The daily grind – Cat fines and engine wear, Part 1

Nový regulačný režim, ktorý nadobudne účinnosť začiatkom roka 2020, prinesie zásadné zmeny v rozmanitosti a dostupnosti lodných palív po celom svete. Pre prevádzkovateľov lodí bude spoľahlivé a bezpečné používanie motorov nevyhnutne vyžadovať lepšie porozumenie a sofistikovanejšie stratégie nakladania s palivami ako dnes. Rozsah nastávajúcej výzvy je – dokonca aj teraz – nemožné presne predvídať. Úspešnosť, s akou sa prevádzkovatelia lodí budú vyhýbať problémom, bude vo veľkej miere závisieť od opatrení, ktoré podniknú v nadchádzajúcich mesiacoch.

Meniace sa palivá

1. januára 2020 vstúpi celosvetová lodná doprava do éry palív s nízkym obsahom síry v rámci najprevratnejšej regulačnej zmeny v tomto odvetví od dohovorov MARPOL 73/78 a jednej z najväčších prevádzkových zmien, ktorým doteraz čelila. Od tohto dátumu budú musieť všetky lode dodržiavať striktný 0,50-percentný limit hmotnostného pomeru síry v palivách.

0,50-percentný limit je výrazne nižší ako súčasný 3,50-percentný limit zavedený v roku 2012 a platí popri 0,10-percentnom limite v oblastiach kontroly emisií (ECA). Zatiaľ čo IMO právom opisuje nový limit ako víťazstvo pre životné prostredie a ľudské zdravie, pre odvetvie lodnej dopravy sa stáva veľkým problémom. Je to spôsobené tým, že odstránenie nebezpečenstva pre životné prostredie bohužiaľ znamená vytvorenie mechanického nebezpečenstva, ktorým sú jemné častice katalyzátora – drobné častice, ktoré v prípade, že sa nezachytia, môžu spôsobiť obrovské škody na motoroch.

Lodný palivový olej nebol nikdy látkou, ktorá by sa dala opísať ako príťažlivá. Rafinérie destilujú surovú ropu a z hornej časti destilačnej kolóny extrahujú produkty vysokej hodnoty. Hore sú plyny a benzín, nižšie sa nachádzajú letecké palivo a nafta, pod nimi mazacie oleje a naspodku zostáva hrubý, čierny zvyšok, ktorý sa používa na pohon lodí a výrobu bitúmenu. Nie je to pekné, ale doslova to pomohlo vytvoriť moderný svet.

Problém so sírou

Keď motory spaľujú fosílne palivá, uvoľňujú oxidy síry (SOx), ktoré v atmosfére prispievajú k množstvu zdravotných a environmentálnych problémov, ako sú napríklad respiračné ochorenia ľudí a zvierat a okyslenie pôdy a vody.

Síra sa prirodzene vyskytuje v každej surovej rope a vo vyšších koncentráciách sa nachádza v zvyškových frakciách destilačného procesu s najvyššou teplotou varu. To znamená, že od začiatku roka 2020 sa výroba paliva bude musieť zmeniť, aby sa dokázala lepšie vysporiadať so sírou, a prevádzkovatelia lodí budú čeliť zložitejším voľbám palív ako kedykoľvek predtým.

Lode s pohonom na kvapalný zemný plyn (LNG) nebudú mať problémy s dodržiavaním limitov, ale takéto lode tvoria iba malú časť celosvetovej flotily a očakáva sa, že pre vysoké investičné náklady a nedostatok zásobovacej infraštruktúry to tak zostane ešte celé desaťročia. Mnohé ďalšie lode budú naďalej spaľovať palivový olej s vysokým obsahom síry (HSFO), pričom sa budú spoliehať na to, že pomocou čistiacej technológie vyčistia výfukové plyny na vyhovujúcu úroveň. Pre väčšinu flotily však bude obdobie od roku 2020 znamenať výber z rastúceho spektra palív s nízkym obsahom síry: destilátov, zmesí a – v menšej miere – nových palív vyrobených z rastlinných olejov.

V roku 2020 sa všetko zmení

Každý nový druh paliva prinesie rad prevádzkových a ekonomických premenných, ktoré je potrebné zvážiť. Preskúmanie všetkých týchto premenných je predmetom samostatného článku, hoci je potrebné poznamenať, že zmeny viskozity, mazivosti a teploty majú vážne dôsledky pre bezpečnú a spoľahlivú prevádzku motorov, čerpadiel a ďalších zariadení.

Jemné častice katalyzátora v centre pozornosti

Zo všetkých premenných, ktoré sa vyskytujú v ére palív s nízkym obsahom síry, je pravdepodobne potenciálne najškodlivejšia prítomnosť jemných častíc katalyzátora. Hoci sú jemné častice katalyzátora už dlho známou, ale zvládnuteľnou skutočnosťou v odvetví lodnej dopravy, v blížiacej sa ére palív s nízkym obsahom síry sa dostanú do centra pozornosti, pretože budú čoraz väčším rizikovým faktorom pre motory lodí a rozpočty prevádzkovateľov.

Čo sú teda zač?

Ako sa tvoria jemné častice katalyzátora

Moderné rafinérie najprv pomocou atmosférickej a vákuovej destilácie odstránia najprchavejšie produkty s vyššou hodnotou z hornej časti destilačnej kolóny. Potom „krakujú“ zvyšnú surovú ropu do jej jednotlivých frakcií pomocou tepelných a katalytických procesov. Pri katalytickom krakovaní rafinéria pridá fyzikálne katalyzátory na rozbitie molekúl ropy.

Použitými katalyzátormi sú rôzne formy syntetických kryštalických zeolitov – minerálne zlúčeniny hliníka a kremíka, ktoré sú vysoko porézne a extrémne tvrdé.

Katalyzátory sú drahé a rafinérie opätovne získavajú a používajú všetko, čo môžu. Za určitou hranicou však už nie je praktické ani ekonomicky stimulujúce, aby rafinéria svoje úsilie zvýšila. Jemné častice katalyzátora sú tie častice, ktoré zostávajú ako zvyšky. Zostávajú v palive. A čerpajú sa do vašich lodí.

Stanovenie štandardov pre palivo

Špecifikácie pre lodné palivá stanovuje medzinárodná norma ISO 8217, ktorá obmedzuje koncentráciu jemných častíc katalyzátora v palive. Palivo vyrobené podľa súčasnej verzie normy je obmedzené na 60 častíc na milión (ppm). Tento limit je v podstate kompromis – ak by bola stanovená nižšia úroveň, nedali by sa už zabezpečiť celosvetové dodávky palivového oleja. Aj pri úrovni 60 ppm však jemné častice katalyzátora predstavujú veľký problém pre motory a výrobcovia, ako sú napríklad spoločnosti MAN a Wärtsilä, odporúčajú, aby palivo vstupujúce do motorov obsahovalo jemné častice katalyzátora v koncentráciách do 15 ppm.

Charakteristika jemných častíc katalyzátora

Fyzicky majú jemné častice katalyzátora nepravidelný tvar a v palive sa nachádzajú v rôznych veľkostiach: od častíc menších ako mikrometer až po častice s veľkosťou približne 100 μm – zhruba od veľkosti zrnka prachu až po šírku ľudského vlasu. Ich hustota je tiež premenlivá, ale vo všeobecnosti je o niečo vyššia ako hustota ťažkého palivového oleja (HFO). Väčšie jemné častice katalyzátora sa usadia v oleji, ale malé častice s nízkou hustotou nie.

Zo všetkých fyzikálnych vlastností jemných častíc katalyzátora je však pre lode najproblematickejšia tvrdosť. Jemné častice katalyzátora sú mimoriadne tvrdé – na Mohsovej stupnici tvrdosti majú hodnotu až 8,2, pričom diamant má hodnotu 10 – a ľahko poškriabu oceľové povrchy a vryjú sa do nich.

Škody, ktoré spôsobujú

Keď jemné častice katalyzátora prechádzajú vstrekovačom, môžu sa zaseknúť v medzere medzi vložkou valca a piestovým krúžkom, ktorá má veľkosť približne 3 – 5 μm. Každá väčšia častica môže spôsobiť obrusovanie. Pri každom zdvihu piesta bude jemná častica katalyzátora mletá po hladkých povrchoch, pričom bude vyrývať stopy, ktoré sa časom budú prehlbovať. Ohrozené sú aj palivové čerpadlá, vstrekovače, ventily a ďalšie komponenty. A dokonca aj menšie častice môžu spôsobiť značné škody.

Je lákavé považovať tento druh poškodenia obrusovaním za normálne dlhodobé mechanické opotrebovanie. A v mnohých prípadoch to môže byť naozaj tak. Ale jemné častice katalyzátora vo vysokých koncentráciách môžu tiež spôsobiť akútne, katastrofické poškodenie v pozoruhodne krátkom čase.

Jedna správa dostupná online popisuje to, ako jemné častice katalyzátora zničili motor počas iba 100 hodín prevádzky. Keď bol motor rozobratý, technici zistili, že „všetky piesty a vložky boli úplne zničené a museli sa vymeniť“.

Je samozrejmé, že škody tejto povahy sú extrémne drahé a správy o poistných nárokoch sa pohybujú od 300 000 USD až po 1,5 milióna USD. Jemné častice katalyzátora sú preto nielen problémom pre prevádzkovateľov, ale vzbudzujú veľké obavy aj na poistnom trhu.

Spiaci problém, ktorý sa prebúdza

Jemné častice katalyzátora nepredstavujú nový problém. Katalytické krakovanie sa stalo rozšíreným v 70. rokoch minulého storočia, keď rastúce ceny ropy donútili rafinérie získavať z nej cennejšie produkty. V dôsledku toho sa v 80. rokoch začali objavovať prvé správy o škodách spôsobených jemnými časticami katalyzátora. Hoci je odstraňovanie jemných častíc katalyzátora na mori vždy veľkou výzvou, palubné zariadenie na zníženie úrovne kontaminácie (o ktorom budeme hovoriť v 2. časti tohto článku) je založené na vyspelých, dobre známych technológiách.

Tieto znalosti bohužiaľ viedli k určitej úrovni uspokojenia v tomto odvetví. Ak bude podľa očakávaní kontaminácia jemnými časticami katalyzátora po roku 2020 bežnejšia, toto uspokojenie sa môže ukázať ako veľmi nákladné pre prevádzkovateľov, ktorí neaktualizujú svoje znalosti a postupy.

Nedávny článok v časopise Marine Propulsion by mal byť dostatočne šokujúci na to, aby mnohí prevádzkovatelia opäť venovali tejto problematike primeranú pozornosť. V článku sa uvádza analýza viac ako 400 000 vzoriek oleja uskutočnená spoločnosťou ExxonMobil, ktorá zistila, že 43 % plavidiel má potenciálne katastrofické problémy s jemnými časticami katalyzátora. Ak sa len zlomok týchto možných problémov stane skutočnosťou, stále hrozia veľké finančné a časové straty, ako aj narušenie prevádzky.

Tiež bolo zverejnené, že v priebehu troch rokov tím PrimeServ spoločnosti MAN zistil, že 190 z 226 prípadov (84 %) poškodenia vložiek valcov bolo spôsobených jemnými časticami katalyzátora.

Ako sme opísali vyššie, jemné častice katalyzátora sú vedľajším produktom krakovania a odstraňovania síry. Čím viac sú oleje krakované a čím viac síry je odstránenej, tým vyššia je úroveň jemných častíc katalyzátora. Ako sa stručne vyjadril Paul Hill zo spoločnosti Braemar: „Je to zásadný kompromis medzi motorom a životným prostredím. Nemôžete mať nízky obsah síry a jemných častíc katalyzátora.“

Vzhľadom na predpoveď uvedenú v správe World Oil Outlook 2040 organizácie OPEC, podľa ktorej od roku 2017 do roku 2022 každoročne pribudne krakovacia kapacita vo výške 138 miliónov ton, si môžeme byť istí, že do nádrží s palivom po celom svete sa dostane podstatne viac jemných častíc katalyzátora.

Problém s vyššími úrovňami jemných častíc katalyzátora ešte zhoršujú neoficiálne pozorovania, podľa ktorých nové katalyzátory prichádzajúce do výroby vytvárajú ešte tvrdšie jemné častice katalyzátora, ktoré sa dostávajú do paliva. A akoby to nebolo už dosť zlé, palivá s nízkym obsahom síry majú zvyčajne horšie mazacie vlastnosti ako ťažké oleje, čo znamená, že obrusovanie sa zhoršuje.

Vedľajším účinkom súčasných limitov obsahu síry je to, že úrovne jemných častíc katalyzátora – a súvisiace škody – sa výrazne zvýšili. Prípravy na dodržiavanie limitov platných od roku 2020 môžu zvýšiť závažnosť tohto problému na úplne novú úroveň. Služba FOBAS (Fuel Oil Bunkering Analysis and Advisory Service) spoločnosti Lloyd’s Register monitoruje kvalitu paliva v prístavoch po celom svete a v prípade problémov vydáva výstrahy. Prevádzkovatelia by samozrejme mali týmto a iným správam venovať veľkú pozornosť. Je však veľmi dôležité uvedomiť si, že k poškodeniu jemnými časticami katalyzátora môže dôjsť aj vtedy, keď je palivo plne v súlade s normou ISO 8217.

To všetko prispieva k tomu, že starý problém nadobúda nové rozmery. V 2. časti našej úvahy o jemných časticiach katalyzátora sa pozrieme na riešenia a povieme si o tom, ako prevádzkovatelia budú musieť zvýšiť svoje úsilie, ak nechcú čeliť značným nákladom.