Исследования процессов повышения эффективности судовых морских грузоперевозок

В последнее время на мировом рынке создался дефицит углеводородных энергоресурсов невозобновимого характера, что привело к резкому увеличению стоимости углеводородного сырья и, как следствие, по цепочке к удорожанию стоимости жизненноважных продуктов и услуг для населения развитых стран, а в развивающихся странах эксперты предсказывают голод и миграцию населения в развитые страны.

Попробуем проанализировать основные причины сложившегося дефицита и высокой стоимости энергоносителей на мировом рынке.

Первая причина. США, Европейский Союз провозгласили «Зеленую» энергетику, основанную на использовании вечной энергии первого и второго рода, главным движителем экономики. «Зеленая» энергетика предусматривает замену углеводородных энергоресурсов – уголь, нефть, природный газ, залежи сланца – и атомной энергии на энергию ветра, солнца, морских приливов-отливов.

Следует сравнить основные показатели традиционных углеводородных энергоносителей невозобновимого характера с энергией ветра и солнца.

Углеводородные ресурсы представляют собой высококонцентрированную энергию исходного энергоносителя, накапливавшуюся в недрах Земли в течение миллиардов лет, характеризующуюся его высокой теплотворной способностью. Энергии ветра и солнца характеризуются низкоконцентрированной, рассеянной, распыленной энергией, что требует больших природных земельных и морских, шельфовых площадей для размещения солнечных батарей и ветросиловых установок и, соответственно, значительных финансовых затрат на их содержание в рабочем состоянии, эксплуатацию, ремонт и профилактику.

Решение Евросоюза в части отказа от каменного угля и атомной энергии в пользу «Зеленой» энергетики – экологически чистых энергии ветра и солнца – в совокупности с политическим решением о блокировке пуска и эксплуатации магистральных морских газопроводов Северный поток – 2, Южный поток не оправдало себя, что еще в большей степени привело к дефициту природного газа, нефти на Европейском рынке и резкому росту их стоимости. Выделенные финансовые средства на «Зеленую» энергетику не оправдали себя и не окупились по причине низкой их эффективности и продуктивности установок по выработке «Зеленой» энергии, а также «капризов» природных явлений – извержения вулканов, что снижает эффективность солнечной радиации от дыма и витающего пепла и, соответственно, приводит к снижению эффективности генерации солнечной энергии, географическое изменение направлений ветросиловых воздействий.

Отказ от традиционных углеводородных энергоносителей и невосполнимость мощности устраненных энергоносителей за счет покрытия мощности техногенных систем планируемой «Зеленой» энергетикой привели к дефициту энергоносителей, резкому росту их стоимости, и как следствие, к неконкурентоспособности производимых на их основе товаров и услуг.

Вторая причина. Запасы углеводородного сырья невозобновимого характера иссякают. Для восполнения требуемых запасов энергоносителей приходится искать новые месторождения углеводородного сырья, как правило, располагаемых в труднодоступных геологических условиях таких, как вечная мерзлота, морские шельфы, морские глубоководные рельефные складки, глубоководная морская добыча углеводородов в экстремальных климатических условиях Арктики, Крайнего Севера. Описанные выше условия использования потенциальных углеводородных энергоносителей требуют значительных финансовых затрат на геологическую разведку месторождений, геофизические исследовательские работы, анализ разведанных и потенциальных запасов углеводородного сырья, разработку технико-экономического обоснования эксплуатации разведанных месторождений с позиции экономики и оценки воздействия функционирования объекта будущей хозяйственной деятельности на окружающую среду, разработку предпроектных решений, рабочего проектирования новых промышленных предприятий, разработку технологического, компрессорного оборудования, трубных сборок для избранных экстремальных климатических условий, строительно-монтажные работы производственных и бытовых корпусов.

Как следует из вышеперечисленного, потребуются значительные финансовые вложения и время. А в конечном счете себестоимость добычи углеводородных энергоносителей по сравнению с себестоимостью ныне добываемых углеводородных энергоносителей повысится, а это отразится на повышении мировых цен на углеводородные энергоносители, соответственно, повысится себестоимость продуктов, товаров и услуг, что значительно снизит конкурентоспособность выпускаемой продукции и услуг.

Таким образом, ждать снижения цен на углеводородные энергоносители в ближайшем будущем не приходится, ожидается только рост цен на углеводородные энергоносители невозобновимого характера. И это объективно.

Третья причина. Политическое давление на экономику в виде санкций, эмбарго нарушает отработанные производственные цепочки, логистические связи и требует поиска новых эффективных, экономически обоснованных способов кооперации. Здесь весьма уместно указать на разработку новых логистических предложений, направлений таких, как «Шелковый» путь, торговый (транспортный) коридор «Север-Юг», освоение Северного морского пути. Реализация этих и других новых логистических направлений в сравнении с ныне действующими морскими переходами через Суэцкий канал, Тихий и Атлантический океаны, вокруг Африки позволит резко сократить пройденный путь и время доставки груза, что в свою очередь приведет к снижению расхода судового дизельного топлива, эксплуатационных затрат на морской переход и, соответственно, позволит снизить себестоимость доставки морских грузов (фрахтовая стоимость), уменьшит величину абсолютного ущерба морской, окружающей среде. Необходимо заметить, что для каждого конкретного случая требуется разработка технико-экономического обоснования морского перехода с учетом типа судна, его дедвейта, характеристики перевозимого груза, районов морских перевозок, Плана управления энергоэффективностью судна, гидрометеорологических условий и других факторов морского перехода.

Четвертая причина. В настоящее время альтернативой дешевого снабжения природного газа по магистральным трубопроводам высокого давления (Северный поток 1,2, Южный поток, Турецкий поток, Сила Сибири) является доставка потребителю сжиженного природного газа (СПГ) химогазовозами, метановозами, танкерами морскими логистическими грузоперевозками. Мировыми лидерами по производству и перевозкам сжиженного природного газа являются Катар, Австралия, США.

Проведем краткий анализ стадий и обобщение технико-экономических и экологических показателей производства СПГ по этим стадиям, транспортировки, выгрузки и хранения сжиженного природного газа:

1) для сжижения природного газа требуются создание специальных систем – терминалов, низкие температуры в пределах минус 190-200 °С, высокое давление 2,5-3,0 МПа, глубокая криогенная технология, а это приводит к значительным материальным и энергетическим издержкам и, как, следствие, к дополнительному повышению себестоимости природного газа, что приводит к увеличению базовой себестоимости природного газа (Сбаз. ПГ). В итоге финансовые затраты по первой стадии (цена природного газа Ц1-ая стадия ) будут определяться по формуле:

(1)

где: Сбаз. ПГ – себестоимость добытого природного газа, руб/1000 м3;

 Ссж.ПГ – себестоимость сжижения природного газа, руб/1000 м3;

2) морской транспорт СПГ характеризуется достаточно высокими эксплуатационными затратами, к которым следует отнести расход дорогостоящего низкосернистого судового топлива, смазочных масел, затраты на питьевую воду, продукты питания, зарплату экипажу, страховые обязательства, безопасность жизнедеятельности экипажа, что приводит к дополнительным эксплуатационным затратам.

В итоге после реализации второй стадии цена сжиженного природного газа (Ц2-ая стадия) составит:

(2)

где: Стр-ки СПГ – себестоимость транспортировки сжиженного природного газа, руб/1000 м3;

 3) в процессе транспортировки сжиженного природного газа безвозвратные потери метана-основного вещества сжиженного природного газа- составляют 15%. При этом с одной стороны потери сжиженного природного газа при транспортировке приводят к прямым экономическим издержкам, затратам, а с другой – к экологическому ущербу воздушному бассейну, окружающей среде, биосфере, человеку, поскольку метан является одним из основных компонентов «парниковых» газов, способствующих развитию «климатического» кризиса на Планете

В конечном итоге цена сжиженного природного газа Ц3-я стадия еще более увеличивается, что описывается нижеследующим уравнением:

(3)

где: Спотери СПГ – естественные экономические потери сжиженного природного газа, руб/1000 м3;

Сущерб ОС – абсолютный экологический ущерб окружающей среде, в частности, интенсификация «парникового» эффекта от углеводородов (в основном, метан – СН4), выделяющихся в атмосферный бассейн за счет испарения, потерь сжиженного природного газа, руб/1000 м3;

4) в портах назначения для выгрузки сжиженного природного газа должны быть обустроены специальные терминалы, создание и эксплуатация которых требует значительных финансовых, кадровых, материальных и энергетических затрат, в частности на создание терминала для приема сжиженного природного газа в ФРГ было затрачено более 15 млрд. евро, окупаемость которого является неопределенной (?) даже в далекой перспективе, что обусловлено дороговизной СПГ, нестабильными, неритмичными поставками сжиженного природного газа из США, приведенные затраты на создание и эксплуатацию терминалов определяются по уравнению:

(4)

В конечном итоге цена сжиженного природного газа Ц4-ая стадия еще более увеличивается, что описывается нижеследующим уравнением:

(5)

где: Стерминал – эксплуатационные затраты на стадии приема сжиженного природного газа в терминал, руб/1000 м3 ;

Е – нормативный коэффициент окупаемости терминала;

Ктерминал – удельные капиталовложения на создание терминала, руб/1000 м3*год;

5) после приема в терминал сжиженного природного газа требуется произвести его регазификацию с последующей закачкой в газообразном состоянии при повышенном давлении в магистральные газопроводы и далее передача заказчикам. Регазификацию сжиженного природного газа можно произвести путем подвода избыточного тепла (Qрегазификация), либо снижения давления СПГ, при этом следует учитывать, что при снижении давления СПГ резко снижается температура газообразного природного газа за счет эффекта Джоуля-Томпсона, что потребует дополнительных затрат теплоты, энергии (QДжоуль-Томпсон).

В конечном итоге цена сжиженного природного газа С5-ая стадия еще более увеличивается, что описывается нижеследующим уравнением:

(6)

где: Qрегазификация – затраты энергии на регазификацию сжиженного природного газа, руб/1000 м3;

QДжоуль-Томпсон – затраты энергии на компенсацию эффекта Джоуля-Томпсона при дросселировании сжиженного природного газа, руб/1000 м3.

В результате проведенного анализа и расчетов по вышеприведенным уравнениям (1-6) было определено, что стоимость сжиженного природного газа выше стоимости трубопроводного природного газа при равных внешних условиях в 2,5 – 3,0 раза. Возникает резонный вопрос, зачем покупать такой дорогой сжиженный природный газ взамен дешевого трубопроводного природного газа? Возможны следующие варианты ответов:

1) нет другой альтернативы доставки природного газа;

2) «жесткое» военно-политическое и экономическое давление сверхдержав, Объединений, Союзов.

Пятая причина – сланцевый газ. Впервые научно-исследовательские работы по извлечению природного газа из сланца были проведены в Советском Союзе. Получены положительные результаты, процесс основан на разрыве сланцевого пласта специальными химическими вредными веществами под высоким давлением с одновременным выделением из сланцевого пласта углеводородного газа. К сожалению научно-исследовательские работы по получению сланцевого газа в Советском Союзе пришлось прекратить по ряду причин, главная из которых состояла в том, что Советский Союз располагал крупными разведанными запасами природного газа и по мнению влиятельных экспертов не было необходимости в развитии научно-исследовательских работ по получению сланцевого газа. Освободившаяся научная ниша была занята американскими специалистами, которые подготовили научную базу по разработке сланцевых месторождений США, на основании которой была разработана технология производства углеводородных газов из сланцевых пластов.

Можно сгруппировать основные недостатки при получении сланцевого газа:

1) ядовитые, агрессивные вещества и соединения при повышенном давлении 5-10 МПа в жидком состоянии направляются на глубину залегания сланцевых пластов (150-450 м) непосредственно в толщу пласта, что приводит к разрыву сланцевого пласта, сопровождающееся взрывом, обусловленного высвобождением огромного количества энергии из пласта углеводородов, в основном, метана, находившегося в адсорбированном, хемосорбированном состоянии на поверхности сланцевого пласта;

2) вредные, ядовитые вещества, находящиеся в специальном растворе, наносят ущерб почве, водным горизонтам природной пресной воды, отравляют их и по пищевой «цепочке» попадают в организм человека, что наносит непоправимый вред здоровью человека, биоте, биосфере, окружающей среде.

Технико-экономический недостаток – произведенный сланцевый газ для транспортировки и продажи требуется перевести в жидкое состояние, основные недостатки этой процедуры приведены выше (см. «Четвертая причина»).

В результате общая цена сланцевого газа при транспортировке его из США в Европу превысит цену трубопроводного природного газа значительно больше, чем в 2,5-3,0 раза.

Основные направления решения энергетического кризиса могут быть сгруппированы следующим образом:

1. Разработка и реализация малоотходных, ресурсосберегающих, безотходных технологических процессов техногенных систем, направленных на снижение расхода углеводородного сырья невозобновимого характера и одновременное снижение выбросов газообразных компонентов «парниковых» газов, способствующих необратимому, интенсивному развитию «климатического кризиса», с одной стороны, и полному исчерпыванию природных энергетических ресурсов невозобновимого характера, с другой стороны.

2. Поиск, разведка и освоение новых нетрадиционных сырьевых источников для получения материальных и энергетических ресурсов с большой кратностью запасов:

2.1. Добыча и переработка глубоководного морского растворенного сероводорода в нефтехимическую продукцию и экологически чистое топливо (на примере Черного моря);

2.2. Добыча и переработка глубоководных морских кристаллогидратов в нефтехимическую продукцию и экологически чистое топливо;

2.3. Инновационная комбинированная переработка диоксида углерода, извлеченного из газообразных выбросов техногенных систем, атмосферного воздуха, морской среды, горных твердых пород, для получения кислорода (100% объемн.) и углерод–содержащего топлива;

2.4. Инновационная комбинированная переработка воды для получения кислорода (100% объемн.) и экологически чистого топлива – водород;

2.5. Комплексная переработка газообразных, жидких, твердых материальных и энергетических отходов в нефтехимическую продукцию и экологически чистое топливо.

Указанные выше направления решения энергетических проблем на современном этапе подробно и систематически изложены в монографии

Проблема снижения затрат на судовое моторное топливо весьма актуальна, поскольку 75-80% затрат на судовые морские грузоперевозки приходится на материальную составляющую – финансовые затраты на судовое моторное топливо.

Рассмотрим пути решения этой проблемы.

В научных публикациях

Ниже приведен краткий анализ этих работ с акцентом на решение проблемы снижения расхода судового дизельного топлива.

1. Исследования по очистке отработанных газов судовых энергетических установок (ОГ СЭУ) от сернистых соединений

Международная Морская Организация (ММО) с целью защиты воздушного бассейна от сернистых соединений своими резолюциями обязала весь мировой морской транспорт перейти на низкосернистое судовое топливо (не более 0,1% масс., с 01.01.2020 года не более 0,5% масс.). Низкосернистое судовое топливо является дорогостоящим, что приводит к ухудшению экономических показателей морских грузоперевозок.

В наших работах

Основные преимущества предложенной нами технологии – низкая стоимость судового высокосернистого дизельного топлива и существенная величина предотвращенного ущерба воздушному бассейну, достигаемая за счет более высокой глубины очистки ОГ СЭУ от токсических веществ и соединений на уровне 99,99%. Предложенная нами технология обладает патентной чистотой и значительно превосходит лучшие зарубежные аналоги

2. Исследования по нормированию концентрации сернистых соединений в судовом моторном топливе с целью снижения финансовых затрат на судовое топливо

Необходимо отметить, что с увеличением концентрации сернистых соединений в судовом моторном топливе стоимость судового топлива снижается. Выше было указано, что с 01.01.2020 г. согласно решению ММО весь мировой морской транспорт переведен на низкосернистое судовое топливо, в котором содержание сернистых соединений не должно превышать 0,5% масс. Возникает вопрос, почему предельная концентрация сернистых соединений в судовом топливе не должна быть более 0,5% масс.? Где здесь логика, доказательства экономической целесообразности?

Однако приказы, резолюции «начальства» не обсуждаются, а просто должны быть выполнены любой ценой. В научных исследованиях этот догматический подход может быть нарушен, что и послужило нам стимулом для проведения исследований в этом направлении в проблемной лаборатории «Экология моря при эксплуатации судов» Херсонской государственной морской академии. В результате проведенных исследований

3. Исследования по комплексному процессу утилизации теплоты и очистки отработанных газов СЭУ с целью снижения финансовых затрат на судовое топливо

Предложен комплексный процесс, включающий в себя санитарную очистку ОГ СЭУ от токсических веществ и соединений и утилизацию избыточной теплоты ОГ СЭУ, процесс защищен патентом Украины

Процесс утилизации теплоты ОГ СЭУ включает в себя два контура, позволяющих получить пар для энергетических целей и горячую воду для хозяйственно-бытовых и отопительных целей.

В результате комплексной утилизации теплоты ОГ СЭУ расход судового дизельного топлива снизится на 25% на морской переход

4. Исследования по минимизации расхода судового топлива в условиях реальных морских переходов на различных типах судов

С целью экономии судового дизельного топлива в процессе морских переходов ММО своими резолюциями в 2019 году ввела в морскую практику обязательную отчетность по двум параметрам – конструктивный коэффициент энергетической эффективности судна и реальный коэффициент энергетической эффективности судна. На основании научно-исследовательских работ и анализа реальных морских переходов

5. Исследования логистических схем морских грузоперевозок, позволяющих осуществлять безбалластные морские переходы

Как следует из опубликованных нами работ

В работе

6. Исследования по замене воздуха на кислород, используемый на борту судна в качестве окислителя судового моторного топлива

Во всех промышленных процессах и в быту для окисления и сжигания углеводородного топлива применяют атмосферный воздух. Это обусловлено простотой его использования. Однако под кажущейся простотой скрыты существенные недостатки. В атмосферном воздухе содержание окислителя кислорода ориентировочно составляет 21% объемн., а инертного газа азота 79% объемн., т.е., объем инертного газа более, чем в 3,5 раза превышает объем окислителя. Это и приводит к экономическим издержкам, обусловленных затратами энергии на нагрев, охлаждение, компримирование, дросселирование огромных объемов инертного, балластного азота, а окисление азота кислородом в цилиндре двигателя СЭУ приводит к образованию высокотоксичных оксидов азота, выбрасываемых с ОГ СЭУ в атмосферный бассейн. Необходимо отметить, что вышеприведенные дополнительные эксплуатационные затраты приводят к повышенным капиталовложениям. В работе

1) снизить расход судового топлива;

2) исключить эмиссию высокотоксичных оксидов азота в атмосферу;

3) снизить капиталовложения на создание СЭУ.

7. Исследования по ингибированию биообрастаний металлических корпусов судов с целью снижения расхода судового топлива

Таким образом, внедряя на практике рекомендации, разработанные в представленных выше исследованиях, можно повысить эффективность морских грузоперевозок, что обеспечивается следующими характеристиками:

1. Снижение стоимости судового топлива (руб/т) на 40-60%.

2. Снижение расхода судового топлива на морской переход в 1,8-2,0 раза.

3. Снижение абсолютного ущерба воздушному бассейну от отработанных газов СЭУ на 500 млрд. долл. США в год.

4. Снижение эмиссии компонентов «парниковых» газов в 1,8-2,0 раза.

5. Повышение экономических показателей морских грузоперевозок.