Перспективні напрями підвищення енергетичної та екологічної безпеки засобів водного транспорту
DOI:
https://doi.org/10.31498/2225-6733.50.2025.336423Ключові слова:
енергетична безпека, екологічна безпека, енергетична ефективність, утилізація відпрацьованого тепла, морський транспорт, органічний цикл Ренкіна, турбокомпаундна система, цикл КалиниАнотація
В умовах глобального потепління та активізації кліматичної політики питання енергетичної та екологічної безпеки водного транспорту набуває особливої актуальності. Міжнародна морська організація встановила амбітну мету – досягнення нульових чистих викидів парникових газів до 2050 року, що вимагає кардинального переосмислення підходів до енерговикористання на морських суднах. У зв’язку з цим впровадження інноваційних технологій утилізації відпрацьованого тепла розглядається як ключовий інструмент підвищення енергоефективності суден та зниження негативного впливу на навколишнє середовище. У статті подано систематизований аналіз сучасних інженерних рішень з утилізації теплоти, яка втрачається в процесі експлуатації суднових енергетичних установок. Розглянуто принципи роботи та ефективність таких технологій, як органічний цикл Ренкіна (ORC), цикл Калини, турбокомпаундні системи, а також термоелектричні генератори. Проаналізовано технічні параметри, енергетичну продуктивність, екологічні переваги та економічну доцільність впровадження в умовах реального судноплавства. Результати дослідження показують, що впровадження технологій утилізації відпрацьованого тепла дає змогу досягти економії палива на рівні 3-7% і суттєво знизити викиди CO₂, NOₓ, SOₓ. Найбільш ефективними виявилися системи ORC, які мають високу адаптивність до різних температурних джерел тепла на борту судна. Водночас технології турбокомпаундування, зокрема у поєднанні з паровими інжекційними модулями, продемонстрували перспективність за умов модернізації дизельних двигунів великої потужності. Досліджено також ризики, пов’язані з безпекою, просторовими обмеженнями на борту та особливостями обслуговування систем. На основі огляду наукової літератури, міжнародних стандартів та результатів моделювання, у роботі визначено ключові критерії вибору технологій утилізації відпрацьованого тепла для конкретних типів суден і сценаріїв експлуатації. Сформульовано рекомендації щодо проектування енергоефективних енергетичних систем суден та обґрунтовано необхідність розвитку гібридних систем, що поєднують переваги ORC, циклу Калини та новітніх термоелектричних рішень. Узагальнено перспективи подальших досліджень і розглянуто можливості інтеграції технологій утилізації відпрацьованого тепла у стратегічне планування енергетичної модернізації флоту на шляху до декарбонізації морського транспорту
Посилання
Features of optimization of maintenance plan for thermoelectric generators of marine propulsion systems / A. Golovan et al. TRANSBALTICA XV: Transportation Science and Technology : Proceedings of the 15th International Conference TRANSBALTICA, Vilnius, Lithuania, 19-20 September 2024. Pp. 26-35. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-85390-6_3.
Golovan A., Gritsuk I., Honcharuk I. Reliable ship emergency power source: A Monte Carlo simulation approach to optimize remaining capacity measurement frequency for Lead-Acid battery maintenance. SAE International Journal of Electrified Vehicles. 2023. Vol. 13(2). DOI: https://doi.org/10.4271/14-13-02-0009.
Enhancing Information Exchange in Ship Maintenance through Digital Twins and IoT: A Comprehensive Framework / A. Golovan et al. Computers. 2024. Vol. 13(10). Article 261. DOI: https://doi.org/10.3390/computers13100261.
Emissions from international shipping: 2. Impact of future technologies on scenarios until 2050 / Eyring V., Köhler H.W., Lauer A., Lemper B. Journal of Geophysical Research: Atmospheres. 2005. Vol. 110, iss. D17. Article D17306. DOI: https://doi.org/10.1029/2004JD005620.
Thermo efficiency system for reduction of fuel consumption and CO2. MAN Diesel and Turbo, 2014.
MAN Diesel and Turbo. Exhaust gas emission control today and tomorrow application on MAN B&W two-stroke marine diesel engines. Copenhagen, Denmark : MAN Diesel, 2008.
Baldi F., Gabrielii C. A feasibility analysis of waste heat recovery systems for marine applications. Energy. 2015. Vol. 80. Pp. 654-665. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.12.020.
Thermodynamic analysis of the organic rankine cycle as a waste heat recovery system of marine diesel engine / Jin J., Lee H., Park G., Choi J. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B. 2012. Vol. 36(7). Pp. 711-719. DOI: https://doi.org/10.3795/ksme-b.2012.36.7.711.
Koroglu T. Advanced exergy analysis of an organic rankine cycle waste heat recovery system of a marine power plant. Journal of Thermal Engineering. 2017. Vol. 3(2). Pp. 1136-1148. DOI: https://doi.org/10.18186/thermal.298614.
Thermal design and analysis of an organic rankine cycle system utilizing the main engine and cargo oil pump turbine based waste heats in a large tanker ship / O. Konur et al. Journal of Cleaner Production. 2022. Vol. 368. Article 133230. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.133230.
De La Fuente S.S., Greig A.R. Making shipping greener: comparative study between organic fluids and water for Rankine cycle waste heat recovery. Journal of Marine Engineering & Technology. 2015. Vol. 14(2). Pp. 70-84. DOI: https://doi.org/10.1080/20464177.2015.1077601.
Akman M., Ergin S. Thermo-environmental analysis and performance optimisation of transcritical organic Rankine cycle system for waste heat recovery of a marine diesel engine. Ships and Offshore Structures. 2020. Vol. 16(10). Pp. 1104-1113. DOI: https://doi.org/10.1080/17445302.2020.1816744.
Parametric study of organic Rankine working fluids via Bayesian optimization of a preference learning ranking for a waste heat recovery system applied to a case study marine engine / L.A. Díaz-Secades et al. Ocean Engineering. 2024. Vol. 306. Article 118124. DOI: https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.118124.
Energy and exergy analysis of a novel steam injected turbocompounding system applied on the marine two-stroke diesel engine / Zhu S., Ma Z., Zhang K., Deng K. Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 221. Article 113207. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113207.
Thermodynamic and techno-economic comparisons of the steam injected turbocompounding system with conventional steam Rankine cycle systems in recovering waste heat from the marine two-stroke engine / Zhu S., Sun K., Bai S., Deng K. Energy. 2022. Vol. 245. Article 123245. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.123245.
A novel waste heat recovery system combing steam Rankine cycle and organic Rankine cycle for marine engine / X. Liu et al. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 265. Article 121502. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121502.
Zhemin J., Yuxin Y. Analysis of waste heat utilization of ship main engine. E3S Web of Conferences. 2020. Vol. 165. Article 06027. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016506027.
Akman M., Ergin S. An investigation of marine waste heat recovery system based on organic Rankine cycle under various engine operating conditions. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment. 2018. Vol. 233(2). Pp. 586-601. DOI: https://doi.org/10.1177/1475090218770947.
Konur O., Colpan C.O., Saatcioglu O.Y. A comprehensive review on organic Rankine cycle systems used as waste heat recovery technologies for marine applications. Energy Sources Part a Recovery Utilization and Environmental Effects. 2022. Vol. 44(2). Pp. 4083-4122. DOI: https://doi.org/10.1080/15567036.2022.2072981.
Waste heat recovery steam systems techno-economic and environmental investigation for ocean-going vessels considering actual operating profiles / Theotokatos G., Rentizelas A., Guan C., Ancic I. Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 267. Article 121837. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121837.
Improving the process of vehicle units diagnosis by applying harmonic analysis to the processing of discrete signals / A. Golovan et al. SAE Technical Papers. 2018-01-1774. 2018. DOI: https://doi.org/10.4271/2018-01-1774.
Aspects of remote monitoring of the transport vessel under operating conditions / A. Golovan et al. ICTE in Transportation and Logistics. 2019. Pp. 295-301. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-39688-6_37.
Aspects of forming the information V2I model of the transport vessel / A. Golovan et al. IEEE International Conference on Modern Electrical and Energy Systems (MEES), Kremenchuk, Ukraine, 23-25 September 2019. Pp. 390-393. DOI: https://doi.org/10.1109/mees.2019.8896595.
Golovan A., Gritsuk I., Honcharuk I. Principles of transport means maintenance optimization: equipment cost calculation. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2023. Vol. 5. Pp. 77-84. DOI: https://doi.org/10.33271/nvngu/2023-5/077.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Журнал "Вісник Приазовського державного технічного університету. Серія: Технічні науки" видається під ліцензією СС-BY (Ліцензія «Із зазначенням авторства»).
Дана ліцензія дозволяє поширювати, редагувати, поправляти і брати твір за основу для похідних навіть на комерційній основі із зазначенням авторства. Це найзручніша з усіх пропонованих ліцензій. Рекомендується для максимального поширення і використання неліцензійних матеріалів.
Автори, які публікуються в цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи в цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди, які стосуються неексклюзивного поширення роботи в тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи в цьому журналі.
