Επίδραση τεχνολογιών αντιρρύπανσης και νέων καυσίμων στις εκπομπές ρύπων από τη ναυτιλία

Abstract

Shipping plays a critical role in global trade and is considered the most efficient mode of transport in terms of carbon emissions per transport work. The drawback of this activity is the significant releases of climate relevant species, as well as other harmful pollutants with effects on human health and the environment. As a reaction to the established ambitious targets to address the environmental challenges and the increasingly stringent emissions regulatory framework, the shipping industry has been strongly investing in developing technical solutions to meet environmental targets. These technical solutions mainly include the shift from traditional marine fuels to low-carbon alternatives (methanol) or zero-carbon options (ammonia). Another approach involves the installation of emission control technologies in ships to reduce carbon emissions, such as on-board carbon capture and storage systems, scrubbers to limit sulphur oxides and selective catalytic reduction systems to reduce nitrogen oxides. The purpose of this thesis is to evaluate the environmental impact of marine fuels and various emission control technologies on air and particulate pollutants based on experimental results and literature sources. Initially, the thesis examined the environmental performance of scrubbers by presenting the emission factors of air and particulate pollutants and the particle number distributions upstream and downstream of the scrubber from a two-stroke slow-speed marine engine using two different fuel types, obtained from a 7-day on-board measurement campaign. The objective is to collect real performance data, in order to feed emission and air pollution modelling tools with emission factors downstream of a scrubber. As a next step, emissions from marine engines were then considered without the use of any emission control technology, as they play an important role in assessing the environmental performance of ships. The thesis develops a new set of emission factors for ships, based on a review and statistical processing of shipping emission measurements available in worldwide literature. To offer significant resolution and versatility for use under different operating conditions, the developed emission factors are expressed as a function of the ship engine load. These emission factors are distinguished according to the engine and fuel types that are met in practice. The thesis, then, deals with the quantitative evaluation of the environmental performance of various decarbonization measures for ships. The thesis focuses on assessing their potential to mitigate greenhouse gas emissions, with a particular emphasis on addressing harmful air and particulate pollutants. These measures include both operational strategies and technical solutions, such as switching to alternative fuels and various emission control technologies. The analysis utilizes the new set of load-dependent emission factors and employs Automatic Identification System data for 18 ships representing 5 major ship categories. Finally, the conclusions drawn from this thesis concern the effect of scrubbers on air and particulate pollutants, the variance of emission factors with respect to engine operating load and the effect of different parameters such as engine and fuel type and the effect on human health and the environment of the implementation of operational and technical strategies proposed for decarbonization of shipping.

Η ναυτιλία διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη διακίνηση εμπορευμάτων παγκοσμίως και θεωρείται ο πιο αποδοτικός τρόπος μεταφοράς, όσον αφορά τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα ανά μεταφορικό έργο. Κύριο μειονέκτημα της ναυτιλίας αποτελούν οι σημαντικές εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, τα οποία προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη συμβάλλοντας έτσι στην κλιματική αλλαγή, καθώς και άλλων επιβλαβών για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον ρύπων. Προκειμένου να συμμορφωθεί με τους φιλόδοξους στόχους για την αντιμετώπιση των περιβαλλοντικών προκλήσεων, η ναυτιλία έχει επενδύσει σημαντικά κεφάλαια στην ανάπτυξη τεχνικών λύσεων για τη μείωση των εκπομπών ρύπων. Οι τεχνικές λύσεις περιλαμβάνουν τη μετάβαση από τα παραδοσιακά καύσιμα στα εναλλακτικά με μικρή περιεκτικότητα σε άνθρακα (μεθανόλη) ή με πλήρη απουσία άνθρακα (αμμωνία). Μια ακόμη τεχνική λύση είναι η εγκατάσταση τεχνολογιών αντιρρύπανσης στα πλοία για τη μείωση των εκπομπών άνθρακα, όπως οι τεχνολογίες δέσμευσης και αποθήκευσης άνθρακα επί του πλοίου, οι πλυντρίδες για τον περιορισμό των οξειδίων του θείου και οι καταλυτικές διατάξεις για τη μείωση των οξειδίων του αζώτου. Σκοπός είναι η αξιολόγηση της περιβαλλοντικής επίδρασης των νέων ναυτιλιακών καυσίμων και των τεχνολογιών αντιρρύπανσης των πλοίων στους αέριους και σωματιδιακούς ρύπους με βάση πειραματικά αποτελέσματα και βιβλιογραφικές πηγές. Αρχικά, η διατριβή παρουσιάζει την περιβαλλοντική απόδοση των πλυντρίδων παραθέτοντας τους συντελεστές εκπομπής αέριων και σωματιδιακών ρύπων και τις κατανομές αριθμού σωματιδίων, ανάντη και κατάντη της πλυντρίδας ενός δίχρονου αργόστροφου ναυτιλιακού κινητήρα με χρήση δύο διαφορετικών τύπων καυσίμου, που προέκυψαν από μία επταήμερη αποστολή μετρήσεων πεδίου. Απώτερος στόχος είναι η συγκέντρωση πραγματικών δεδομένων επίδοσης από τις μετρήσεις επί του πλοίου, ώστε να χρησιμοποιηθούν από εργαλεία μοντελοποίησης εκπομπών και ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Μετέπειτα εξετάζονται οι εκπομπές που προκύπτουν από τους ναυτικούς κινητήρες χωρίς τη χρήση οποιασδήποτε τεχνολογίας αντιρρύπανσης, καθώς διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην εκτίμηση της περιβαλλοντικής απόδοσης των πλοίων. Η διατριβή αναπτύσσει ένα επικαιροποιημένο σύνολο συντελεστών εκπομπής για τα πλοία, με βάση την ανασκόπηση και τη στατιστική επεξεργασία των μετρήσεων ναυτιλιακών εκπομπών που είναι διαθέσιμες στη βιβλιογραφία. Οι συντελεστές εκπομπής εκφράζονται ως συνάρτηση του φορτίου λειτουργίας του κινητήρα του πλοίου, ώστε να αποτυπώνουν τις διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας του πλοίου. Οι συντελεστές εκπομπής διακρίνονται ανάλογα με τους τύπους κινητήρων και καυσίμων στα πλοία. Η διατριβή πραγματεύεται την ποσοτική αξιολόγηση της περιβαλλοντικής απόδοσης διάφορων μέτρων απανθρακοποίησης για τα πλοία, τα οποία περιλαμβάνουν επιχειρησιακές στρατηγικές μείωσης των εκπομπών και τεχνικά μέτρα, όπως η μετάβαση σε εναλλακτικά καύσιμα και τεχνολογίες αντιρρύπανσης. Εστιάζει στην αξιολόγηση των δυνατοτήτων τους να μετριάσουν τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου, με ιδιαίτερη έμφαση στην αντιμετώπιση των επιβλαβών ατμοσφαιρικών ρύπων. Η ανάλυση χρησιμοποιεί το επικαιροποιημένο σύνολο συντελεστών εκπομπής και τα δεδομένα κίνησης πλοίων για ένα έτος αναφοράς, για 18 πλοία που αντιπροσωπεύουν 5 μεγάλες κατηγορίες. Τέλος, τα συμπεράσματα που εξάγονται από την παρούσα διατριβή αφορούν την επίδραση των πλυντρίδων στους αέριους και σωματιδιακούς ρύπους, τη μεταβολή των συντελεστών εκπομπής σε σχέση με το φορτίο λειτουργίας του κινητήρα καθώς και την επίδραση διαφόρων παραμέτρων, όπως ο τύπος κινητήρα και καυσίμου, και την επίδραση στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον από εφαρμογή επιχειρησιακών και τεχνικών στρατηγικών που προτείνονται για την ανθρακοποίηση της ναυτιλίας.