Χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ναυτιλία με σκοπό τη Συμμώρφοση με τους Διεθνείς Κανονισμούς Ρύπων

Ραπτοτάσιος, Σπυρίδων; Raptotasios, Spiridon

dc.contributor.author	Ραπτοτάσιος, Σπυρίδων	el
dc.contributor.author	Raptotasios, Spiridon	en
dc.date.accessioned	2018-10-09T09:53:30Z
dc.date.available	2018-10-09T09:53:30Z
dc.date.issued	2018-10-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47757
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8717
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείρηση Ενέργειας”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Ναυτιλία	el
dc.subject	Εκπομπές	el
dc.subject	Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας	el
dc.subject	Βιοκαύσιμα	el
dc.subject	Τεχνικές μείωσης εκπομπών	el
dc.subject	Maritime	en
dc.subject	Emissions	el
dc.subject	Reduction techniques	el
dc.subject	Biofuels	el
dc.subject	Renewables	el
dc.title	Χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στην Ναυτιλία με σκοπό τη Συμμώρφοση με τους Διεθνείς Κανονισμούς Ρύπων	el
dc.title	Use of Renewable Energy Sources in Shipping to Comply with the International Pollutant Regulations	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΝΑΥΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/3d257f31491bff09371cddeac5c6626dc154db39
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-09-28
heal.abstract	Πριν από περίπου 150 χρόνια, οι τεχνολογίες πρόωσης στη ναυτιλία υπέστησαν ριζικές αλλαγές με την αντικατάσταση των ιστίων απο συστήματα που κάνουν χρήση των ορυκτών καυσίμων. Η στροφή αυτή προς τα ορυκτά καύσιμα οδήγησε στην κατακόρυφη βελτίωση της απόδοσης των πλοίων, συνέβαλε όμως και στην αύξηση των εκπομπών ρύπων παγκοσμίως. Συγκεκριμένα υπολογίζεται πως η διεθνής ναυτιλία ευθύνεται για 4-9%, 14-31% και 3-6% των παγκόσμιων εκπομπών οξειδίων του θείου (SOx) οξειδίων του αζώτου (NOx) και διοξειδίου του θείου (CO2) αντίστοιχα. Το γεγονός αυτό οδήγησε τους διεθνείς, καρτικούς και τοπικούς οργανισμούς στην επιβολή μέτρων για την μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων απο την πλευρά της ναυτιλίας. Πιο συγκεκριμένα ο Διεθνής Οργανισμός Ναυτιλίας (International Maritime Organisation-IMO), μέσω του αναθεωρημένου παραρτήματος VI της MARPOL, καθορίζει τα επιτρεπόμενα όρια εκπομπών ρύπων. Το ρυθμιστικό αυτό πλαίσιο προδιαγράφει γιατ τις εκπομπές NOx βάση της χρονολογίας κατασκευής της μηχανής με πιο πρόσφατο το επίπεδο Tier III, για μηχανές κατασκευασμένες απο 01/01/2016, το οποίο απαιτεί μείωση 80% σε σχέση με το επίπεδο Tier I. Επίσης σχετικά με τις εκπομπές SOx, οι απαιτησεις των κανονισμών είναι η χρήση καυσίμων με περιεκτικότητα σε θείο 0.1% κ.β. σε ειδικές νομοθετημένες περιοχές ελέγχου εκοπμπών (τις λεγόμενες ECAs) από 01/01/2015 και με περιεκτικότητα σε θείο 0.5% κ.β. παγκοσμίως απο 01/01/2020. Σε κάθε περίπτωση δίνεται η δυνατότητα στις πλοιοκτήτριες εταιρείες να συνεχίσουν να χρησιμοποιούν HFO (Heavy Fuel Oil) υψηλής περιεκτικότητας σε θείο υπό την προυπόθεση χρήσης ενός συστήματος καθαρισμού καυσαερίων (EGCS-Exhaust Gas Cleaning Scrubber) το οποίο θα μπορεί να μειώσει τις εκπομπές SOx σε επίπεδα ίδια με αυτά των εκπομπών απο καύσιμα με 0.5% και 0.1% κ.β. αντίστοιχα. Όσον αφορά στα αέρια του θερμοκηπίου, ο IMO έχει θεσπίσει το Δεικτή Σχεδίασης Ενεργειακής Απόδοσης (Energy Efficiency Design Index (EEDI) το Σχέδιο Διαχείρισης Ενεργειακής Αποδοτικότητας Πλοίου SEEMP (Ship Energy Efficiency Management Plan) το οποίο και αναθεωρήθηκε πρόσφατα με σκοπό να απαιτεί την πλήρη παρακολούθηση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου καθως και τον δείκτη EEOI, όλα ως μέτρα ελέγχου των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου απο την ναυτιλία με απώτερο σκοπό ενδεχομένως την λήψη μέτρων στο μέλλον για την μείωση των εκπομπών. Αντίστοιχο μηχανισμό μέτρησης έχει θεσπίσει και η Ευρωπαική Ένωση (MRV-Monitoring Reporting and Verification), ο οποίος μπήκε σε ισχύ από 01/01/2018. Όλοι οι προαναφερθέντες κανονισμοί σε συνδυασμό με την αύξηση των τιμών των καυσίμων, οδήγησε τις πλοιοκτήτριες εταιρείες στην διερεύνηση εξεύρεσης λύσεων για τον περιορισμό των NOx και SOx και της κατανάλωσης καυσίμου που συνεπάγεται και μείωση εκπομπών CO2. Διάφορες τεχνικές έχουν αναπτυχθεί για την μείωση των NOx, δεν επιτυγχάνουν όμως όλες τα επίπεδα μείωσης του 80% που απαιτούνται απο τον κανονισμό. Οι μοναδικές τεχνικές που μπορούν να το επιτύχουν είναι η ανακυκλοφορία καυσαερίων (EGR-Exhaust Gas Recirculation) και η επιλεκτική καταλυτική αναγωγή (SCR-Selective Catalytic Reduction), οι οποίες όμως απαιτούν μεγάλο κόστος επένδυσης και λειτουργικό κόστος. Για την μείωση των SOx, μοναδικές λύσεις αποτελούν η μετάβαση σε καύσιμα χαμηλής περιεκτικότητας σε θείο ή η χρήση πλυντηρίδων για έκπλυση των καυσαερίων με ποσοστό μείωσης ~99% οι οποίες μπορούν επίσης να μειώσουν τα ποσοστά αιθάλης και καπνού εώς 80%. Ένα εναλλακτικό καύσιμο που μπορεί να επιτύχει μείωση και των τριών ρυθμιζόμενων ρύπων είναι το φυσικό αέριο, το οποίο όμως απαιτεί μεγάλες αλλαγές στο σύστημα προσαγωγής του καυσίμου καθώς και την χρήση κινητήρων διπλύ καυσίμου. Επίσης ακόμα δεν έχει αναπτυχθεί ένα ευρείο σύστημα διάνομής του καυσίμου στα πλοία. Άλλες εναλλακτικές με μικρή εώς τώρα εφαρμογή αποτελούν οι κυψέλες υδρογόνου, τα υβριδικά-ηλεκτροκίνητα πλοία και η πυρηνική πρόωση. Τέλος βοηθητικές λύσεις οι οποίες αξιοποιούνται ήδη, αλλά δεν μπορούν να δώσουν μια καθολική επίλυση στο πρόβλημα είναι η χρήση παράκτιας ηλεκτρικής ενέργειας (cold ironing) καθώς και μια σειρά από τεχνολογικά και λειτουργικά μέτρα. Οι διάφοροι περιορισμοί που προέκυψαν ή ενδέχεται να προκύψουν στο μέλλον σε σχέση με τις προαναφερθείσες τεχνικές, έδωσαν τις βάσεις για την διερεύνηση της χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Την πιο πολλά υποσχόμενη ανανεώσιμη πηγή ενέργειας αποτελούν τα βιοκάυσιμα και ήδη οι κατασκευάστριες εταιρείες κινητήρων επιβεβαιώνουν την δυνατότητα χρήσης βιοκαυσίμων στους κινητήρες τους. Η χρήση βιοκαυσίμων συνδυάζει πολλά πλεονεκτήματα με σηματικότερο την μείωση των ρύπων (SOx, αιθάλης άλλα και CO2 καθώς αποτελούν ανανεώσιμη πηγή ενέργειας). Παρά ταύτα προκύπτουν πολλά προβλήματα κατλα την αποθήκευση τους όσο και κατά την λειτουργία του πλοίου με την χρήση βιοκαυσίμων όπως η επιμόλυνση και η ανάπτυξη μικροοργανισμών. Αυτά μπορεί να έχουν αρνητικές συνέπειες στις δεξαμενές αποθήκευσης, να προκαλέσει διάβρωση σε διάφορα τμήματα προσαγωγής του καυσίμου και στη μηχανή, στην καταπόνηση των παρεμβυσμάτων απο καουτσούκ και στην φραγή των σωληνώσεων και των φίλτρων καυσίμου. Επίσης η χρήση βιοκαυσίμων μορεί να οδηγήσει σε σπηλαίωση ενώ προκαλέι επίσης μια μικρή αύξηση στα NOx και στην ειδική κατανάλωση καυσίμου. Όλα αυτά όμως θα μπορούσαν να παραμεριστούν εάν επιλύονταν άλλα βασικότερα θέματα όπως το υψηλό τους κόστος και το δεδομένο πως απαιτούνται βρώσιμα υλικά ώς πρώτη ύλη. Λύση στο πρόβλημα αυτό ενδέχεται να δώσει η ανάπτυξη μιας τρίτης γενιάς βιοκαυσίμων από φύκη ή οποία ενδέχεται να δώσει και την ώθηση στην ευρεία μελλοντική τους χρήση απο την ναυτιλία. Άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας οι οποίες προς το παρών έχουν αξιοποιηθεί πιλοτικά στον χώρο της ναυτιλίας αποτελούν η αιολική ενέργεια (μαλακά πανιά, σταθερά πανιά, ρότορες, πανια τύπου χαρταετού), τα φωτοβολταικά υβριδικα συστήματα πρόωσης και η αξιοποίηση της κυματικής ενέργειας. Οι τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί και δοκιμασθεί μπορούν να αποδόσουν απο ένα ποσοστό μέχρι και το 100% της απαιτούμενης ενέργειας πρόωσης ή να χρησιμοποιηθούν για τις βοηθητικές λειτουργίες του πλοίου. Για την ανάπτυξη όμως ενός συστήματος αναεώσιμών πηγών ενέργειας που θα μπορούσε να επιτύχει την απαιτούμενη παραγωγή ενέργειας για την καθολική λειτουργία ενός πλοίου, απαιτείται ο συνδυασμός όλων ή κάποιων εκ των προαναφερθέντων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.	el
heal.abstract	About 150 years ago, propulsion technologies in shipping have undergone radical changes by replacing sails with fossil fuel systems. This shift to fossil fuels has led to a steady improvement in ship performance, but has also contributed to global emissions. In particular, international shipping is responsible for 4-9%, 14-31% and 3-6% of global emissions of sulfur oxides (SOx), nitrogen oxides (NOx) and sulfur dioxide (CO2) respectively. This has led international, regional and local authorities to implement measures to reduce shipping emissions from the shipping industry. More specifically, the International Maritime Organization (IMO), through the revised MARPOL Annex VI, sets the permitted emission limits. This regulatory framework specifies the NOx emissions based on the date of manufacture of each engine, with the most recent Tier III level for engines manufactured from 01/01/2016, which requires a 80% reduction compared to the Tier I level. Regarding SOx emissions, the requirements of the regulations are the use of fuels with a sulfur content of 0.1% by weight in special statutory control areas (ECAs) from 01/01/2015 and with a sulfur content of 0.5% by weight worldwide since 01/01/2020. In any case, shipowners are allowed to continue using high sulfur HFO (Heavy Fuel Oil) under the condition of an EGCS-Exhaust Gas Cleaning Scrubber that can reduce SOx emissions to levels same as those from fuel emissions with 0.5% and 0.1% w / w. respectively. With regard to greenhouse gases, the IMO has adopted the Energy Efficiency Design Index (EEDI) and the Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), which has recently been revised to require full monitoring of greenhouse gas emissions and the EEOI indicator, all as measures to control greenhouse gas emissions from shipping, possibly leading to future measures to reduce emissions. A corresponding monitoring system has also been established by the European Union (MRV-Monitoring Reporting and Verification), which entered into force on 01/01/2018. All of the above-mentioned regulations, coupled with rising fuel prices, have led shipowners to explore ways to reduce NOx and SOx and fuel consumption (which also leads to a CO2 emissions reduction, which are proportionally related to fuel consumption). Several techniques have been developed to reduce NOx, but most of them do not achieve the 80% reduction levels required by the Regulation. The only measures that can achieve this reduction are EGR-Exhaust Gas Recirculation and Selective Catalytic Reduction (SCR), which however require high investment costs and operating costs. To reduce SOx, the only solutions are the transition to low sulfur fuels or the use of exhaust gas scrubbers with a ~ 99% reduction which can also reduce smoke and Soot up to 80%. An alternative fuel that can achieve a reduction in all three regulated pollutants is natural gas, which however requires major changes to the fuel delivery system as well as the use of dual fuel engines. Also, there is no development of a broad fuel distribution system on board ships. Other alternatives with little application up to date are fuel cells, hybrid-powered ships and nuclear propulsion. Finally, ancillary solutions that are already being used but cannot provide a universal solution to the problem are the use of coastal electricity (cold ironing) as well as a series of technological and operational measures. Various constraints that have arisen or are likely to arise in the future in relation to the aforementioned techniques have provided the basis for exploring the use of renewable energy sources. The most promising renewable energy source is biofuels and already the engine manufacturers confirm the possibility of using biofuels in their engines. The use of biofuels combines many advantages with a significant reduction in pollutants (SOx, Soot and CO2 as a renewable energy source). However, many problems arise during their storage and in the operation of the ship with the use of biofuels such as transfection and growth of micro-organisms. These can have adverse effects on storage tanks, can cause corrosion in various fuel delivery and engine parts, strain on rubber gaskets, and fuel pipe and filter blocking. Also the use of biofuels can lead to cavitation while also causing a small increase in NOx and specific fuel consumption. However, all this could be overcome if other key issues such as their high costs and the need for edible materials as a raw material were solved. A solution to this problem may be the development of a third generation biofuel from algae which may also give impetus to their widespread future use by shipping industry. Other renewable sources of energy that are currently used in the field of shipping are wind energy (soft sails, stable sails, rotors, kite-type cloths), photovoltaic hybrid propulsion systems and the utilization of wave energy. Techniques developed and tested can yield up to 100% of the required propulsion energy or be used for auxiliary functions of the ship. However, in order to develop a system of renewable energy sources that could achieve the required energy production for the universal operation of a ship, it is necessary to combine all or some of the above-mentioned renewable energy sources	en
heal.advisorName	Ζαννίκος, Φανούριος	el
heal.committeeMemberName	Καρώνης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Προυσαλίδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	135 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true