Εναλλακτικά καύσιμα στη ναυτιλία: Μία σύντομη επισκόπηση

Από τον άνεμο στο κάρβουνο και από το κάρβουνο στο πετρέλαιο, οι κύριες πηγές ενέργειας των πλοίων άλλαξαν διαχρονικά ακολουθώντας τις εξελίξεις στη τεχνολογία. Η παγκόσμια κατανάλωση καυσίμων του εμπορικού στόλου ανέρχεται περίπου στους 330 εκατομμύρια τόνους ετησίως (DNV-GL, 2014), με τις θαλάσσιες μεταφορές να αποτελούν έναν από τους αποδοτικότερους τρόπους μεταφοράς από άποψη κατανάλωσης με εκτιμώμενη απαίτηση 2-3 grams καυσίμου ανά τόνο ανά km και αντίστοιχα χαμηλές εκπομπές ρύπων (αναφορά στις σχετικές τιμές ανά τόνο ανά km βλ. Σχήμα 1).

sxima1.jpg

Ωστόσο είναι σημαντική η συμβολή τους τόσο στις εκπομπές GHG (greenhouse gas) όσο και στην ατμοσφαιρική ρύπανση τοπικά, σε περιοχές επιβαρυμένες από άποψη θαλάσσιας κυκλοφορίας ενώ η έλευση νέων κανονισμών στο μέλλον μπορεί να επιδράσει αυξητικά στις τιμές των παραγώγων πετρελαίου. Τα ζητήματα αυτά είναι δυνατό να προσεγγισθούν με την εισαγωγή στις θαλάσσιες μεταφορές και περεταίρω διάδοση εναλλακτικών καυσίμων.  

Τα εναλλακτικά καύσιμα που χρησιμοποιούνται ή που μπορούν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν στη ναυτιλία περιλαμβάνουν τα: Liquefied Natural Gas (LNG), Liquefied Petroleum Gas (LPG), Methanol and Ethanol, Di-Methyl Ether (DME), Synthetic Fuels (Fischer-Tropsch), Biodiesel, Biogas, Cold Ironing (Shore-to-ship power), Hydrogen, Nuclear Fuel. Βασικό γνώρισμα κάθε καυσίμου είναι η θερμογόνος του δύναμη, η οποία αντιστοιχεί στην ικανότητα του να παράγει θερμική ενέργεια κατά την καύση του και μετράται σε ενέργεια ανά μάζα. Διακρίνεται σε κατώτερη (Hu) και ανώτερη (Ho) θερμογόνο δύναμη. H ανώτερη θερμογόνος δύναμη είναι μεγαλύτερη από την κατώτερη κατά την θερμότητα υγροποίησης του υδρατμού (r= 2449 kJ/kg για νερό 20^οC) που βρίσκεται στο καυσαέριο. Ενδεικτικά παρατίθεται ο Πίνακας 1 με τις τυπικές τιμές της θερμογόνου δύναμης ανά τύπο καυσίμου σε MJ/kg.

pinakas1.jpg

Οι πρόσφατες εξελίξεις στον τομέα του εξηλεκτρισμού των πλοίων είναι πολλά υποσχόμενες αναφορικά με την αποδοτικότερη διαχείριση της ενέργειας. Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας στο χερσαίο δίκτυο μπορούν να αξιοποιηθούν για την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε πλοία που βρίσκονται σε ελλιμενισμό και τη φόρτιση μπαταριών πλήρως ηλεκτρικών ή υβριδικών πλοίων. Ακόμη και αν η ηλεκτροπαραγωγή του δικτύου δεν βασίζεται επαρκώς σε ανανεώσιμες ή emission-free πηγές, όπως η πυρηνική, τα περιθώρια για την εφαρμογή τεχνικών μείωσης των ατμοσφαιρικών ρύπων στις χερσαίες εγκαταστάσεις είναι μεγαλύτερα. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η εφαρμογή αυτών των τεχνολογιών σε πλοία όπου εμφανίζεται συχνή μεταβολή στην απαίτηση ισχύος (π.χ. ρυμουλκά) και σε παράκτιες εφαρμογές λόγω αυξημένης προσβασιμότητας (offshore service vessels, berthing operations, auxiliary systems). Ενδεικτικό είναι το παράδειγμα του πλήρως ηλεκτροκίνητου ferry Ampere στη Νορβηγία, διάταξη των μπαταριών του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 2.

Οι κύριες πηγές για την παραγωγή βιοκαυσίμων είναι οι βρώσιμες καλλιέργειες, οι μη βρώσιμες καλλιέργειες, τα οργανικά απόβλητα, τα διάφορα παραπροϊόντα της γεωργίας και βιομηχανίας καθώς επίσης και τα φύκη (algae) τα οποία αναπτύσσονται στο νερό και η καλλιέργεια τους δεν επιδρά ανταγωνιστικά ως προς τις βρώσιμες καλλιέργειες, μία τέτοια καλλιέργεια παρουσιάζεται στο Σχήμα 3. 

Τα βιοκαύσιμα μπορούν να συμβάλλουν σημαντικά στη μείωση εκπομπών GHG και επιπλέον αποτελούν μικρότερο κίνδυνο για το θαλάσσιο περιβάλλον καθώς βιοδιασπώνται πολύ γρηγορότερα σε περίπτωση διαρροής. Υπάρχει ακόμη η δυνατότητα ανάμιξής τους με συμβατικά καύσιμα και χρήση σε συμβατικές μηχανές εσωτερικής καύσης. Προς το παρόν η εξασφάλιση ικανοποιητικής παροχής βιοκαυσίμων παραμένει μία πρόκληση κυρίως λόγω του μεγάλου μεγέθους των απαιτούμενων καλλιεργήσιμων εκτάσεων ενώ η καλλιέργεια φυκών παρουσιάζει το επιπλέον όφελος της μεγάλης πρόσληψης CO₂ από το περιβάλλον. Τα μέχρι τώρα αποτελέσματα της έρευνας είναι ενθαρρυντικά αν και διαφαίνεται ότι σημαντική διείσδυση στη ναυτιλία δεν θα επέλθει βραχυπρόθεσμα. Αξίζει ακόμη να αναφερθεί ότι μεγάλης κλίμακας δοκιμές διεξάγει το πολεμικό ναυτικό των ΗΠΑ (“Green Strike Force” programme).

Οι κυψέλες καυσίμου αποτελούν τις πιο διαδεδομένες διατάξεις για τη μετατροπή της χημικής ενέργειας του υδρογόνου σε ηλεκτρική. Οι προκλήσεις που εγείρονται αφορούν στο κόστος της επένδυσης, τις διαστάσεις και το βάρος της εγκατάστασης και τη διάρκεια ζωής της, ενώ απαιτείται ειδική πρόβλεψη για την ασφαλή αποθήκευση του υδρογόνου πάνω στο πλοίο.

Ένα πλήθος καυσίμων είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο για το πετρέλαιο σε μηχανές διπλού καυσίμου, στις οποίες συνήθως μία μικρή ποσότητα marine fuel oil χρησιμοποιείται για την αρχική ανάφλεξη κατά τη διαδικασία εκκίνησης της μηχανής. Ως υποκατάστατα μπορούν να χρησιμοποιηθούν το LPG (μίγμα προπανίου και βουτανίου), Methanol, Ethanol και Di-Methyl Ether (DME) τα οποία μειώνουν τις εκπομπές NO_Χ και δεν περιέχουν θείο. Κυρίως λόγω της χαμηλής τους διαθεσιμότητας δεν θα διεισδύσουν στη ποντοπόρο ναυτιλία ακόμη και μεσοπρόθεσμα, αν και μπορεί να βρουν χρήση σε τοπικές αγορές.

sxima4.jpg

Το LNG ως καύσιμο θεωρείται πλέον μία δοκιμασμένη λύση με διαθέσιμες μηχανές που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα αποδιδόμενης ισχύος. Το σημαντικό περιβαλλοντικό πλεονέκτημα της χρήσης LNG αφορά στις δραστικά μειωμένες εκπομπές SO_X, NO_X και σε μικρότερο βαθμό του CO₂ αν και πρόσφατες έρευνες (Anderson et al., 2015; Daskalakis et al., 2015) δείχνουν ότι οι εκπομπές CO και των συνολικών υδρογονανθράκων είναι υψηλότερες σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα. Προς το παρόν υπάρχουν περίπου 40 LNG-fuelled πλοία παγκοσμίως, εξαιρουμένων των LNG carriers, ενώ είναι επιβεβαιωμένα τουλάχιστον επιπλέον 40 new-buildings, όπως απεικονίζει ποσοτικά το Σχήμα 5.

sxima5.jpg

Το δίκτυο τροφοδοσίας των πλοίων είναι διαθέσιμο σε συγκεκριμένες τοποθεσίες αν και επεκτείνεται παγκοσμίως, ακολουθώντας τις κύριες οδούς της θαλάσσιας κυκλοφορίας. Ανασταλτικούς παράγοντες αποτελούν η απαίτηση σε αυξημένο όγκο δεξαμενών (και κατ’ επέκταση η μείωση σε ωφέλιμο φορτίο) και το σχετικά μεγάλο κόστος εγκατάστασης. Η διάδοση του LNG ως καυσίμου συντελείται με γρήγορους ρυθμούς και αναμένεται να συνεχιστεί αρχικά με σχετικά μικρά πλοία που λειτουργούν σε περιοχές με υπάρχουσες υποδομές τροφοδοσίας και κατόπιν ίσως μέχρι και με ποντοπόρα πλοία καθώς οι υποδομές θα αναπτύσσονται διεθνώς.

Ανάμεσα στους key players στη διαμόρφωση του εγχώριου – και όχι μόνο – τοπίου δε θα μπορούσε να μην συμπεριλαμβάνεται και ο Διαχειριστής Εθνικού Συστήματος Φυσικού Αερίου (ΔΕΣΦΑ) με την διαθέσιμη τεχνογνωσία, το εξειδικευμένο προσωπικό και τις ήδη υπάρχουσες υποδομές όπως για παράδειγμα αυτές στη Ρεβυθούσα. Ο τερματικός σταθμός Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου της Ρεβυθούσας, έπειτα από την 2η αναβάθμισή του, μπορεί να αποτελέσει σημείο εισόδου φυσικού αερίου για όλη την περιοχή της νοτιοανατολικής Ευρώπης. Παράλληλα με τον προσανατολισμό της Ευρωπαϊκής Επιτροπής για την εφαρμογή συγκεκριμένης στρατηγικής στην αγορά του LNG, ο ΔΕΣΦΑ έχει την δυνατότητα να αναλάβει κρίσιμο ρόλο στην Ανάπτυξη των Τεχνολογιών Small Scale LNG μέσω του LNG Bunkering και της μεταφοράς LNG σε παράκτιες περιοχές. Η επέκταση της χρήσης του LNG στον τομέα της Ναυτιλίας μπορεί να καταστήσει την Ελλάδα επίκεντρο πολλών ενεργειακών έργων με διεθνή προσανατολισμό, επιτρέποντας μελλοντικά την δημιουργία ενός διεθνούς Κόμβου Ανεφοδιασμού LNG στην Ανατολική Μεσόγειο με σημείο αναφοράς τη Ρεβυθούσα.

sxima6.jpg

Εφόσον ένας από τους παράγοντες που οδηγούν στην αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας είναι ο περιορισμός των εκλυόμενων ρύπων, αξίζει σε αυτό το σημείο μία σύντομη αναφορά στα exhaust gas cleaning systems (EGCS), γνωστά και ως scrubbers. Oι κανονισμοί του International Maritime Organization (Annex VI) θέτουν ως όριο στις εκπομπές ρύπων τη περιεκτικότητα 0,1% σε θείο μέχρι το 2015 για τις emission control areas (ECA) (Baltic Sea, North Sea, English Channel, US and Canadian coasts and inland waters, parts of the Caribbean Sea) ενώ αναμένεται παγκόσμια μείωση του ορίου στο 0,5% μέχρι το 2020. Η τεχνολογία των scrubbers αποτελεί μία βιώσιμη εμπορικά και συμβατή με τους κανονισμούς λύση, αν και αποτελεί μία μάλλον retrospective προσέγγιση στη μείωση των εκπομπών. Αυτές οι εγκαταστάσεις - όπως αυτή του Σχήματος 7 - τοποθετούνται στο funnel του πλοίου και φιλτράρουν τα καυσαέρια από όλες τις πηγές καυσαερίων του πλοίου απομακρύνοντας το θείο, στερεά σωμάτια και σταγονίδια. Υπάρχει δυνατότητα για retrofit εγκατάσταση και φυσικά για ενσωμάτωση στη σχεδίαση του πλοίου εξ’ αρχής.

Στο μέλλον το ενεργειακό μίγμα στη ναυτιλία θα είναι πολύ πιο διαφοροποιημένο από ότι ήταν στο παρελθόν αν και η εισαγωγή κάθε νέας πηγής ενέργειας γίνεται με σχετικά χαμηλούς ρυθμούς καθώς η κάθε τεχνολογία πρέπει να ωριμάσει και να αναπτυχθούν οι αντίστοιχες υποδομές. Σε κάθε περίπτωση θα πρέπει να απαντώνται κατά το δυνατό με τη μικρότερη ασάφεια ερωτήματα που εγείρονται σχετικά με τις μεθόδους παραγωγής, τη διαθεσιμότητα, το κόστος, τις πιθανές εφαρμογές στη ναυτιλία και άλλους κλάδους, τα ζητήματα ασφάλειας και τις επιπτώσεις στο περιβάλλον. Επί του παρόντος το προβάδισμα σε αυτό το ενεργειακό μίγμα (εξαιρουμένου του πετρελαίου) φαίνεται να καταλαμβάνει το LNG με κινητήριες δυνάμεις τη τεχνολογία, τους κανονισμούς και την αυξανόμενη διαθεσιμότητα με την ανάπτυξη των υποδομών. Ωστόσο η εισαγωγή του LNG στη ναυτιλία εντάσσεται στη προσπάθεια βελτιστοποίησης της διαχείρισης των ορυκτών καυσίμων. Παρά την -αναπόφευκτα- καθολική εκμετάλλευση των ορυκτών καυσίμων, η γενικότερη τάση στην έρευνα οδηγεί στη μελλοντική απεξάρτηση από αυτά.

Βιβλιογραφία

Anderson, M., Salo, K. & Fridell, E. (2015). Particle- and Gaseous Emissions from an LNG Powered Ship. Environmental Science & Technology, 49(20), pp.12568-12575.

Daskalakis I, Chatzinikolaou S., Ventikos N.P. (2015), “Platform for assessing ship emissions from a life cycle perspective”, Technologies, Operations, Logistics and Policies towards meeting 2050 emission targets (SCC 2015), Glasgow, UK, Osman et al. (eds), Vol. 1, pp. 113-122.

DNV-GL, 2014. Alternative fuels for shipping.

DNV-GL, 2015. The fuel trilemma.

European Commission JRC, 2016. Alternative Fuels for Marine and Inland Waterways.

International Gas Union World Gas LNG Report — 2016 Edition.

International Renewable Energy Agency - www.irena.org.

--------------------------------------

Άρθρο των: 

Νικόλαος Π. Βεντίκος, Δημήτριος Ράκας
Εργαστήριο Θαλασσίων Μεταφορών, Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ

Κωνσταντίνος Ξιφαράς
Μηχανικός Παραγωγής & Διοίκησης
Πρ. Διευθύνων Σύμβουλος ΔΕΣΦΑ

(Maritime Economies)