Контейнерные перевозки между Восточной Азией и Европой в экологическом аспекте

Контейнерные перевозки между Восточной Азией и Европой в экологическом аспекте

В. С. Коссов,

д. т. н., профессор, генеральный директор АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава»

В. А. Гапанович,

к. т. н., старший советник генерального директора ОАО «РЖД»

А. Л. Редин,

к. т. н., зав. отделом силовых установок АО «ВНИКТИ»

А. А. Оленцов,

зав. лабораторией отдела силовых установок АО «ВНИКТИ»

Одной из важнейших задач современности является уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу при эксплуатации транспорта. Над решением данной проблемы трудятся специалисты всех ведущих стран мира.

Ужесточение требований к выбросам вредных веществ в атмосферу в первую очередь коснулось автомобилей, однако стоит обратить внимание и на другие виды транспорта. Так, требования к водному (морскому) транспорту в части выбросов вредных веществ поблизости от гаваней и портов довольно высокие, но относительно выбросов в открытом море (океане) они минимальны, поэтому для снижения стоимости перевозок применяют дешевые сорта топлива.

При перевозке грузов между странами и континентами крупнотоннажные суда сжигают огромное количество топлива и, следовательно, выбрасывают в атмосферу много вредных веществ. Конечно, при ведении судов с грузами вдали от берегов негативное влияние вредных веществ менее заметно, но пренебрегать их отрицательным воздействием на биосферу, в том числе и на человека, недальновидно.

При рассмотрении маршрутов, или транспортных коридоров, морского грузооборота (рис. 1) достаточно четко прослеживается их взаимосвязь с зонами загрязнения мирового океана побочными продуктами эксплуатации судов (рис. 2), причем степень загрязнения

зависит от ряда факторов, например, от технического состояния транспортных средств.

Наиболее распространенный и прогрессивный способ доставки грузов на большие расстояния — перевозка контейнерами. Сегодня уровень контейнеризации составляет 50-60 % от общего числа всех морских перевозок. Если рассматривать генеральные грузы, т. е. штучные, перевозимые в упаковке, то доля их перевозок в контейнерах превышает 90 %: такие перевозки удобны, их стоимость относительно невысокая [1].

Существенная часть мировых контейнерных перевозок приходится на товарообмен между Европой и Восточной Азией. В 2017 г. количество контейнерных поездов, прошедших по маршрутам между Китаем и Европой, достигло рекордного значения — 3270. В 2018 г. Китай запланировал увеличить количество контейнерных поездов по этому маршруту до 4000.

Объем контейнерных перевозок между Европой и Азией оценивается в 20 млн условных двадцатифутовых контейнеров (ТЕи). По оценке организации экономического сотрудничества и развития, один миллион из них может быть перевезен железнодорожным транспортом. На рис. 3 показаны основные маршруты альтерна-

Рис. 1. Основные морские транспортные коридоры

Рис. 2. Области загрязнения вод продуктами сгорания двигателей и горюче-смазочными веществами

тивных перевозок контейнеров из порта Ляньюньган (одного из десяти крупных приморских портов Китая) в Европу. Кроме того, маршрут может проходить через воды Северного Ледовитого океана (в период открытой навигации).

Рассмотрим три альтернативных маршрута перевозки контейнеров:

• морским путем из порта Ляньюньган до порта Гамбург (Германия), длина пути 24 000 км;

• Центральным Евразийским железнодорожным коридором, т. е. железнодорожным путем из порта Ляньюньган до порта Усть-Луга (Россия) через Китай, Казахстан и Россию, длина пути 8445 км;

• Северным Евразийским железнодорожным коридором, т. е. железнодорожным путем из порта Ляньюньган до порта Усть-Луга через Китай и Россию, длина пути 11 500 км.

Нагрузки на окружающую среду оценивали по наиболее опасным загрязнителям атмосферы: оксидам азота ]]Ох и оксидам серы SOX. «При сжигании всех видов органического топлива образуются оксиды азота (N0 + N02). Источниками оксидов азота являются азот воздуха и азотосодержащие компоненты органической массы топлива» [2]. Зависимость скорости образования из азота воздуха от температуры носит экспоненциальный характер, т. е. при прочих равных условиях оксидов азота в продуктах сгорания тем больше, чем выше температура рабочего процесса. Количество зависит и от используемого топлива: наиболее насыщен азотом уголь, в мазуте азота меньше, еще меньше его в дизельном топливе, природный газ практически не содержит азота.

«N02 делает человека более восприимчивым к патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей. У людей, подвергшихся воздействию высоких концентраций диоксида азота, чаще наблюдаются катар верхних дыхательных путей, бронхиты, круп и воспаление легких. Кроме того, диоксид азота сам по себе может стать причиной заболеваний дыхательных путей» [2].

«При сжигании серосодержащего топлива образуются два оксида серы: сернистый ангидрид S02 и серный ангидрид S03. Оксиды серы, а также образующиеся при соединении в атмосфере с водяным паром кислоты Н2БО3 и Н2БО4 оказывают вредное воздействие на здоровье людей, являются причиной гибе-

Рис. 3. Евроазиатские транспортные коридоры, используемые для контейнерных перевозок

ли хвойных лесов, плодовых деревьев, снижения урожайности сельскохозяйственных культур, закисления водоемов, а также несут угрозу живым существам. Кроме того, оксиды серы являются причиной коррозии стальных конструкций и разрушения различных строительных материалов» [2].

Морской путь

В настоящее время 30 % всех контейнеровозов относят к категории Post-Panamax вместимостью более 7000 стандартных контейнеров длиной 20 футов, или 6,1 м. Остальные контейнеровозы относятся к следующим категориям [3]:

• Handysize Class вместимостью 260-1000 TEU;

• Handymax Class вместимостью 1000-1700 TEU;

• Feeder Class вместимостью 17002500 TEU;

• Sub-Panamax Class вместимостью 2500-4000 TEU.

Наиболее экономичные и экологически чистые перевозки контейнеровозами категории Post-Panamax. Представитель этого класса — один из самых больших в мире контейнеровоз Emma Maersk (рис. 4, а). Официально подобные контейнеровозы могут принять на борт до 11 000-14 770 TEU (в зависимости от метода определения грузоподъемности).

Более 90 % морских контейнерных перевозок осуществляется судами, уступающими по экологическим характеристикам контейнеровозам типа Emma Maersk. Кроме того, после определенного периода эксплуатации морских судов расход топлива неизбежно увеличивается вследствие «об-

растания» внешней подводной поверхности корпуса, ухудшения состояния винтов, валопроводов, подшипников, изменения параметров двигателя относительно показателей нового судна. Все это приводит к увеличению выбросов вредных веществ с отработавшими газами.

Рассмотрим энергетические затраты и нагрузку на окружающую среду морских судов на примере новых контейнеровозов грузоподъемностью 11 000 контейнеров и среднестатистического контейнеровоза, находящегося в настоящее время в эксплуатации (рис. 4, б).

В качестве судовой силовой установки контейнеровоза типа Emma Maersk применен 14-цилиндровый дизельный двигатель мощностью 80 800 кВт [3]. Удельный расход топлива нового двигателя на основных рабочих режимах не превышает 172 гДкВт-ч). Для двигателя среднестатистического контейнеровоза, находящегося в настоящее время в эксплуатации, удельный расход топлива экспертно можно принять равным 205 гДкВт-ч).

Контейнеровозы меньшей грузоподъемности оснащены дизельными двигателями различных производителей с худшими характеристиками.

Удельные выбросы вредных веществ с отработавшими газами судовыми дизелями должны соответствовать уровню I «Руководства по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2009» [4] (табл. 1).

При использовании видов топлива с высоким содержанием серы выбросы оксидов серы могут значительно превышать допустимые международными соглашениями нормы (табл. 2).

Рис. 4. Контейнеровозы: а) Emma Maersk грузоподъемностью 11 000 TEU; б) грузоподъемностью 1140 TEU

Таблица 1. Удельные выбросы вредных веществ судами, использующими дизельное топливо

Вредное вещество Удельные выбросы вредных веществ судами, использующими дизельное топливо (флотский мазут), кг/т топлива

NOx 78,5

sox 20

Таблица 2. Удельные выбросы вредных веществ контейнеровозом грузоподъемностью 11 000 контейнеров и среднестатистическим контейнеровозом, находящимся в настоящее время в эксплуатации из порта Ляньюньган до порта Гамбург

Вредное вещество Новый контейнеровоз, кг/TEU Среднестатистический контейнеровоз, кг/TEU

NOX 61,5 100,5

SOX 45*; 15,7**; 7,6*** 73,35*; 25,6**; 12,4***

"Здесь и далее: при содержании 3,5 % серы в топливе (расчетные данные по SO2); в расчете за основную принимается величина 45 кг SOX на один контейнер как наиболее соответствующая современным реалиям. "Здесь и далее: при условии соблюдения перевозчиком требований «Руководства по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2009» (ред. 2013 г.).

""Здесь и далее: при содержании 0,5 % серы в топливе (расчетные данные по SO2); норма по содержанию серы в тяжелом топливе и судовом газойле менее 0,5 % должна вступить в действие с 2020 или 2025 г., решение должно быть принято в 2018 г. [4].

Железнодорожный путь

В настоящей статье рассматриваются два наиболее экологически чистых вида железнодорожной тяги: электровозная и газотурбовозная. Современные электровоз и газотурбовоз, использующий в качестве топлива сжиженный природный газ, представлены на рис. 5, 6.

Как было указано, железнодорожным путем из порта Ляньюньган до порта Усть-Луга груз в контейнерах можно

провести Центральным Евразийским железнодорожным коридором через Китай, Казахстан и Россию (длина пути 8445 км) или Северным Евразийским железнодорожным коридором через Китай и Россию (длина пути 11 500 км).

Расчет энергозатрат на перевозку контейнерных составов выполнен по программе тяговых расчетов АО «ВНИКТИ» для составов массой 4200 и 6000 т. Суммарная потеря электроэнергии в сети от электростанции

до контактной сети железной дороги с учетом потери электроэнергии на тяговой подстанции составляет 8-10 % [3]. Результаты расчета представлены в табл. 3.

Рассмотрим подробнее варианты железнодорожной тяги в части выбросов вредных веществ в атмосферу.

Газотурбовозная тяга

Значения удельных выбросов вредных веществ с отработавшими газами газотурбовозами ГГ№ при ведении поезда 6000 т из порта Ляньюньган до порта Усть-Луга даны в табл. 4 [3].

Отметим, что согласно паспортам качества (протоколам анализа) в составе сжиженного природного газа не содержится серы.

Электровозная тяга

Общая мощность электростанций всех типов в РФ равна 236 ГВт. Структура по топливу на ТЭС следующая: природный газ — 71, уголь — 27,5, жидкое топливо — 1, прочее — 0,5 % [5]. При перенаправлении значительной части грузопотока контейнеров с морского пути на железнодорожный потребуются дополнительные мощности генерации электроэнергии.

Для создания проекта экологически чистых железнодорожных контей-

Рис. 5. Магистральный грузовой электровоз переменного тока 2ЭС5

Рис. 6. Магистральный грузовой газотурбовоз rT1h-002

нерных перевозок необходимо, чтобы вся электрогенерация ТЭС, питающих железнодорожные контейнерные перевозки между Европой и Восточной Азией, осуществлялась на электростанциях, работающих на природном газе (рис. 7, 8).

Приведем средние удельные выбросы электростанциями в РФ с учетом современной структуры выработки электроэнергии и структуры электрогенерации экологически чистых железнодорожных контейнерных перевозок будущего [3] (табл. 5).

Удельные выбросы вредных веществ электростанциями, питающими электровозы при ведении поезда 6000 т из порта Ляньюньган до порта Усть-Луга, отнесенные к перевозке одного ТЕи, при использовании Северного или Центрального Евразийского железнодорожного коридора представлены в табл. 6.

Сопоставление морского и железнодорожного пути

Удельные выбросы вредных веществ рассматриваемыми видами транспорта по трем альтернативным маршрутам (по Северному или Центральному Евразийскому железнодорожному коридору, морским путем) перевозки контейнеров из Китая в Европу следующие (в числителе — значения, характеризующие современное состояние, в знаменателе — прогноз на будущее) (табл. 7).

В будущем возможно несколько сценариев изменения экологической составляющей контейнерных перевозок между Восточной Азией и Европой. Выбросы вредных веществ, приходящиеся на перевозку одного миллиона ТЕи морским и железнодорожным электрическим транспортом (электровозами), представлены на рис. 9.

На основании изложенного можно заключить, что при существующей инфраструктуре морских и железнодорожных контейнерных перевозок между Китаем и Европой:

• выбросы оксидов азота от электровозной тяги по сравнению с морскими перевозками в 14,6 раз ниже, т. е. на каждый миллион контейнеров приходится на 93 600 т меньше выбросов N0^

• выбросы оксидов серы от электровозной тяги по сравнению с морскими перевозками в 9,9 раз ниже, т. е. на каждый миллион контейнеров приходится на 65 950 т меньше выбросов S0X.

Таблица 3. Затраты энергии и топлива на перевозку контейнеров железнодорожным транспортом

Параметр При массе поезда, т

4200 6000

Количество 20-футовых контейнеров в поезде, шт. 116 166

Расстояние от порта Ляньюньган до порта Усть-Луга, км:

Северный коридор Центральный коридор 11 500 8445

Удельные затраты электроэнергии локомотивом на один ТЕи, (кВт-ч)/контейнер:

Северный коридор Центральный коридор 7535 5533 6949 5103

Удельные затраты электроэнергии по электростанции на один ТЕи, (кВт-ч)/контейнер:

Северный коридор Центральный коридор 8290 6086 7645 5613

Таблица 4. Выбросы вредных веществ с отработавшими газами газотурбовозами ГТ^ при перевозке контейнеров из Восточного Китая в Европу

Вредное Северный Евразийский Центральный Евразийский

вещество железнодорожный коридор, кг/ТЕи железнодорожный коридор

№х 13,2 9,7

0 0

Таблица 5. Удельные выбросы вредных веществ электростанциями в Российской Федерации

Вредное вещество Удельные выбросы вредных веществ, г/

электростанциями сейчас в будущем

на газе на мазуте на угле

№х 1,38 2,48 2,38 1,12 0,92

0,0014 6,0 15,9 1,21 0,00092

Таблица 6. Удельные выбросы вредных веществ электростанциями, питающими железнодорожные транзитные коридоры, отнесенные к перевозке одного ТЕи

Вредное вещество При современной структуре выработки электроэнергии в РФ, кг/контейнер При экологически чистых железнодорожных контейнерных перевозках будущего, кг/контейнер

Северный Центральный коридор коридор Северный коридор Центральный коридор

№х 9,4 6,9 7,7 5,6

10,0 7,4 0,008 0,006

Рис. 7. Современная структура выработки электроэнергии в России

Рис. 8. Структура электрогенерации экологически чистых железнодорожных контейнерных перевозок

Таблица 7. Удельные выбросы вредных веществ различными видами транспорта при перевозке контейнеров из Китая в Европу в настоящее время и в будущем

Вредное вещество Электростанции при питании электровозов, т/1 млн TEU Газотурбовоз TTlh при ведении поезда, т/1 млн TEU Морские контейнеровозы при перевозке грузов из порта Ляньюньган

Северный Центральный Северный Центральный до порта Гамбург, т/1 млн TEU

NOx 9400/7700 6900/5600 13 200/7700 9700/5600 100 500/61 500

sox 10 000/8 7400/6 0/0 0/0 73 350/45 000*; 15 700**; 7600***

Перевозки контейнеров локомотивами, работающими на природном газе, которые можно использовать на неэлектрифицированных участках железных дорог, также дают существенно меньшую нагрузку на окружающую среду по сравнению с морскими перевозками.

В будущем, после 2025 г., возможно ужесточение требований по содержанию серы в жидком топливе с 3,5 до 0,5 % [4]. В более отдаленной временной перспективе возможно увеличение тоннажности морских контейнеровозов и совершенствование их силовых установок, создание покрытий подводных поверхностей судов, практически исключающих их «обрастание». Примером можно считать показатели состояния нового контейнеровоза типа Emma Maersk вместимостью 11 000-14 770 TEU, работающего на топливе с содержанием серы не более 0,5 %. Из приведенных данных видно, что в обозримом будущем экологические характеристики морских контейнеровозов будут уступать экологическим характери-

стикам железнодорожного транспорта.

Железнодорожным контейнерным перевозкам можно придать новый импульс, если предложить проект экологически чистых перевозок. Для этого необходимо, чтобы вся электрогенерация железнодорожных перевозок осуществлялась с помощью ТЭС на природном газе, АЭС и ГЭС. Тогда даже при максимальном совершенствовании морских контейнеровозов и существенном повышении стоимости морских перевозок вследствие применения топлива с пониженным в семь раз содержанием серы при осуществлении контейнерных перевозок между Восточной Азией и Европой:

• выбросы оксидов азота от железнодорожной электровозной тяги по сравнению с морскими перевозками будут в 11 раз ниже, т. е. на каждый миллион контейнеров будет приходиться на 55 900 т меньше выбросов N0^

• выбросы оксидов серы от железнодорожной электровозной тяги по сравнению с морскими перевозками будут в 1267 раз ниже, т. е. на каждый мил-

Рис. 9. Выбросы вредных веществ, приходящиеся на перевозку одного миллиона TEU морским и железнодорожным электрическим транспортом, сегодня и в будущем

лион контейнеров будет приходиться на 7594 т меньше выбросов SOX.

Из результатов анализа экологической составляющей контейнерных перевозок между Восточной Азией и Европой следует, что с позиций глобальной экологической обстановки целесообразно осуществлять перевозки железнодорожным транспортом. С учетом экологического подхода к контейнерным перевозкам можно перенаправить грузопоток в Европу с морского транспорта на железнодорожный не только из Китая, но и из всей Восточной Азии.

Литература

1. Автомонова Л. Ю. Прогнозирование объемов контейнерных перевозок с использованием эконометрических моделей // Системн. анализ и логист. 2018. № 1 (16). С. 60-69.

2. Демьянцева Е. А., Шваб Е. А., Рехов-ская Е. О. Механизм образования и негативное влияние выбросов, содержащих оксиды азота // Молод. ученый. 2017. № 2. С. 231-234.

3. Коссов В. С., Редин А. Л., Оленцов А. А. Сравнительный анализ загрязнения атмосферы морским и железнодорожным транспортом при товарообмене между Восточной Азией и Европой // Вестн. ВНИКТИ. 2017. № 100. С. 108-115.

4. Руководство по инвентаризации выбросов ЕМЕП/ЕАОС 2009 (ред. 2013 г.) / Европейское агентство по окружающей среде. [Электронный ресурс] URL: https:// www.eea.europa.eu/ru/publications/ rukovodstvo-emep-eaos-po-inventarizacii/ chast-b-glavy-posvyaschennye-tehnicheskim-aspektam/1-energetika/1-a-szhiganie/1-a-3-d-mezhdunarodnoe (дата обращ. 14.11.2017).

5. Структура электроэнергетики в России / Санкт-Петербургский политехнический ун-т Петра Великого, кафедра атомной и тепловой энергетики. -URL: http://nnhpe.spbstu.ru/struktura-elektroenergetiki-v-rossii, свободный (дата обращ. 14.11.2017).