DIPLOMSKA NALOGA Ureditev, nadzor in spremljanje izpustov v vodnem transportu

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET

DIPLOMSKA NALOGA

Ureditev, nadzor in spremljanje izpustov v vodnem transportu

Jan Filip

Portorož, avgust 2021

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA POMORSTVO IN PROMET

DIPLOMSKA NALOGA

Ureditev, nadzor in spremljanje izpustov v vodnem transportu

Jan Filip

Mentor: doc. dr. Marko PERKOVIČ Somentor: doc. dr. Blaž LUIN Študent: Jan FILIP

Jezikovni pregled: Natalija SINKOVIČ Predmet: zaključno delo

Vpisna številka: 9180037

Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Navtika Smer študija: Navtika

Portorož, avgust 2021

KAZALO

Povzetek... IV Summary ... IV Namen naloge ... V Metode dela ... V Zgradba naloge ... V

1 Uvod ... 1

2 Razvrstitev in glavne značilnosti onesnaževal zraka, ki jih povzroča ladijski pogon, vključno z njihovimi viri in učinki ... 3

2.1 Osnovno načelo delovanja dizelskih motorjev... 3

2.2 Razvrstitev dizelskega goriva, ki se uporablja kot gorivo za plovila ... 4

2.3 Nastanek in sestava onesnaževal zraka iz ladijskih dizelskih motorjev ... 6

2.3.1 Plinska frakcija izpušnih plinov iz dizelskih motorjev ... 8

2.3.2 Delež trdnih delcev v izpušnih plinih dizelskih motorjev ... 9

2.4 Vpliv glavnih onesnaževal iz dizelskih motorjev na zdravje ljudi in okolje ... 13

3 Predpisi o onesnaževanju zraka v pomorskem sektorju in evropskem sektorju celinske plovbe ... 14

3.1 Vzpostavitev okoljske zakonodaje, vključno s konvencijo MARPOL ... 14

3.2 Uredba o dušikovih oksidih (NOx) na podlagi Priloge VI ... 16

3.3 Uredba o trdnih delcih (PM) in žveplovih oksidih (SOx) na podlagi Priloge VI ... 18

3.4 Uredba o ogljikovem dioksidu (CO2) na podlagi Priloge VI ... 21

3.5 Institucionalni okvir za evropsko celinsko plovbo v okviru okoljskih vprašanj ... 25

3.6 Uredba o emisijah v zrak z ladij v evropskem prometu po celinskih plovnih poteh ... 26

4 Sedanji sistemi in oprema, ki se uporabljajo za nadzor emisij v zrak na ladjah ... 29

4.1 Sistemi za čiščenje in nadzor dušikovih oksidov (NOx) ... 29

4.1.1 Selektivna katalitična redukcija (SCR) ... 29

4.1.2 Recirkulacija izpušnih plinov (EGR) ... 32

4.1.3 Druge metode nadzora NOx ... 34

4.2 Sistemi za čiščenje in nadzor žveplovih oksidov (SOx) ... 36

4.2.1 Odstranjevanje SOx s postopkom mokrega naknadnega čiščenja... 37

4.2.2 Odstranjevanje SOx s postopkom suhega naknadnega čiščenja ... 45

4.3 Nadzor trdnih delcev (PM) ... 45

4.4 Nadzor organskih hlapnih spojin (VOC) ... 46

5 Spremljanje emisij in certificiranje sistemov za nadzor emisij ... 49

5.1 Shema A ... 49

5.2 Shema B ... 50

6 Praktični del... 52

6.1 Meritve ... 53

6.2 Ugotovitve ... 57

7 Zaključek ... 60

Literatura ... 61

Seznam slik ... 65

Seznam tabel ... 66

Seznam kratic ... 67

POVZETEK

Vsebina diplomske naloge je predstavitev problematike nadzora, regulacije in spremljanja emisij izpušnih plinov, ki nastajajo pri izgorevanju fosilnih goriv v dizelskih motorjih, ki v ladijskem transportu prevladujejo. V zadnjih desetletjih so vprašanja, povezana z izpusti škodljivih in onesnaževalnih snovi v zrak, postala pomembna tema, ki je aktualna še danes.

Zaradi prevladujočega položaja dizelskih motorjev v rečnem in pomorskem prometu se posamezna poglavja tega dela osredotočajo na emisije iz teh virov. Delo poskuša bralca sistematično seznaniti z vzroki za nastanek emisij, vključno s predstavitvijo in razvrstitvijo goriv, ki se danes uporabljajo, ter osnovnim mehanizmom delovanja dizelskega motorja.

Poleg tega opisuje tudi kemično sestavo in zastopanost posameznih škodljivih sestavin izpustov, ki se sproščajo v zrak zaradi izgorevanja fosilnih goriv. Vključuje tudi uvod v regulativni okvir in posamezne predpise, ki obravnavajo to vprašanje na mednarodni in evropski ravni. Opisane so tudi ustrezne tehnologije za zmanjševanje emisij in načela spremljanja emisij.

Ključne besede: emisije izpušnih plinov ladij, ureditev, nadzor, spremljanje, morje, reka

SUMMARY

The scope of this thesis is to present the issues of control, regulation and monitoring of exhaust emissions from fossil fuel combustion in diesel engines, which are predominant in the shipping industry. In the last decades, issues related to the emission of harmful and polluting substances into the air have become an important topic that is still relevant. Due to the predominance of diesel engines in river and marine transport, the individual chapters of this thesis focus on emissions from these sources. The thesis attempts to provide the reader with a systematic overview of the causes of emissions, including an introduction and classification of the fuels used today and the basic mechanism of diesel engine operation. It also describes the chemical composition and representation of the various harmful components of emissions released into the atmosphere during the combustion of fossil fuels. Furthermore, the work introduces the regulatory framework and specific regulations that address this issue at international and European level. Relevant emission control technologies and emission monitoring principles are also described.

Keywords: ship exhaust emissions, regulation, control, monitoring, sea, river

Namen naloge

Namen tega diplomskega dela je povzeti najpomembnejša spoznanja na področju regulacije, nadzora in spremljanja izpušnih plinov dizelskih motorjev.

Metode dela

V diplomski nalogi so uporabljene naslednje znanstvenoraziskovalne metode:

– kvantitativna analiza, – metoda deskripcije, – metoda sinteze, – induktivna metoda,

– deduktivna metoda.

Zgradba naloge

Diplomsko delo je sestavljeno iz šestih glavnih poglavij. Prvi del vsebuje uvod v temo, drugi bralca seznani z razvrstitvijo glavnih onesnaževal, ki nastajajo pri izgorevanju v ladijskih dizelskih motorjih, ter z učinki teh onesnaževal in njihovimi vzroki. V tretjem delu so opisani predpisi, ki se uporabljajo za onesnaževanje zraka v pomorski industriji. Četrti del nadgrajuje prejšnje poglavje s posebnimi sistemi, ki se uporabljajo za nadzor emisij v zrak iz ladijskih dizelskih motorjev. To delo vključuje tudi kratka načela certificiranja in spremljanja emisij iz sistemov, opisanih v četrtem poglavju.

1 Uvod

Sektor vodnega prometa je bistvenega pomena za olajšanje svetovne trgovine, ker omogoča mednarodni in medregionalni transport naravnih virov, surovin in industrijskega blaga, ki se prevaža z ladjami po oceanih, obalnih in celinskih plovnih poteh. Mednarodna trgovina je eden od glavnih stebrov in gonil globalizacije, ki izkorišča prednosti ekonomije obsega v pomorskem prometu. Danes ladijski promet ne dokazuje svoje nepogrešljive vloge le zato, ker je zelo učinkovit način prevoza, temveč tudi zato, ker za številne vrste blaga, ki se prevažajo, ni druge poti kot po vodi. Konferenca Združenih narodov za trgovino in razvoj (UNCTAD) je ocenila, da se več kot 80 odstotkov vsega blaga prevaža po morju (2020). Čeprav je količina tovora, prepeljanega po celinskih plovnih poteh, bistveno manjša in je v nekaterih primerih odvisna od velikih naložb v infrastrukturo za ohranjanje plovnosti rek, so obstoječa in delujoča omrežja celinskih plovnih poti še vedno prednost za današnje dobavne verige.

Promet po celinskih plovnih poteh predstavlja približno 6 odstotkov celotnega tovornega prometa v Evropski uniji (v tonskih kilometrih) ter približno 8 odstotkov na Kitajskem in v Združenih državah Amerike, medtem ko plovne reke na svetovni ravni predstavljajo 623.000 km (Beyer, 2018).

Vodni promet kot podkategorija modalnega tovornega prometa ima na splošno najnižjo energetsko intenzivnost, ki jo lahko razumemo kot količino porabljene energije na enoto prevozne dejavnosti (MJ/tono-km). To izhaja iz načela hitrejšega povečevanja prostornine in zmogljivosti koristnega tovora v primerjavi s povečevanjem površine določenega prevoznega sredstva. Zmanjšanje energijske intenzivnosti je torej posledica zmanjšanja skupnega upora, ki ga povzroča prevozno sredstvo (ladja) na enoto tovora, zmanjšanje pa je mogoče pripisati tudi vse večjemu deležu tovora glede na maso prevoznega sredstva z večanjem velikosti prevoznega sredstva (Schäfer in Gucwa, 2013). Kljub zelo ugodni energetski intenzivnosti ladijskega prometa ni mogoče spregledati, da ta način prevoza še vedno precej prispeva k onesnaževanju zraka in s tem okolja. Vodni promet je v veliki meri odvisen od fosilnih goriv kot primarnih virov energije, ki so zaradi nizkih stroškov, visoke energijske gostote in relativnega obilja privlačna možnost. Pri zgorevanju goriv, bogatih z ogljikom, pa nastajajo neželeni stranski proizvodi zaradi nepopolne razgradnje sestavin goriva, sekundarnih reakcij produktov razgradnje in "de novo" molekul, ki jih tvorijo majhni delci (Lomnicki, Gullett, in drugi, 2014). Nastale spojine predstavljajo široko paleto kemikalij, vključno s trdnimi delci (PM), ogljikovim dioksidom (CO2), dušikovimi oksidi (NOx), žveplovimi oksidi (SOx) in hlapnimi organskimi spojinami (VOC). Količina in vrsta izpuščenih onesnaževal sta odvisni

od določene vrste goriva, uporabljene kurilne naprave ter uporabljene moči in obremenitve.¹ Za navedene kemične zmesi so značilni številni škodljivi učinki na okolje in zdravje ljudi.

Ogljikov dioksid, zelo obravnavani in glavni antropogeni toplogredni plin (ki se sprošča v ozračje zaradi človekove dejavnosti), spreminja energijsko ravnovesje Zemlje in povzroča globalne podnebne spremembe (Forster, Ramaswamy, in drugi, 2007). Leta 2018 je bil celoten prometni sektor odgovoren za približno 23 % svetovnih emisij CO2, ladijski promet pa je prispeval skoraj 3 % svetovnih emisij (1 076 milijonov ton CO2). Samo ladje povzročajo približno 12,5 % emisij prometnega sektorja (IMO, 2020). V Evropi so te številke sorazmerno primerljive, saj je bilo iz ladij z bruto tonažo nad 5 000 ton izpuščenih več kot 130 milijonov ton CO2, kar predstavlja približno 13 % vseh emisij v prometnem sektorju EU (Waterborne, 2021). Celinski rečni promet v EU letno sprosti 3,8 milijona ton CO2 (Waterborne, 2021).

Zaradi negativnih učinkov toplogrednih plinov je Mednarodna pomorska organizacija (IMO, 2020) leta 2018 sprejela prve strategije, katerih cilj je do leta 2050 zmanjšati emisije CO2 iz mednarodnega pomorskega prometa za vsaj 50 % v primerjavi z vrednostmi CO2 iz leta 2008.

Te strategije so izražene v mednarodni Konvenciji o preprečevanju onesnaževanja morja z ladij (MARPOL), ki je eden od instrumentov IMO za boj proti onesnaževanju zraka na svetovni ravni. Negativni vplivi drugih onesnaževal torej niso zanemarljivi. Priloga VI h konvenciji MARPOL omejuje emisije z ladij, vključno z žveplovimi oksidi, dušikovimi oksidi, snovmi, ki tanjšajo ozonski plašč, in hlapnimi organskimi spojinami (IMO).

1 Zgornji seznam možnih vplivov na nastanek onesnaževal ni izčrpen. Celovitejši seznam dejavnikov, ki vplivajo na nastanek in koncentracije onesnaževal, je podrobneje opisan v drugem poglavju.

2 Razvrstitev in glavne značilnosti onesnaževal zraka, ki jih povzroča ladijski pogon, vključno z njihovimi viri in učinki

To poglavje obravnava osnovna načela delovanja ladijskih motorjev, vključno z različnimi vrstami goriva, ki se uporabljajo, in zlasti analizo snovi, ki so produkt delovanja teh dizelskih motorjev. Nazadnje so opisani učinki teh snovi na zdravje ljudi in okolje.

Onesnaženost zraka lahko opredelimo kot stanje ozračja, v katerem so onesnaževala, kot so prah, dim, plin, megla, vonj, hlapi ali pare, prisotna v koncentracijah, ki presegajo njihove običajne ravni v okolju (čisto ozračje), v takšnih značilnostih in s takšnim trajanjem, da imajo merljive škodljive učinke na okolje in žive organizme. Onesnaževanje zraka je zaradi svoje čezmejne narave svetovni problem, k čemur prispevajo še vedno naraščajoče prebivalstvo, velike potrebe po energiji in še vedno zelo velika odvisnost od fosilnih goriv, ki zagotavljajo več kot štiri petine svetovne energije (Rapier, 2019).

2.1 Osnovno načelo delovanja dizelskih motorjev

Emisije izvirajo iz različnih virov; v sektorju vodnega prometa so glavni viri onesnaževanja zraka izpušni plini in delci, ki nastanejo pri izgorevanju ogljikovodikovih goriv pri pogonu plovil. Slednji so običajno sestavljeni iz glavnih ali pogonskih motorjev, ki so namenjeni ustvarjanju potiska za premikanje ladje in pomožnih ali pomožnih motorjev, ki so namenjeni ustvarjanju in stalnemu napajanju različnih ladijskih sistemov ter ohranjanju neprekinjenega delovanja. Obstajajo različne konfiguracije ladijskih pogonskih enot, ki so zasnovane tako, da ustrezajo potrebam določenega plovila. Večje ladje so običajno zasnovane tako, da imajo več glavnih in pomožnih motorjev. Danes veliko večino ladij poganjajo dizelski motorji, razen majhnih čolnov, ki jih lahko poganjajo bencinski motorji. Ocenjujejo, da približno 90 % velikih komercialnih ladij, kot so tankerji, ladje za prevoz razsutega tovora, kontejnerske ladje in druga plovila, poganjajo veliki dvotaktni dizelski motorji z nizkimi vrtljaji (do 300 vrt/min), opremljeni z vsaj enim dizelskim generatorjem (Čapara, 2018). Štiritaktni motorji z menjalnikom in srednjo hitrostjo (250–1200 vrtljajev na minuto) so zaradi svoje kompaktne velikosti pogosti in priljubljeni tudi na manjših tovornih ladjah, RO-RO/PAX, trajektih, križarkah in drugih različnih specializiranih plovilih (Molland, 2008).

Dizelski motor je motor z notranjim zgorevanjem, ki deluje na principu kompresijskega vžiga.

Eden najpomembnejših vidikov tega procesa je mešanje goriva in zraka. Pri dizelskih motorjih se tekoče gorivo pogosto vbrizga v valj motorja na koncu kompresijskega takta pri veliki hitrosti skozi eno ali več šob. Gorivo se razprši v majhne kapljice in prodre v

zgorevalno komoro, kjer absorbira toploto iz okoliškega ogretega stisnjenega zraka. S premikanjem bata do zgornje mrtve lege valja mešanica doseže temperaturo vžiga goriva in se vžge. Zaradi hitrega vžiga se v valju dvigne tlak, ki sproži gibanje bata. Ta nato vrti ročično gred, ki prek sistema drugih gredi vrti propeler. Kemična energija, ki jo vsebuje gorivo, se pretvori v mehansko energijo. V primerjavi z motorji z zunanjim zgorevanjem v motorju z notranjim zgorevanjem gorivo zgoreva neposredno v zgorevalni komori, kar zagotavlja večji toplotni izkoristek ter manjše toplotne izgube in porabo goriva. Eden od pomembnih dejavnikov, ki vpliva na priljubljenost dizelskih motorjev v sektorju plovil, je zmožnost zgorevanja poceni rezidualnih goriv nižje kakovosti, ne da bi se poškodovale komponente motorja. Visoka učinkovitost velikih dizelskih motorjev v kombinaciji z omenjenimi poceni gorivi omogoča velike prihranke v 25 do 30 letih (povprečna življenjska doba ladje).

Destilirana goriva, ki so okolju prijaznejša, so za primerjavo od 1,5- do 2-krat dražja od težkih (rezidualnih) goriv (Zamiatina, 2016). Druga prednost velikega dvotaktnega dizelskega motorja so njegove nizki vrtljaji (povprečno 70–120 vrt/min), ki omogočajo neposredno povezavo rotirajoče ročične gredi s propelerjem, zaradi česar ni potreben drag menjalnik.

Redukcijski menjalnik, ki se uporablja za pogon s parno turbino na obstoječih ladjah za prevoz utekočinjenega zemeljskega plina (LNG), je zelo drag strojni element, ki lahko stane tretjino celotne cene ladje (Anantharaman, 2015). Poleg tega je počasna pogonska moč primerna za propelerje z velikim premerom (do 10 metrov), kar omogoča večjo učinkovitost propelerja.

2.2 Razvrstitev dizelskega goriva, ki se uporablja kot gorivo za plovila

Dizelsko olje je frakcija, pridobljena s postopkom, ki se imenuje frakcijska destilacija.

Sestavine surove nafte, ki so zgrajene iz naravno prisotnih dolgoverižnih ogljikovodikov, se med postopkom destilacije pretvorijo v hlape, ki se pozneje zbirajo kot kondenzirana tekočina v destilacijski koloni s pomočjo skladiščnih rezervoarjev. Naftna goriva so razvrščena in poimenovana glede na njihov namen, sestavo in točko vrelišča (175 do 600 °C). Na začetku postopka frakcijske destilacije se odstranijo molekule z relativno nizkim vreliščem, ki jih vsebuje bencin, uporabljan v avtomobilih. Težji naftni derivati, kot sta dizelsko in mazalno olje, se destilirajo počasneje. Dizelsko gorivo za ladje, znano tudi kot 'bunker' gorivo, lahko razdelimo v dva glavna razreda: destilarno gorivo (sestavljeno iz lahkih frakcij) in težko gorivo ali rezidualno gorivo (sestavljeno iz težkih preostalih frakcij). Kemična sestava materiala iz dna rafinerije, iz katerega se pridobiva težko gorivo (po pridobivanju vseh drugih frakcij), se lahko razlikuje od rafinerije do rafinerije (Holman, 2005). Za destilarna goriva je

značilna nižja kinematična viskoznost, zaradi česar lažje tečejo. Nasprotno pa težka goriva dosegajo viskoznost do 700 cST (merjeno pri 50 °C), zato je njihov pretočni upor veliko večji. Viskoznost težkih goriv je treba zmanjšati na 10–12 cST, da se zagotovijo optimalno izgorevanje in učinkovitost motorja ter neoporečno delovanje črpalke za gorivo. Viskoznost goriva se zmanjša s segrevanjem goriva na želeno temperaturo med postopkom priprave goriva, ki vključuje čiščenje in prečrpavanje. Potreba po segrevanju težkega goriva (znanega tudi kot HFO) pred uporabo je za manjše čolne ali barke zelo nepraktična. Zato se težka goriva uporabljajo predvsem na večjih ladjah, ki imajo dovolj prostora in ustrezne naprave za pripravo goriva.

Tabela 1 Primer zahtevanih temperatur za ravnanje z rezidualnim in destiliranim gorivom

Pomorska industrija priznava bolj raznoliko klasifikacijo goriv v skladu s standardom ISO 8217:2017 (6. izdaja), ki določa več kategorij destilatov ali rezidualnih goriv, ki se uporabljajo v dizelskih motorjih in kotlih, z vsemi njihovimi ustreznimi lastnostmi in zahtevami. Vsebnost žvepla in kinematična viskoznost se uporabljata kot glavno merilo za ločevanje med različnimi gorivi. Vsebnost žvepla v gorivu je eno od oblikovanih meril v Prilogi VI h konvenciji MARPOL, ki nadzoruje onesnaževanje zraka z ladij. Standard ISO vsebuje številne druge pogoje ali zahteve, ki jih morajo izpolnjevati dizelska goriva, na primer: dovoljene najnižje mejne vrednosti plamenišča, cetansko število, vsebnost vodikovega sulfida, vsebnost pepela, ostanek ogljika, skupna vsebnost usedlin itd.

Tabela 2 Zahteve za destilarna goriva za plovila na podlagi standarda ISO 8217:2017 Ladijska destilarna goriva (D)

Razred DMX DMA DFA DMZ DFZ DMB DFB

Kinematična viskoznost pri 40 °C Max 5 6 6 6 6 11 11 mm²/s

Vsebnost žvepla Min 1 2 2 3 3 2 2 mm²/s

Max 1 1 1 1 1 1,5 1,5 delež mase [%]

Pogovorno ime MGO MDO

Tabela 3 Zahteve za ladijska rezidualna goriva na podlagi standarda ISO 8217:2017 Ladijska rezidualna goriva (R)

Razred RMA RMB RMD RME RMG RMK

K. visk. pri 50 °C Max 10 30 80 180 180 380 500 700 380 500 700 mm²/s

Vsebnost žvepla Max Izpolnjevanje zakonskih zahtev, kot jih določi naročnik.

delež mase [%]

Rezervoar za shranjevanje Rezervoar za usedlino Idealen vhod v centrifugo Destilarno gorivo 10 °C nad točko točenja 10 °C nad točko točenja 10 °C nad točko točenja

Rezidualno gorivo 10 °C nad točko točenja 65 °C 98 °C

Vir: www.bp.com/

Vir: www.wfscorp.com

Pogovorno ime IFO IFO IFO HFO

Tabela 2 ne določa mejnih vrednosti žvepla, razen tehničnih mejnih vrednosti za razrede DM/DF. Opozoriti je treba, da je v tabeli 3 gorivo RMA najvišje kakovosti, RMK pa gorivo najnižje kakovosti. Dodatni standard za goriva ISO/PAS 23263:2019 je bil razvit, preden so 1.

januarja 2020 začele veljati nove obvezne omejitve za zmanjšanje vsebnosti žvepla v gorivih s 3,5 % na 0,5 % (Priloga VI k MARPOL). Standard potrjuje uporabo oznak razredov iz standarda ISO 8217:2017 in opredeljuje splošne zahteve, ki veljajo za vsa goriva z vsebnostjo žvepla 0,5 % (MEPC.320, 2019). Odbor za ohranjanje morja je navedel, da se standard ISO 8217:2017 trenutno pregleduje, ker je industrija izrazila zaskrbljenost zaradi raznolikosti značilnosti VLSFO; posodobljen standard naj bi bil objavljen leta 2023 (WinGD, 2020).

Tabela 4 Poimenovanje goriv od leta 2020

Goriva HSHFO* so dovoljena samo za ladje, opremljene s tehnologijami, ki zagotavljajo zmanjšanje emisij žveplovih oksidov na raven, enakovredno uporabi goriv, ki izpolnjujejo ustrezne mejne vrednosti žvepla.

2.3 Nastanek in sestava onesnaževal zraka iz ladijskih dizelskih motorjev

Glede na trenutne razpoložljive tehnologije sta uporaba in izgorevanje fosilnih goriv v ladijskem prometu najučinkovitejša in ekonomsko najugodnejša metoda pretvorbe kemične energije goriv na osnovi ogljika v mehansko, električno in toplotno energijo. Pri tem procesu, ki vključuje kemijske reakcije, kot sta prenos toplote in mase, nastajajo proizvodi, sestavljeni iz več sto kemijskih sestavin v obliki trdnih delcev, kondenziranih (tekočih) kapljic in plinastih frakcij (Steiner, Bisig in drugi. 2016). Na sestavo izpušnih plinov dizelskega motorja vplivajo vrsta pogonske enote, postopek zgorevanja ter sestava in lastnosti delovnih tekočin, ki jih dobiva motor, kot so gorivo, zrak in mazalno olje. Znano je tudi, da spremembe obremenitve glavnega motorja, hitrosti in porabe goriva vplivajo na količino in delež onesnaževal, ki se sproščajo iz izpušne cevi ladje v ozračje. Obstajajo tudi tehnologije, ki so zasnovane posebej za nadzor emisij in se pogosto uvrščajo med sisteme za izboljšanje

Opredelitev kratic za gorivo:

HFO Heavy Fuel Oil MGO Marine Gas Oil MDO Marine Diesel Oil

ULSFO Ultra-Low Sulphur Fuel Oil VLSFO Very-Low Sulphur Fuel Oil HSHFO High Sulphur Heavy Fuel Oil

Poimenovanje goriv od leta 2020 Vsebnost žvepla: HFO

(RM razredi)

MDO

(DMB, DFB)

MGO

(DMA, DFA, DMZ, DFZ)

S ≤ 0.10 % ULSFO ULSFO

0.10 % < S ≤ 0.10 % VLSFO VLSFO

S < 0.50 % HSHFO* HSHFO*

Vir: www.wingd.com; Okubo in Kuwahara, 2020

zgorevanja in sisteme za naknadno obdelavo/čiščenje izpušnih plinov (Okubo in Kuwahara, 2020).

2.3.1 Plinska frakcija izpušnih plinov iz dizelskih motorjev

Plinski del emisij dizelskega motorja sestavljajo predvsem nestrupeni anorganski plini, kot so dušik (N2), ki ga je približno 75 % (IARC, 1989), vodna para (H2O) in presežek kisika (O2).

Med glavne produkte popolnega zgorevanja spada tudi strupen anorganski ogljikov dioksid (CO2). Doseganje popolnega izgorevanja pa je praktično nemogoče. Na to vpliva prisotnost različnih sestavin v gorivu in zraku. Druga ovira za doseganje popolnega zgorevanja je neenakomerna porazdelitev reaktantov v zgorevalni komori. Število nastalih kemičnih produktov je močno odvisno od začetnega razmerja reaktantov, tj. goriva in kisika, pa tudi od toplote, ki se dovede med procesom zgorevanja. Pri idealnem stehiometričnem razmerju med zrakom in gorivom teoretično ne ostane nobenega nezgorelega goriva, zato so kemični produkti omejeni na že omenjene. V praksi pa izpušni plini vedno vsebujejo določen delež nepopolno zgorelega materiala (EGCSA, 2012). Nezgorele kemične snovi, ki se z dimnimi plini sproščajo v ozračje, zmanjšujejo toplotno učinkovitost procesa in imajo tudi negativen vpliv na okolje. Koncentracija H2O in CO2 v izpušnih plinih dizelskih motorjev se lahko giblje v približno enakih masnih deležih od nekaj odstotkov do približno 13 % (Gotze, 1997).

Le del okoliškega zraka (v nasprotju s čistim kisikom), ki se dovaja v valj dizelskega motorja, sodeluje v procesu zgorevanja in deluje kot oksidant, saj je večina suhega okoliškega zraka sestavljena iz negorljivega dušika in le približno 21 % prostornine kisika (IARC, 1978).

Izpušni plini dizelskih motorjev vsebujejo tudi razmeroma majhne količine neželenih, škodljivih ali strupenih anorganskih plinov, kot so ogljikov monoksid (CO), dušikovi oksidi (NOx) in žveplovi oksidi (SOx). Do nastanka vode pride tudi med nepopolnim zgorevanjem, vendar se del ogljika ne oksidira v celoti in nastanejo saje ali ogljikov monoksid (CO). Za nepopolno zgorevanje na splošno velja naslednja enačba (BBC, 2021):

𝑜𝑔𝑙𝑗𝑖𝑘𝑜𝑣𝑜𝑑𝑖𝑘 (𝐻𝐶) + 𝑘𝑖𝑠𝑖𝑘 (𝑂₂) → 𝑜𝑔𝑙𝑗𝑖𝑘𝑜𝑣 𝑚𝑜𝑛𝑜𝑘𝑠𝑖𝑑 (𝐶𝑂) + 𝑜𝑔𝑙𝑗𝑖𝑘(𝐶) + 𝑣𝑜𝑑𝑎 (𝐻₂𝑂)

Dušikovi oksidi nastajajo (pri vseh vrstah zgorevanja) deloma iz dušika, ki je v večini zraka, deloma pa iz dušika v gorivu. Dušikovi oksidi nastajajo (pri vseh vrstah zgorevanja) deloma iz dušika, ki je v večini zraka, deloma pa iz dušika v gorivu. Sproščeni dušik se pri visokih temperaturah združi s kisikovimi atomi in tvori dušikov oksid (NO), z nadaljnjo oksidacijo pa nastane dušikov dioksid (NO2). Tako kot se pri visokih temperaturah oksidira dušik, se tudi žveplove nečistoče (naravno prisotne v številnih fosilnih gorivih) oksidirajo v žveplov dioksid (SO2) in žveplov trioksid (SO3). Delež žvepla v gorivu je odvisen od postopka rafiniranja.

Poleg tega dizelski motorji izpuščajo tudi nizke ravni plinastih ogljikovodikov (HC), ker je dizelsko gorivo iz nafte sestavljeno iz približno 75 % nasičenih ogljikovodikov in 25 % aromatskih ogljikovodikov (angl. PAH – Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Nekatere ogljikovodike imenujemo hlapne organske spojine (angl. VOC – Volatile Organic Compounds), ker pri sobni temperaturi in atmosferskem tlaku lažje izhlapijo in prehajajo v ozračje. Te snovi lažje in hitreje izhlapevajo zaradi šibkih med molekulskih sil (Narsavage- Heald, 2021). Hlapne organske spojine, ki se sproščajo iz izpušnih plinov dizelskih motorjev, so pozitivno korelirane s skupnimi emisijami ogljikovodikov in vključujejo vrsto kemičnih spojin, kot so formaldehid, 1,3-butadien, butil-acetate, toluen in benzen (Ogawa, 2011).

Znano je, da hlapne organske snovi prehajajo med plinasto in trdno fazo, ti sta podvrženi kemičnim interakcijam, ki jih lahko spremenijo (Ebersviller, 2013). Zaradi narave njihovega izvora lahko neposredno izpuščene VOC uvrstimo med primarna antropogena onesnaževala.

V ozračju pri nadaljnjih kemijskih reakcijah med primarnimi onesnaževali in sestavinami ozračja nastanejo sekundarna onesnaževala. Nekatere hlapne organske spojine so strupene in skupaj z dušikovimi oksidi veljajo za predhodnike sekundarne tvorbe prizemnega ozona (O3) in trdnih delcev (PM). Prizemni ozon je škodljivo onesnaževalo zraka in je skupaj z drugimi plini in trdnimi delci ena izmed glavnih sestavin fotokemičnega smoga (Inamota, 2016).

2.3.2 Delež trdnih delcev v izpušnih plinih dizelskih motorjev

Dizelski delci, znani tudi kot dizelski izpušni delci (angl. DEP - Diesel Exhaust Particulate) ali aerosol, so sestavljeni iz trdnih ali tekočih delcev z zapleteno strukturo, ki so suspendirani v zraku. Ti delci nastanejo med zgorevanjem ladijskih kurilnih olj in se delijo na primarne delce, ki nastanejo skoraj takoj, in sekundarne delce, ki nastanejo pri poznejših medsebojnih reakcijah in reakcijah s snovmi v ozračju. Ogljikove komponente izpušnih delcev dizelskih motorjev, ki so sestavljene iz elementarnega ogljika (EC) in organskega ogljika (OC), se sproščajo kot primarna onesnaževala iz procesov izgorevanja (EC, OC) ali pa nastajajo kot sekundarna onesnaževala (OC) v ozračju (Khare, 2011). Ogljikovi delci iz različnih virov izgorevanja imajo širok razpon površinskih lastnosti, morfologije in sestave, na katere vpliva prisotnost organskih snovi in nečistoč (Popovicheva, 2009). Poleg prevladujočega organskega ogljika lahko vsebujejo tudi naslednje elemente: kisik, žveplo, vanadij, nikelj, silicij, kalcij, železo. Organske spojine, sulfati in kovinski oksidi naj bi se med fazo hlajenja ujeli ali kondenzirali na površini ogljikovih delcev v izpušnem kolektorju dizelskega motorja (Popovicheva, 2009). Ta učinek je povezan s povečanjem vsebnosti organskega ogljika in sulfata med ohlajanjem, kar omogoča boljšo absorpcijo. Organske spojine v izpušnih delcih

Slika 1 Trdni delci dizelskih motorjev in njihovi sestavni deli

izvirajo iz težkih ogljikovodikov, ki izvirajo iz nezgorelega goriva in mazalnega olja (Ristovksi, 2011).

V znanstveni literaturi se kemična sestava trdnih delcev ladijskih dizelskih motorjev včasih deli na: hlapne (topne) frakcije, sestavljene predvsem iz organskih in anorganskih ionov (prevladujejo sulfati, kalcij in nitrati), topne organske frakcije (SOF – Soluble Organic Fractions), medtem ko so nehlapne (netopne) frakcije emitiranih delcev sestavljene predvsem iz saj, mineralnih delcev/pepela in različnih kovinskih sestavin (Popovicheva, 2009). Velik del teh sestavin vsebuje ogljik, medtem ko se neogljikovi ostanki absorbirajo ali pomešajo z ogljikovimi delci. Topnost je pomemben pokazatelj, kako dobro se lahko delci ali katera koli druga kemična snov med ekstrakcijo raztopijo v topilu (npr. z metanolom, heksanom in vodo), kar omogoča analizo sestave delcev (Popovicheva, 2009). Določitev celotnega v vodi topnega deleža na površini delcev prispeva k boljšemu razumevanju obnašanja in interakcij med spojinami na površini in vodo ter v vlažnem ozračju. To pa pomaga pri načrtovanju sistemov za nadzor emisij, ki bodo lahko učinkoviteje zajeli nekatera onesnaževala. Topna organska frakcija lahko predstavlja pomemben delež DEP, vendar se natančen delež razlikuje od študije do študije (Collura 2005, navaja: 5-60 masnih % DEP). Na ta razpon lahko vplivajo različni pogoji delovanja motorja (npr. temperatura, čas zadrževanja) in spremenljive lastnosti goriva. Na ta razpon lahko vplivajo različni pogoji delovanja motorja (npr. temperatura, čas delovanja) in spremenljive lastnosti goriva. Polotopno preostalo organsko frakcijo so raziskovalci Univerze Victoria ekstrahirali, analizirali in jo kasneje razvrstili v naslednje razrede: alkani, alkeni, poliaromati, estri, anhidridi, azoli in amini (Popovicheva, 2009).

Delce izpušnih plinov iz ladij lahko glede na njihovo različno kemično sestavo razdelimo na tri različne morfološke strukture: agregate saj, ogljikove delce in mineralne delce/delce

Vir: EGCSA, 2012; Popovicheva 2009

pepela. Delci, podobni pepelu, izvirajo neposredno iz goriva ali iz oksidacije mazalnih dodatkov.

Trdne delce pogosto razvrščamo glede na njihovo velikost:

▪ PM10 (z Ø med 10 in 2,5 μm), znani tudi kot grobi delci (angl. coarse particulate),

▪ PM2.5 (z Ø med 2,5 in 1 μm), znani tudi kot drobni delci (angl. fine particulate), in

▪ PM1.0 (z Ø manj kot 1 μm), znani tudi kot ultrafini delci (angl. ultra-fine particulate).

Evropska agencija za okolje (EEA) priznava dve kategoriji standardov (PM10, PM2,5).

Dizelski delci se običajno delijo na tri načine glede na pogostost pojavljanja: način nukleacije (angl. nuclei mode; 10–100 nm), način akumulacije (angl. accumulation mode; 0,1–1 μm) in grobi način (angl. coarse mode; 1–10 μm). Raziskave kažejo, da so izpušni delci, ki jih proizvajajo veliki ladijski dizelski motorji, ki uporabljajo težko kurilno olje, veliki do 10 μm.

Ugotovljeno je bilo tudi, da se porazdelitev velikosti delcev pri zgorevanju HFO (težko ladijsko gorivo) bistveno razlikuje od porazdelitve velikosti delcev tipičnih avtomobilskih saj, katerih povprečni premer je 1 μm (Kerminen et al., 1997). Popovicheva in drugi so ugotovili, da so grobi delci z ladij s premerom približno 7 μm glavna vrsta delcev po masni porazdelitvi.

V porazdelitvi mase prevladujejo veliki delci, čeprav je njihovo število relativno manjše.

Glede na porazdelitev števila delcev prevladujejo delci v režimu nukleacije (Fridell, 2007).

Vir: Fridell, 2007; EGCSA, 2012

Na splošno predstavljajo emisije onesnaževal iz dizelskih motorjev (CO, NOx, SOx, HC, PM) manj kot 1 % vseh emisij po teži (Gotze, 1997). Čeprav gre za zelo majhen odstotek, je treba tem onesnaževalom in njihovim vplivom na okolje nameniti dovolj pozornosti.

Slika 2 Graf bimodalnega spektra delcev iz ladijskih dizelskih motorjev

2.4 Vpliv glavnih onesnaževal iz dizelskih motorjev na zdravje ljudi in okolje

Tabela 5 Onesnaževala zraka in njihov vpliv na zdravje ljudi in okolje

Onesnaževala zraka Vplivi na zdravje in okolje

Trdni delci (PM) Trdni delci (PM) so kompleksna mešanica trdnih in tekočih snovi, vendar ne plinov. PM negativno vplivajo na srce in ožilje ter dihala.

Metan (CH4)

Je zelo močan toplogredni plin, veliko močnejši od CO2 (potencial globalnega segrevanja [GWP] metana je v 20 letih do 84-krat večji od potenciala segrevanja CO2). Vendar je življenjska doba metana veliko krajša. Neizgoreli metan izpuščajo plovila, ki delujejo na utekočinjen zemeljski plin. Sam po sebi ni strupen.

Ozon (O3)

Prizemni (troposferski) ozon je škodljiva sekundarna plinasta snov, ki nastaja iz NOx in hlapnih organskih spojin. Je strupen za ljudi in rastline. Ima škodljive učinke na zdravje (astma in trajne poškodbe pljuč).

Ogljikov monoksid (CO)

Brezbarven, brez vonja, okusa, vnetljiv in strupen plin. Učinki na zdravje pri zmernih koncentracijah lahko vključujejo: dolgočasen glavobol, šibkost, omotico, slabost ali bruhanje. Pri višjih

koncentracijah je lahko za človeka smrtno nevaren.

Ogljikov dioksid (CO2)

Brezbarven, nestrupen plin. Najpomembnejši dolgoročni dejavnik, ki prispeva k podnebnim spremembam. Potencial globalnega segrevanja ogljikovega dioksida je 1, ker je upoštevan kot referenčni toplogredni plin. Povzroča zakisljevanje oceanov.

Dušikovi oksidi (NOx)

Dušikovi oksidi so splošni izraz za skupino sedmih strupenih in zelo reaktivnih plinov. Ti plini prispevajo k smogu in kislemu dežju ter vplivajo na troposferski ozon. Dušikov oksid (N2O) je tretji najpomembnejši toplogredni plin. Višje ravni NOx lahko povzročijo draženje oči, nosu in grla ali slabše delovanje pljuč.

Žveplovi oksidi (SOx)

Žveplovi oksidi so skupina spojin, ki vsebujejo žveplo in kisik v različnih oblikah. Žveplov dioksid (SO2) neposredno prispeva k podnebnim spremembam in negativno vpliva na zdravje ljudi, posredno pa prispeva tudi h kislemu dežju.

Hlapne organske spojine (VOCs)

Nekatere hlapne organske spojine so strupene in v visokih koncentracijah celo rakotvorne, na primer benzen in

formaldehid. Izpostavljenost hlapnim organskim spojinam lahko povzroči številne zdravstvene učinke, vključno z draženjem oči, nosu in grla ter glavoboli in izgubo koordinacije. Hlapne

organske spojine imajo ključno vlogo pri nastajanju prizemnega ozona.

Vir: Avtorska tabela, 2021 20212007

3 Predpisi o onesnaževanju zraka v pomorskem sektorju in evropskem sektorju celinske plovbe

Namen tega poglavja je predstaviti sedanji regulativni okvir in veljavno zakonodajo za svetovni sektor pomorskega prometa in evropski sektor prometa po celinskih plovnih poteh v okviru preprečevanja onesnaževanja zraka in zmanjševanja emisij toplogrednih plinov.

Mednarodna pomorska organizacija (IMO), agencija Združenih narodov, trenutno ureja okolijske vplive, vključno z onesnaževanjem zraka z morskih plovil, s konvencijo MARPOL na ravni oceanov in morja. Pravila se uporabljajo za vse vrste plovil (razen kadar je to izrecno določeno), ki plujejo pod zastavo države podpisnice Konvencije ali delujejo pod njeno jurisdikcijo. Pri prevozu po celinskih plovnih poteh pa onesnaževanje zraka, ki ga oddajajo ladje, urejajo lokalni vladni organi. V Evropi se z zakonodajnim postopkom na tem področju poleg posameznih držav ukvarja tudi Evropska unija. Sprejemanje in skladnost z evropskimi direktivami zagotavljajo države članice posamično na nacionalni ravni.

3.1 Vzpostavitev okoljske zakonodaje, vključno s konvencijo MARPOL

Mednarodna pomorska organizacija je bila ustanovljena leta 1948 na mednarodni konferenci v Ženevi in deluje od leta 1959. IMO je odgovorna za prvo okoljsko zakonodajo na področju mednarodnega ladijskega prometa. Od ustanovitve je organizacija pripravila številne mednarodne konvencije na področju pomorskega prometa, zlasti za izboljšanje varnosti in učinkovitosti pomorskega prometa. Preprečevanje onesnaževanja morja in okolja ter zmanjševanje negativnih vplivov, povezanih z ladijskim prometom, je eden od njihovih glavnih ciljev že od samega začetka. Vendar je trajalo več desetletij, da so se pravno zavezujoči okoljski standardi, ki urejajo pomorski promet, razvili do današnje oblike. Na samem začetku varstva morskega in oceanskega okolja je bila leta 1954 v Londonu podpisana Mednarodna konvencija o preprečevanju onesnaževanja morja z nafto (OILPOL). Dvanajst let pozneje, leta 1967, je tanker Torrey Canyon nasedel v Rokavskem prelivu in v morje izlil 120.000 ton nafte. Ta dogodek, ki še vedno velja za eno najhujših razlitij nafte na svetu, je povečal okoljsko ozaveščenost v pomorskem sektorju. Takrat je bilo jasno, da je potreben nov mednarodni sporazum, ki bo določil strožje zahteve za spremljanje razlitja nafte in za same ladje.

V naslednjih letih je Mednarodna pomorska organizacija OILPOL 54 večkrat spremenila in vanjo vključila številne ukrepe za preprečevanje nesreč tankerjev ter zmanjšanje njihovih posledic in vpliva na okolje (IMO, 2019). Mednarodna konvencija o preprečevanju

onesnaževanja morja z ladij, znana tudi kot MARPOL, je bila prvič podpisana leta 1973 kot odgovor na potrebo po celoviti in učinkoviti konvenciji za reševanje okoljskih problemov, ki so posledica delovanja ladij in večjih nesreč. Ladijske nesreče, zlasti velika razlitja nafte, so bile v drugi polovici prejšnjega stoletja še vedno razmeroma pogoste. Vendar je bilo ugotovljeno, da je količina nafte, ki jo ladje izpustijo med operativnimi izpusti, trikrat večja od količine nafte, ki v morje pride ob nesrečah (Alvarez, 2021). Zaradi družbenega pritiska in skrbi mednarodne skupnosti je bil sprejet Protokol iz leta 1978, ki je bil združen s prejšnjo konvencijo iz leta 1973. Ta združeni dokument, znan tudi kot MARPOL 73/78, je uradno začel veljati leta 1983, takrat s petimi prilogami, od katerih je vsaka vsebovala podrobnejše predpise o preprečevanju onesnaževanja (priloge I do V).

Tabela 6 Seznam prilog konvencije MARPOL

Priloga Ime Začel veljati

I Pravila za preprečevanje onesnaževanja z nafto (olje in

zaoljene vode) 2. oktober 1983

II Pravila za preprečevanje onesnaževanja morja s tekočimi

strupenimi snovmi 2. oktober 1983

III Pravila za preprečevanje onesnaževanja s škodljivimi snovmi, ki se prevažajo v zaprti embalaži ali v kontejnerjih, prenosnih

rezervoarjih ter v cestnih ali železniških cisternah 1. jul 1992

IV Pravila za preprečevanja onesnaževanja z ladijskimi odpadnimi

vodami (odplake, fekalne vode) 27. september

2003

V Pravila za preprečevanja onesnaževanja s smetmi z ladij (trdni

odpadki, kuhinjski odpadki) 31. december 1988

VI Pravila za preprečevanje onesnaževanja zraka z ladij 19. maj 2005

V naslednjih letih je prišlo do več naključnih razlitij, vendar se je med letoma 1973 in 1990 onesnaževanje z nafto zaradi operativnih razlitij zmanjšalo za 85 %. Konvencija je bila v preteklih letih nenehno spreminjana. Znanstvene raziskave ob koncu osemdesetih let so potrdile, da so ladje vir onesnaževanja zraka z dolgoročnimi škodljivimi učinki na zdravje ljudi in ekosisteme, kar ni bilo vsem jasno, zlasti ker so se nekateri resni negativni učinki pokazali šele čez daljše časovno obdobje. Vendar so že v začetku 19. stoletja ugotovili, da fotokemični smog, ki ga povzroča izgorevanje fosilnih goriv in drugih onesnaževal, povzroča velike težave, zaradi katerih je umrlo na tisoče ljudi, zlasti v velikih mestih, kot sta London in Los Angeles.

Vir: Okubo in Kuwahara, 2020; IMO 2020

Protokol iz leta 1997 je Konvencijo dopolnil s šesto prilogo (Annex VI), ki obravnava pravila za preprečevanje onesnaževanja zraka z ladij. Priloga je bila pripravljena v sodelovanju z Odborom za varstvo morskega okolja (MEPC), ki je del Mednarodne pomorske organizacije.

Priloga VI je vključevala tudi prepoved namernega sproščanja snovi, ki tanjšajo ozonski plašč (ozone depleting substances). V naslednjih letih so bile sprejete spremembe in določene omejitve so se zaostrile. Sprejeti so bili celo novi ukrepi za povečanje energetske učinkovitosti ladij, ki pripomorejo k zmanjšanju skupnih emisij CO2, ki so največji vir toplogrednih plinov v pomorskem prometu (Okubo in Kuwahara, 2020).

Trenutno je v veljavi vseh šest prilog Konvencije MARPOL, ki zajemajo različne vire onesnaževanja z ladij in tako zagotavljajo splošni okvir za mednarodne cilje. Vendar brez ratifikacije in izvajanja s strani suverenih držav konvencija ne zagotavlja zadostnega varstva morskega okolja. Treba je poudariti, da mora prilogi I in II sprejeti vsaka država, ki se pridruži konvenciji MARPOL, medtem ko so priloge III–VI neobvezne. To pomeni, da ju je mogoče sprejeti samostojno in pozneje kot prvi dve prilogi. Junija 2021 je Argentina postala 100.

pogodbenica Priloge VI, ki zdaj zajema 96,65 % svetovnega trgovskega ladijskega prometa po tonaži (IMO, 2020).

3.2 Uredba o dušikovih oksidih (NO

) na podlagi Priloge VI

Mejne vrednosti za snovi dušikovi oksidi (NOx) so določene v pravilu 13, Priloge V, Konvencije MARPOL. Kriteriji za nadzor NOx iz Priloge VI veljajo za vse vgrajene ladijske dizelske motorje z močjo nad 130 kW, ki se ne uporabljajo izključno v nujne namene (IMO, 2019). Na podlagi datuma izdelave ladje se uporabljajo različne stopnje nadzora (stopnje I, II, II) za omejitev mase emisij NOx glede na izhodno energijo (g/kWh) za določeno število vrtljajev motorja n (kot je prikazano na vodoravni osi slike 3 spodaj). Sedanjo tristopenjsko uredbo o nadzoru NOx je leta 2008 predlagal in odobril Odbor MEPC, medtem ko so bili standardi stopnje I določeni že leta 1997.

Tabela 7 Mejne vrednosti emisij NOx na ravni I, II in III.

Stopnja Datum izdelave ladje na dan ali po njem

Mejna vrednost emisij, tehtana v celotnem ciklu (g/kWh) n = nazivna hitrost motorja (rpm)

n < 130 n = 130–1990 n ≥ 2000

I 1. januar 2000 17,0 45 ∙ 𝑛^(−0,2) 9,8

II 1. januar 2011 14,4 44 ∙ 𝑛^(−0.23) 7,7

III 1. januar 2016 3,4 9 ∙ 𝑛^(−0.2) 2,0

Vir: Okubo in Kuwahara, 2020

Različne stopnje, ki so bile uvedene v različnih letih, kažejo, kako so predpisi postajali vedno strožji. Najostrejše omejitve veljajo za stopnjo III, ki se uporablja za ladje na dizelski pogon, zgrajene 1. januarja 2021 ali pozneje, in za ladje, ki obratujejo na območjih nadzora nad emisijami (ECA), ne glede na datum njihove izdelave. Med evropskimi območji nadzora, za katera veljajo strožje omejitve emisij NOx, so od 1. januarja 2016 severnoameriške in karibske regije, od 1. januarja 2021 pa še baltske regije in regije Severnega morja. Spodnji slika prikazuje potrebna zmanjšanja med stopnji za ladje na dizelski pogon, ki obratujejo pri 900 vrtljajih na minuto. Zahtevano zmanjšanje emisij NOx za ladjo, zgrajeno pred letom 2016 (druga stopnja ali tier II), ki pluje skozi območje nadzora emisij, pomeni 75-odstotno

zmanjšanje emisij NOx.

Slika 3 Zahteve za zmanjšanje emisij NOx na ravneh I, II in III

Večina proizvajalcev dizelskih motorjev za plovila je leta 2011 uspešno izpolnila merila za emisije NOx, določena v stopnji II, večinoma s spremembami motorjev ali izboljšavami procesa zgorevanja. Najobetavnejši način za izpolnjevanje zahtevnega standarda stopnje III je tehnologija selektivne katalitične redukcije na osnovi sečnine (podrobneje obravnavana v naslednjem poglavju); vendar uporaba tega sistema na dizelskih ladjah zahteva velike rezervoarje raztopine sečnine (Okubo in Kuwahara, 2020). Drug pristop je uporaba drugih goriv, na primer utekočinjenega zemeljskega plina (LNG), ki proizvaja manj dušikovih oksidov, vendar več metana (toplogrednega plina).

Vir: Okubo in Kuwahara, 2020

3.3 Uredba o trdnih delcih (PM) in žveplovih oksidih (SO

) na podlagi Priloge VI

Pravilo 14, Priloge VI, MARPOL konvencije ureja emisije SOx in PM z ladij. Ureditev emisij SOx (tj. predvsem žveplovega dioksida) in PM se večinoma doseže posredno z uvedbo omejitve žvepla za vsa pogonska goriva. Zmanjšanje količine žvepla v gorivu pripomore k zmanjšanju vsebnosti sulfatov, ki nastanejo med zgorevanjem goriva, kar vodi k zmanjšanju skupnih emisij SOx in PM. Delež sulfata, ki vstopa v gorivo iz žvepla, je običajno med 5,0 in 13 % (Okubo in Kuwahara, 2020). Medtem ko eksperimentalni rezultati kažejo, da več kot 50 % mase trdnih delcev predstavlja sulfat, vezan na vodo (razmerje med vodo in sulfatom je običajno 1:1,3).

Poostritev mejnih vrednosti žvepla v gorivu (izraženih v % w/w, tj. po masi) je bila postopna in se je izvajala v vnaprej načrtovanih fazah, da se je industrija lahko ustrezno pripravila.

Podobno kot za že obravnavano ureditev NOx veljajo tudi za SOx strožja pravila v okviru ECA.

Obstoječa območja nadzora emisij vključujejo regije Baltskega in Severnega morja ter Severno Ameriko in Karibsko regijo. Zunaj ECA so se omejitve žvepla v obdobju nekaj več kot osmih let postopoma znižale s 4,50 % na sedanjih 0,50 %. Znotraj ECA so se omejitve vsebnosti žvepla zmanjšale z 1,50 % na sedanjih 0,10 %, kar je trajalo nekaj več kot pet let.

Slika 4 Vsebnost žvepla v gorivu, ki se uporablja v ladijskih dizelskih motorjih na območjih ECA in izven ECA

Ker ladje, ki mednarodno plujejo zunaj in znotraj teh območij, uporabljajo različne vrste goriva, obstajajo pisne zahteve, ki določajo pravilen postopek prehoda z ene vrste goriva na drugo glede na lokacijo ladje in načrt plovbe. V ladijski dnevnik (ali, če ladijskega dnevnika ni, v evidenčno knjigo o nafti – Oil Book) je treba redno vpisovati naslednje podatke: vsako

Vir: Okubo in Kuwahara, 2020

zamenjavo goriva, skupaj z datumom, uro in položajem ladje ter količino in vrsto goriva na ladji.

Tabela 8 Omejitve vsebnosti žvepla v dizelskem gorivu za ladje (% m/m) - datumi začetka veljavnosti

Izven okvira ECA, ki določa omejitve

emisij SOx in trdnih delcev Znotraj okvira ECA, ki določa omejitve emisij SOx in trdnih delcev

4,50 % m/m pred 1. januarjem 2012 1,50 % m/m pred 1. julijem 2010 3,50 % m/m od 1. januarja 2012 naprej 1,00 % m/m od 1. julija 2010 naprej 0,50 % m/m od 1. januarja 2020 naprej* 0,10 % m/m od 1. januarja 2015 naprej

Kot alternativa uporabi homologiranih goriv se lahko namesti in uporablja sistem za čiščenje izpušnih plinov (EGCS – Exhaust Gas Cleaning System), kot je na primer pralnik plinov SOx

(angl. SOx scrubber). Ta alternativna metoda se včasih imenuje "sekundarna", ker neposredno ne preprečuje nastajanja onesnaževal (kot to počnejo goriva s predpisano vsebnostjo žvepla).

Vendar se prisotnost onesnaževal v veliki meri odstrani, preden se izpušni plini izpustijo v atmosfero. V skladu s smernicami za sisteme EGCS, ki jih je leta 2009 izdal Odbor za varstvo morskega okolja (MEPC), morajo biti sistemi za odstranjevanje SOx certificirani in obvezno redno pregledovani. Sistemi EGCS so lahko opremljeni tudi s stalnim spremljanjem emisij. V tem primeru se zanesljivost sistema preverja s spremljanjem razmerja koncentracije SO2

(ppm)/CO2 (vol. %) v izpušnih plinih (Okubo in Kuwahara, 2020).

Tabela 9 Mejne vrednosti vsebnosti žvepla v gorivu, ki ustrezajo razmerju SO2 (ppm)/CO2 (prostorninski odstotek)

Mejne vrednosti vsebnosti žvepla v gorivu (% m/m )

Ustrezno razmerje SO2 (ppm)/CO2 (vol.

%)

4,5 195,0

3,5 151,7

1,5 65,0

1,0 43,3

0,5 21,7

0,1 4,3

V tabeli 9 so (na podlagi Pravila 14, Priloge VI, Konvencije MARPOL) v levem stolpcu prikazane vrednosti vsebnosti žvepla v gorivu za ladje, ki ustrezajo razmerju SO2 (ppm)/CO2

(volumski odstotek), namenjenemu stalnemu spremljanju učinkovitosti in zanesljivosti čistilnika. Z drugimi besedami, če ladja ne uporablja predpisanih goriv (tj. goriv z omejeno vsebnostjo žvepla), mora uporabljeni sistem za čiščenje izpušnih plinov izkazovati vrednosti, ki

Vir: IMO, 2020

Vir: IMO, 2020

so enakovredne mejnim vrednostim, določenim za goriva.

3.4 Uredba o ogljikovem dioksidu (CO

) na podlagi Priloge VI

Zaradi številnih ladij, ki danes izpuščajo velike količine ogljikovega dioksida in tako negativno vplivajo na okolje ter prispevajo h globalnemu segrevanju, je Mednarodna pomorska organizacija razvila indeks energetsko učinkovite zasnove (EEDI). Ta indeks, ki je prav tako del Priloge VI, Konvenciji MARPOL, je orodje za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov.

EEDI je ocena emisij CO2 ki nastanejo na enoto ladijskega prevoza v fazi načrtovanja ladje, in čim nižja je EEDI ladje, manjše so emisije CO2.

𝐸𝐸𝐷𝐼 = 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑖𝑗𝑒 𝐶𝑂₂

𝑃𝑟𝑒𝑣𝑜𝑧𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑜=𝑃 ∙ 𝑆𝐹𝑂𝐶 ∙ 𝐶_𝐹

𝐶 ∙ 𝑉 [𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑣 𝐶𝑂₂⁄𝑡𝑜𝑛𝑠𝑘𝑎 𝑚𝑖𝑙𝑗𝑎]

V zgornji formuli je moč izražena kot P [kW] (P vključuje pogonsko in pomožno moč), specifična poraba goriva kot SFOC [𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑣 𝑔𝑜𝑟𝑖𝑣𝑎

𝑘𝑖𝑙𝑜𝑣𝑎𝑡𝑛𝑎 𝑢𝑟𝑎 ], vsebnost ogljika v vrsti goriva kot CF

[ ^{𝑡𝑜𝑛𝑎 𝐶𝑂2}

𝑡𝑜𝑛𝑜 𝑔𝑜𝑟𝑖𝑣𝑎], kapaciteta ladje kot C [nosilnost v tonah ali bruto tonaža] in nazadnje hitrost plovila V [vozli] (Larsson in Raven, 2010). Zgornja enačba je splošne oblike; uradna enačba IMO (na sliki 5) vključuje podrobnejše sestavine z različnimi popravki.

Na količino emisij, ki jih proizvede ladja, vpliva ladijski pogonski sistem. Zato je ključnega pomena, da se ladijski motor in propeler ujemata (kombinacija manjše hitrosti in velikega premera propelerja). Poleg tega je mogoče za povečanje učinkovitosti in zmanjšanje emisij CO2 uporabiti zmanjšanje hitrosti (v angleščini znan tudi kot: slow steaming), optimizacijo trupa, izboljšanje SFOC z uporabo sistemov za rekuperacijo odpadne toplote v strojnici.

Mehanizmi za stroškovno učinkovite izboljšave energetske učinkovitosti ladij so podrobneje opisani v načrtu za upravljanje energetske učinkovitosti ladij (SEEMP). SEEMP zagotavlja različna orodja, na primer ladjarskim družbam omogoča stalno spremljanje "uspešnosti"

upravljanja učinkovitosti ladij in flote z uporabo operativnega kazalnika energetske učinkovitosti (EEOI) kot orodja za spremljanje (ki ga je razvila IMO).

Leta 2013 je začel veljati sistem faz (faze 0 do 3) načrtovanega zaostrovanja zahtev za

Slika 5 Enačba EEDI Mednarodne pomorske organizacije Vir: MAN Energy Solutions, 2020

Vir: Larsson in Raven, 2010

učinkovito načrtovanje ladij. Vsakih pet let se zahteve za novo zgrajene ladje v določenem časovnem obdobju povečajo in zaostrijo po odstotkih. Ta sistem se prav tako uvršča med posredne metode za zmanjšanje emisij CO2 z ladij.

Tabela 10 Faze postopnega zaostrovanja EEDI

Faze: Leto: Stopnja zmanjšanja EEDI [%]:

0 2013–14 0

1 2015–19 -10

0 2020–24 -20

3 2025– -30

Če imamo na primer novo zgrajeno ladjo, moramo ugotoviti, ali bo njen indeks energetske učinkovitosti ustrezal merilom Mednarodne pomorske organizacije. To se izvede tako, da se najprej izračuna vrednost "doseženega EEDI" z uporabo enačbe s slike 5. Nato moramo preveriti, ali "doseženi EEDI" za našo vrsto ladje izpolnjuje določene zahteve (Ren in Sui, 2019).

Zahtevana vrednost EEDI se priporoča na podlagi enačbe (spodaj), pri čemer je za povečanje zahtev sčasoma predpisan faktor zmanjšanja X. EEDI ladje mora izpolnjevati te zahteve.

𝐷𝑜𝑠𝑒ž𝑒𝑛𝑖𝐸𝐸𝐷𝐼 ≤ 𝑃𝑜𝑡𝑟𝑒𝑏𝑛𝑖𝐸𝐸𝐷𝐼 = (1 − 𝑋

100) ∙ 𝑣𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛č𝑛𝑒𝑣𝑟𝑠𝑡𝑖𝑐𝑒 Obstajajo različne faze; trenutno smo v fazi 2, ki traja od 1. januarja 2020 do 31. decembra 2024. Raven se postopoma zaostruje vsakih pet let. Faktor zmanjšanja X trenutno znaša od 0 do 20, odvisno od vrste ladje in njene DWT. Koeficienti faktorja X so prikazani v tabeli 13.

Vrednost izhodiščne vrednosti je določena na naslednji način (Ren in Sui, 2019).

𝑉𝑟𝑒𝑑𝑛𝑜𝑠𝑡𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛č𝑛𝑒𝑣𝑟𝑠𝑡𝑖𝑐𝑒 = 𝑎 ∙ 𝑏^𝑐

Za določitev referenčnih vrednosti za različne vrste ladij se lahko uporabijo koeficienti v spodnjih tabelah.

Tabela 11 Parametri za določitev referenčne vrednosti EEDI*

Vir: Ren in Sui, 2019

Vir: Ren in Sui, 2019

Tabela 12 Faktorji zmanjšanja X (1.del)

Tabela 13 Faktorji zmanjšanja X (2. del)²

Vsako izhodišče EEDI je bilo pripravljeno z zbiranjem različnih virov podatkov za različne kategorije ladij. Za vsako vrsto ladje in za vse faze (od 0 do 3) obstajajo referenčne črte

"zahtevanega EEDI". Referenčna črta je v bistvu krivulja, ki izraža povprečno vrednost indeksa, povezano z nizom posameznih vrednosti indeksa za določeno skupino ladij. Vsi ti

postopki so opisani v ustreznih smernicah IMO (MEPC.231 in MEPC.233).

Doseganje nižje vrednosti EEDI z manjšo inštalirano močjo je znana metoda, ki pa je skrb vzbujajoča, saj bi lahko privedla do poslabšanja manevrskih sposobnosti v slabem vremenu.

Zato IMO določa metodo ocenjevanja za določitev najmanjše pogonske moči, ki je potrebna za

2 Vrednosti, navedene v tabelah 12 in 13, niso absolutni seznam, temveč so navedene le za ponazoritev.

Slika 6 Referenčne črte EEDI za izbrane vrste ladij Vir: Ren in Sui, 2019

Vir: Ren in Sui, 2019

Vir: MAN, 2020

ohranjanje varnega manevriranja v težkih vremenskih razmerah.

3.5 Institucionalni okvir za evropsko celinsko plovbo v okviru okoljskih vprašanj

Ureditev emisij iz prometa po celinskih plovnih poteh ne sega tako daleč nazaj kot prvi okoljski predpisi za pomorski promet, ki jih je na svetovni ravni uvedla IMO. In to kljub dejstvu, da je bila organizacija, ki je prva uredila plovbo po Renu, drugi najdaljši reki v Srednji in Zahodni Evropi, ustanovljena že leta 1815 na dunajskem kongresu (UNECE, 2020). Sčasoma se je Centralna komisija za plovbo po Renu (CCNR) razvila v sedanjo obliko, katere glavni cilj je spodbujati razvoj plovbe po Renu in drugih rekah ter zagotavljati visoko raven varnosti plovbe in njenega okolja. CCNR ima sedež v Strasbourgu (Francija), njene odločitve pa so pravno zavezujoče za pet držav članic. Danes je CCNR poleg EU eden najpomembnejših upravnih organov za celinsko plovbo v Evropi. Institucionalni okvir za celinsko plovbo v Evropi pa sestavlja več drugih mednarodnih organov z različnim geografskim obsegom, zakonodajnimi pooblastili in vsebinsko pokritostjo (UNECE, 2020).

Glavne evropske mednarodne reke upravljajo posebej ustanovljene komisije za plovbo, ki so odgovorne za določanje tehničnih in pravnih standardov za plovbo v svojih porečjih. Poleg CCNR so v regiji srednje in vzhodne Evrope trenutno še tri komisije za rečno plovbo:

Moselle (MC), Danube (DC), Mednarodna komisija za Savski bazen (Sava Commission – SC).

Tabela 14 Države članice evropskih organizacij za prevoz po celinskih plovnih poteh

UNECE EU CCNR DC SC MC

Avstrija X X X

Belorusija X

Belgija X X X

Bosna in Hercegovina X X

Bolgarija X X

Hrvaška X X X

Češka republika X X

Finska X X

Francija X X X

Nemčija X X X X X

Madžarska X X X

Irska X X

Italija X X

Litva X X

Luksemburg X X

Republika Moldavija X X X

Nizozemska X X X

Poljska X X

Romunija X X X

Ruska federacija X X

Srbija X X

Slovaška X X X

Slovenija X X X

Švica X X

Ukrajina X X

Združeno kraljestvo X X

Med omenjenimi institucijami ne smemo izpustiti Gospodarske komisije Združenih narodov za Evropo (UNECE), ki je ena od petih regionalnih komisij Združenih narodov, ustanovljenih leta 1947 za pomoč pri obnovi povojne Evrope. UNECE prek svojega Odbora za celinski promet (ITC) obravnava vseevropska vprašanja celinske plovbe na tehnični in politični ravni. Glavni cilj UNECE je med drugim zmanjšati škodljive vplive prometnih dejavnosti na okolje. Eden od veljavnih instrumentov odbora ITC je Resolucija o preprečevanju onesnaževanja vodnih poti s plovili iz leta 2020 (navedena v nadaljevanju).

Iz literature je razvidno, da je kljub raznolikosti evropskega sektorja celinske plovbe in številnim institucijam večina reguliranih področij precej usklajena, zlasti na področju varnosti, tehničnih zahtev za projektiranje in cestnoprometnih predpisov itd (UNECE, 2020). Opozoriti je treba, da celinsko plovbo, vključno z ureditvijo onesnaževal zraka, centralno ureja zakonodaja EU.

3.6 Uredba o emisijah v zrak z ladij v evropskem prometu po celinskih plovnih poteh

Predpisi o emisijah za celinske plovne poti v Evropi so bili razviti v več fazah. Prve omejitve so bile uvedene leta 2002 v državah, ki mejijo na Ren, s tako imenovano uredbo CCNR stopnja I (angl. stage I), ki je bila usmerjena na glavne emisije ogljikovega monoksida (CO), ogljikovodikov (HC), dušikovih oksidov (NOx) in trdnih delcev z aerodinamičnim premerom 10 μm (PM10). Ti predpisi niso veljali za nobeno drugo reko razen Rena (Pillot, 2016).

Omejitve za NOx na prvi stopnji CCNR so bile oblikovane na podlagi prve stopnje I konvencije MARPOL. Leta 2007 je bila uvedena nekoliko strožja druga stopnja CCNR, osredotočena predvsem na PM10, ki so se zmanjšali za več kot 50 %; znatno so se zmanjšale tudi škodljive emisije NOx in CO. Istega leta (2007) so začeli veljati emisijski standardi EU, s

Vir: UNECE, 2020

čimer je promet po celinskih plovnih poteh postal predmet veljavnega evropskega nadzora emisij, ki ga ureja uredba o necestnih premičnih strojih (NRMM Uredba).

Evropski emisijski standardi za necestna vozila so bili strukturirani (tudi z direktivami o spremembah) v postopno strožje stopnje, imenovane stopnje od I do V. Sedanja stopnja V, ki določa raven dovoljenih emisij iz različnih kategorij necestnih mobilnih motorjev na kompresijski in iskrini vžig, je urejena ločeno z Uredbo (EU) 2016/1628.

Opozoriti je treba, da se za celinsko plovbo ne uporabljajo vse stopnje, temveč le stopnja III A (njeni deli so začeli veljati leta 2007 in 2009) in sedanja stopnja V (njeni deli so začeli veljati leta 2019 in 2020). Stopnji III A in V sledita doslednemu trendu zaostrovanja mejnih vrednosti emisij, predlaganih v prvih dveh stopnjah uredbe CCNR. Dva prejšnja predpisa CCNR (I, II) sta določala različne največje dovoljene emisijske standarde glede na obseg neto moči motorja (kW); vendar so standardi stopnje III A uvedli kategorije motorjev, ki ne temeljijo le na obsegu neto moči motorja, temveč tudi na delovni prostornini (gibni prostornini) na valj (DieselNet, 2021).

Stopnja V prvič razlikuje med mejnimi vrednostmi onesnaževal, ki veljajo za pogonske (IWP) in pomožne (IWA) motorje; stopnja V se vrača h kategorizaciji motorjev izključno na podlagi obsega neto moči motorja (kW).

Tabela 15 Emisijski standardi stopnje V za motorje plovil za plovbo po celinskih plovnih poteh (IWP in IWA)

Kategorija Neto moč

Datum CO HC NOx PM PN

kW g/kWh 1/kWh

IWP/IWA-v/c-1 19 ≤ P < 75 2019 5 4,7 0,3 -

IWP/IWA-v/c-2 75 ≤ P < 130 2019 5 5,4 0,14 -

IWP/IWA-v/c-3 130 ≤ P < 300 2019 3,5 1 2,1 0,1 - IWP/IWA-v/c-4 P ≥ 300 2020 3,5 0,19 1,8 0,015 1×10¹²

Druga novost uredbe o fazi V je nova mejna vrednost za trdne delce za velike motorje (> 300 kw), ki že velja za cestna vozila v Evropi. Naj spomnimo, da zelo drobni delci pogosto prispevajo le nekaj odstotkov celotne mase, čeprav so najštevilčnejši in predstavljajo več kot 90 % vseh delcev. Nadzor PM v tabeli je za razliko od PN namenjen zmanjšanju mase (gram) na 1 kWH. Za doseganje izjemno nizkih masnih in številčnih emisij trdnih delcev (zlasti pri velikih motorjih) je filter trdnih delcev bistvenega pomena. Podobno brez zajemanja NOx ali enot za selektivno katalitično redukcijo (SCR) ni mogoče doseči predlaganih nizkih ravni NOx. V primerjavi s prejšnjimi predpisi so sedanje stroge mejne vrednosti ob predlogu standardov naletele na odpor ladjarske industrije, ki je zahtevala sprejetje manj strogih mejnih

vrednosti emisij v skladu s tistimi v ZDA.

Vir: DieselNet, 2021