedes, D. A. Hudson, S. R. Turnock // Energy policy. — 2012. — Vol. 40. — Pp. 204–218. DOI: 10.1016/j.enpol.2011.09.046.

23. Giap V. T. System simulation and exergetic evaluation of hybrid propulsion system for crude oil tanker: A hybrid of solid-oxide fuel cell and gas engine / V. T. Giap, Y. D. Lee, Y. S. Kim, K. Y. Ahn, D. H. Kim, J. I. Lee // Energy conversion and management. — 2020. — Vol. 223. — Pp. 113265. DOI: 10.1016/j.enconman.2020.113265.

24. Seddiek I. S. Harnessing wind energy on merchant ships: case study Flettner rotors onboard bulk carriers / I. S. Seddiek, N. R. Ammar // Environmental Science and Pollution Research. — 2021. — Vol. 28. — Pp. 32695–32707. DOI: 10.1007/s11356-021-12791-3.

25. Karatuğ Ç. Design of a solar photovoltaic system for a Ro-Ro ship and estimation of performance analysis: A case study / Ç. Karatuğ, Y. Durmuşoğlu // Solar Energy. — 2020. — Vol. 207. — Pp. 1259–1268. DOI: 10.1016/j.solener.2020.07.037.

26. Живлюк Г. Е. Применение топливных элементов в энергообеспечении водного транспорта / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 1. — C. 104–119. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-1-104-119.

27. Живлюк Г. Е. Перспективные технологии водного транспорта для ограничения парникового эффекта / Г. Е. Живлюк, А. П. Петров // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2021. — Т. 13. — № 5. — С. 730–743. DOI: 10.21821/2309-5180-2021-13-5-730-743.

28. Dere C. Load optimization of central cooling system pumps of a container ship for the slow steaming conditions to enhance the energy efficiency / C. Dere, C. Deniz // Journal of Cleaner Production. — 2019. — Vol. 222. — Pp. 206–217. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.03.030.

29. Johnson H. Barriers to energy efficiency in shipping / H. Johnson, K. Andersson // WMU Journal of Maritime Affairs. — 2016. — Vol. 15. — Pp. 79–96. DOI: 10.1007/s13437-014-0071‑z.

30. Rehmatulla N. Barriers to energy efficiency in shipping: A triangulated approach to investigate the principal agent problem / N. Rehmatulla, T. Smith // Energy Policy. — 2015. — Vol. 84. — Pp. 44–57. DOI: 10.1016/j.enpol.2015.04.019.