P – 451

Konstruiranje brodske opreme smanjene mase

Ivo Jerčić

Sveučilište u Splitu, Sveučilišni odjel za stručne studije, Split, Hrvatska

ijercic@oss.unist.hr

Marko Bilandžić

Adria Winch, Split, Hrvatska

bilandzic@adriawinch.com

Sažetak: U radu se analiziraju moguće posljedice za proizvođače brodske opreme od IMO rezolucije

MEPC.203(62) kojom je za većinu novih brodova obvezno ishođenje EEDI svjedodžbe („Certifikata

projektnog indeksa energetske učinkovitosti“). Od proizvođača brodske opreme zahtijevat će se

energetski učinkovitija oprema manje mase. Uspoređeni su najčešći pogoni brodske opreme po

različitim kriterijima, a zbog veće energetske učinkovitosti predviđa se sve veća uporaba reguliranih

elektromotornih pogona. Potreba smanjenja mase opreme zahtijevat će složenije tehničke proračune,

metode optimizacije, kao i zahtjevnije proizvodne tehnologije. U radu se ukazuje na moguće probleme

s kojima će se u budućnosti suočavati proizvođači brodske opreme. Povećani investicijski troškovi

„lake opreme“ bit će nadoknadivi nižim eksploatacijskim troškovima.

Ključne riječi: EEDI, GHG, konstruiranje, oprema broda, mala masa

1. Uvod

Neupitno globalno zatopljenje utječe na klimu i vremenske prilike na Zemlji. Najveći utjecaj

na globalno zatopljenje imaju emisije stakleničkih plinova koji su uglavnom posljedica

korištenja fosilnih goriva. Vlade velikog broja zemalja potpisale su Protokol iz Kyota čiji je

cilj smanjivanje emisije stakleničkih plinova (GHG). Nastavljanje povećavanja emisije

stakleničkih plinova dovelo bi do velikih, a za neke dijelove čovječanstva do katastrofalnih

posljedica. Na globalno zagrijavanje najviše utječe količina ugljikovog dioksida (CO2) u

atmosferi. Postoji znanstvena suglasnost o potrebi zadržavanja globalnog zatopljenja Zemlje u

granicama do 20C u odnosu na predindustrijsko razdoblje. Udio emisije CO2 različitih

djelatnosti u ukupnoj emisiji CO2 u godini 2007. prikazan je na slici 1, IMO (2009.).

Udio prometa u ukupnoj emisiji CO2 veći je od jedne četvrtine, Hayashi, Y., Morichi, S.,&

Rothengatter,W. (2015.). Najekonomičniji i energetski najučinkovitiji je brodski prijevoz. Iz

tog se razloga, prema podacima Međunarodne pomorske organizacije (International Maritime

Organisation, IMO), oko 90 % roba svjetske trgovine prevozi morima i zbog toga je brodski

prijevoz bitan čimbenik svjetske trgovine, razvoja i prosperiteta. Na slici 2 prikazana je

emisija CO2 za različite vrste brodova i transportnih sredstava, IMO (2009.) .

P – 452

Slika 1 Udio emisije CO2 različitih djelatnosti u ukupnoj emisiji CO2

Slika 2 Emisija CO2 za različite vrste brodova i transportnih sredstava

Brodovi u međunarodnoj plovidbi u 2012. godini, prema podacima IMO-a, IMO (2014.),

ispustili su 796 milijuna tona CO2, što iznosi oko 2.2 % ukupne emisije CO2 za tu godinu.

Zbog globalnog rasta, učinkovitosti i manjeg utjecaja na okoliš izvjestan je daljnji porast

brodskog prijevoza. Do 2050. godine predviđa se porast od 50 do 250 %, a sve zavisno o

općem ekonomskom rastu, energetskoj situaciji i politici.

Iako je brodski promet energetski najučinkovitiji, ulažu se napori da se smanji emisija CO2. U

tom cilju IMO izdvojio je tipove brodova koji su odgovorni za oko 80 % emisije CO2

pomorskog transporta i propisao obvezu smanjenja emisije CO2 za nove brodove te usvojio

ambiciozni operativni plan postupnog povećanja energetske učinkovitosti, odnosno smanjenja

emisije CO2 u tri koraka od po 5 godina. Za brodove isporučene od 2015. do 2019. smanjenje

je 10 %, od 2020. do 2024. iznosi 20 %, a za brodove isporučene poslije 2025. predviđa se

Međunarodni brodski promet

2,7%

Domaći brodski promet i ribarstvo

0,6% Međunarodno zrakoplovstvo

1,9%

Cestovni promet21,3%

Promet željeznicom

0,5%

Proizvodnja električne energije i topline35,0%

Proizvodne industrije i

graditeljstvo18,2%

Ostale energetske industrije

4,6%

Ostalo15,2%

P – 453

smanjenje emisije CO2 i do 30 %. Ostvari li se ova dinamika povećanja energetske

učinkovitosti brodova smanjit će se emisija CO2, poslije 2025., za približno 260 Mt godišnje.

Potrebna ulaganja u novi dizajn brodova i pratećih tehnologija vratit će se uštedama goriva u

iznosu od oko 75 Mt godišnje. Uzme li se da trgovački brodovi imaju životni vijek 25 do 35

godina za očekivati je da će poslije 2050. svi teretni brodovi u međunarodnom prometu

podlijegati zahtjevima energetske učinkovitosti.

Kao mjeru energetske učinkovitosti broda IMO utvrdio je „projektni indeks energetske

učinkovitosti“ (Energy Efficiency Design Index - EEDI) koji je definiran kao:

EEDI=Utjecaj na okoliš

Dobitak za zajednicu=

Emisija CO2

Transportni učinak (

g CO2

t ∙ milja)

i primjenjuje na teretne brodove bruto tonaže (GT) iznad 400, a koji se grade od 01. siječnja

2013., odnosno za brodove koji se predaju poslije srpnja 2015. EEDI svjedodžba je

obvezatna i brodovi moraju imati EEDI manji ili jednak zahtijevanom za tu vrstu i veličinu

broda.

Primjena EEDI se ne odnosi na brodove bruto tonaže ispod 400 i općenito na brodove koji

nisu namijenjeni prijevozu tereta, kao što su:

putnički brodovi, trajekti, cruiseri

Ro-ro teretni brodovi

tegljači

ribarski brodovi

radni brodovi

brodovi s električnim, hibridnom ili turbinskim porivnim sustavom.

Metodologija izračunavanja EEDI-a dana je u MEPC.1/Circ.681, a pojednostavljeno se može

sažeti u izraz:

EEDI=CF ∙ SFC ∙ P

Kapacitet ∙ vref gdje je:

𝑃 – 75 % nominalno instalirane snage brodskog vijka, kW

𝑆𝐹𝐶 - specifična potrošnja goriva, g/kWh

𝐶𝐹 - faktor konverzije potrošnje goriva u emisiju CO2, (𝐶𝐹 ≅ 3.15)

Kapacitet (DWT) – nosivost broda, t

𝑣𝑟𝑒𝑓 – brzina broda u čvorovima pri: najvećem gazu i velikoj dubini, bez utjecaja

vjetra i valova te pri snazi od 75 % nominalno ugrađene snage brodskog vijka, M/h

(=čvor)

U tijeku je široka rasprava o poboljšanju definicije EEDI-a, metodologiji izračunavanja,

Ančić, I., Šestan, A. (2015.), primjeni novih efikasnijih tehnologija te njegova primjena i na

preostale vrste plovila.

Osim EEDI-a obavezna je primjena „brodskog plana upravljanja energetskom učinkovitošću“

(Ship Energy Efficiency Management Plan, SEEMP), kojim se zahtijeva da novi i stari

brodovi imaju razvijen i primijenjen operativni plan koji maksimira efikasnost broda u službi.

Prema Second IMO GHG Study 2009 sama primjena SEEMP-a omogućava smanjenje emisije

CO2 sveukupne svjetske flote za 10 do 15 %. U Hrvatskoj ovo je uređeno Pravilima za

statutarnu certifikaciju pomorskih brodova, sprječavanje onečišćenja, NN 97/(2015.).

Suočeni s nastavkom globalnog zatopljenja moguće je očekivati i primjenu tržišnih

mehanizama u obliku trošarina na fosilna goriva, obaveznu primjenu energetski učinkovitijih

tehničkih rješenja itd.

P – 454

Povećanje energetske učinkovitosti brodovlja ima potporu vlada, industrijskih i strukovnih

udruga, kao i organizacija civilnog društva. Studijom IMO GHG Study Report 2009

procijenjena su moguća smanjenja emisije CO2 korištenjem poznatih tehnologija i prakse,

tablica 1.

Tablica 1 Procjene potencijalnih redukcija CO2 u brodarstvu koristeći poznate tehnologije i praksu

Smanjena emisija

CO2

g CO2 /tona milji Kombinirano Kombinirano

PROJEKT (novi brodovi)

Koncept, brzina, nosivost 2% ÷ 50%+

10% ÷ 50%+

25% ÷ 75%+

Brodska forma i nadgrađe 2% ÷ 20%

Snaga i porivni sustav 5% ÷ 15%

Gorivo s niskim sadržajem ugljika 5% ÷ 15%*

Energija iz obnovljivih izvora 1% ÷ 10%

Redukcija CO2 iz ispušnih plinova 0%

SLUŽBA (svi brodovi)

Upravljanje flotom, logistika i poticaji 5% ÷ 50%+

10% ÷ 50%+ Optimizacija plovidbe 1% ÷ 10%

Upravljanje energijom 1% ÷ 10%

Napomena: + smanjenje na ovu razinu zahtijeva smanjenje brzine * ekvivalent CO2 temeljen na uporabi LNG

Izvor podataka: IMO GHG Study Report 2009

Razvidno je kako se najveći potencijal za smanjenje emisije CO2 nalazi u konceptu broda,

brzini i nosivosti broda. Ostale mogućnosti su:

smanjenje ugrađene snage pogonskih strojeva zahvaljujući poboljšanju forme broda,

smanjenju otpora i poboljšanju efikasnosti brodskog vijka

smanjenje specifične potrošnje goriva zahvaljujući poboljšanju stupnja korisnog

učinka motora

povećavanje brzine broda bez povećanja snage poriva

uporaba goriva – izvora energije s manjim sadržajem ugljika, npr. ukapljeni prirodni

plin (LNG)

koristiti obnovljive izvore energije

povećavanje nosivosti broda (DWT) smanjujući masu broda i brodske opreme.

Optimizirajući uporabu trgovačke flote i brodovlja (SEEMP) moguće je već sada smanjenje

emisije CO2 i bez ulaganja u nove energetski efikasnije brodove. Optimizacija treba

obuhvatiti: ukrcaj i iskrcaj tereta, rute i plan putovanja, brzinu plovidbe, balast, učinkovito

održavanje broda, obuku itd.

U cilju postizanja planiranih smanjenja emisije stakleničkih plinova (GHG) i zadovoljenja

zahtjeva za energetskom učinkovitošću i od proizvođača brodske opreme zahtijevat će se

oprema visoke energetske učinkovitosti, a male mase.

P – 455

Za brodove specijalne namjene, koji za sada nisu obvezni ispunjavati zahtjeve EEDI-a

(tegljači, ledolomci, ribarski brodovi, jaružala, spasilački brodovi, istraživački brodovi)

također će se zahtijevati brodska oprema visoke energetske učinkovitosti sa što manjim

utjecajem na okoliš.

Usvojeni plan smanjenja emisije CO2 (30 % poslije 2025.) vrlo je ambiciozan. Za ostvarenje

plana potrebna je međunarodna suradnja na svim razinama, edukacija odgovarajućih

stručnjaka, nova inovativna rješenja i tehnologije, korištenje obnovljivih izvora energije.

2. Energetski učinkovita brodska oprema

Učinkovita je ona brodska oprema čiji su pogoni energetski učinkoviti, tj. imaju visok stupanj

korisnog učinka, odgovarajući životni vijek, malu masu. Mala masa opreme omogućava

prijevoz veće količine korisnog tereta, povećava ekonomsku efikasnost, smanjuje potrošnju

neobnovljivih resursa, poboljšava dinamičko ponašanje opreme.

2.1 Energetski učinkoviti pogoni brodske opreme

Za pogon brodske opreme i prijenos energije primjenjuju se u pravilu hidraulički i

elektromotorni pogoni.

Hidraulički pogoni se mogu podijeliti na:

elektro-hidrauličke pogone

hidrauličke pogone.

Elektro pogoni su najčešće indukcijski motori izmjenične struje (AC) i to:

jednobrzinski elektromotori

višebrzinski - polno preklopivi elektromotori

AC indukcijski motori napajani preko pretvarača frekvencije – regulirani

elektromotorni pogoni.

Elektro-hidraulički pogon (EHP) se sastoji od: jednobrzinskog AC elektromotora, hidrauličke

pumpe, spremnika hidrauličkog ulja, hidromotora, upravljačkog elementa za promjenu brzine,

sustava kočenja i hladnjaka hidrauličkog ulja, pri čemu jedna pumpa napaja samo jedan

hidromotor. Radi veće energetske učinkovitosti pumpa i hidromotor u pravilu rade u

zatvorenom hidrauličkom krugu, tzv. hidrostatički prijenosnici.

Hidraulički pogon (HP) je sličan elektro-hidrauličkom, s tim da jedan hidraulički agregat

(elektromotor, hidraulička pumpa, spremnik hidrauličkog ulja, kontrolna oprema, hladnjak)

napaja više hidromotora.

Regulirani elektromotorni pogon (REP) tvore: AC indukcijski elektromotor, pretvarač

frekvencije, enkoder, kočni otpornici s hladnjakom i prijenosnik čiji je izlazni moment

usporediv s momentom hidromotora. Umjesto otpornika za kočenje može se primijeniti

frekvencijski pretvarač s regenerativnim modulom koji generiranu električnu energiju vraća u

mrežu.

Usporedit će se opisani elektro-hidraulički, hidraulički i regulirani elekomotorni pogon. Kao

kriteriji usporedbe će se uzeti:

potrebna tlocrtna površina, obujam i masa

energetska efikasnost, odnosno stupanj korisnog učinka

pouzdanost pogona

potrebno održavanje

investicijski troškovi

P – 456

upravljanje brzinom vrtnje i okretnim momentom

potreba za grijanjem i hlađenjem

utjecaj pogona na okoliš

rad pogona u ekstremnim klimatskim uvjetima.

2.1.1 Usporedba tlocrtne površine, zapremnine i mase različitih pogona

REP nema potrebu za hidrauličkom pumpom, spremnikom ulja, hidrauličkim cijevima i

armaturom. Hidraulički cjevovodi, pribor i spojni elementi zamjenjuju se električnim

kabelima koji zauzimaju manje prostora i imaju manju masu. Hidraulička pumpa i spremnik

zamjenjuju se frekventnim pretvaračem koji ima znatno manji obujam i masu. Nedostatak

REP-a je što elektromotor i prijenosnik imaju veći obujam i masu u usporedbi s

hidromotorom jednakog momenta. Usporedba različitih pogona prikazana je u tablici 2.

Tablica 2 Usporedba različitih pogona po površini, obujmu i masi

Potrebna tlocrtna površina

i obujam na palubi

Masa na palubi Ukupni obujam

sustava

Ukupna masa

sustava

REP

EHP

HP

Napomena: Ukupni volumen i ukupna masa sustava uključuje i cjevovode, fitinge, hidrauličke agregate, električne kabele,

elektroormare.

2.1.2 Usporedba potrošnje energije, odnosno stupanja korisnog učinka

Stupanj korisnog učinka REP-a uključuje stupanj korisnog učinka frekvencijskog pretvarača,

elektromotora i mehaničkog prijenosnika, a iznosi između 75 do 85 %, ovisno o veličini

elektromotora, vrsti prijenosnika i opterećenju. U slučaju primjene frekvencijskog pretvarača

s regenerativnim modulom moguće je u slučajevima kočenja vraćati generiranu električnu

energiju u mrežu pa su zato osobito energetski učinkoviti kod vitala dizalica koje češće

spuštaju nego podižu teret (regenerativno kočenje) i velikih ribarskih vitala.

Stupanj korisnog učinka EHP-a uključuje stupanj korisnog učinka elektromotora, pumpe i

hidromotora. Zbog mehaničkih i volumetričkih gubitaka u pumpi i hidromotoru stupanj

korisnog učinka u odnosu na REP je za 20 do 25 % manji, a što ovisi o tipu pumpe i

hidromotora, radnom tlaku, brzini vrtnje. Stupanj korisnog učinka EHP-a koji se koriste u

brodskoj opremi je od 55 % do 70 %.

HP-a kojih je više na jednom hidrauličkom agregatu imaju manji stupanj korisnog učinka

prvenstveno zbog pumpe koja održava najveći tlak koji odgovara samo jednom od pogona.

Ovisno o konfiguraciji hidrauličkog sustava i broja hidromotora stupanj korisnog učinka je od

20 do 30 % manji u odnosu na EHP i iznosi od 35 % do 60 %.

2.1.3 Usporedba po kriteriju pouzdanosti rada pogona

Hidraulički pogoni se uspješno koriste desetljećima na različitim tipovima brodova u

ekstremnim radnim uvjetima. Primjenom hidroakumulatora moguće je jednostavno

izvršavanje sigurnosnih funkcija u kritičnim situacijama (blackout). Za REP nema još

P – 457

dovoljno podataka o učestalosti i vrsti otkaza. Zbog manjeg broja pokretnih dijelova u sustavu

REP bi mogli biti u prednosti. S druge strane, nepovoljni radni i klimatski uvjeti (vibracije,

velika vlaga, sol u zraku) ne idu na ruku elementima energetske elektronike.

2.1.4 Usporedba po kriteriju zahtjevnosti održavanja pogona

Nadzor i upravljanje REP-ovima na brodu zahtijevaju specijaliziranu stručnu osobu koja

može utvrditi i riješiti probleme ovih pogona. Za osiguravanje funkcionalnosti sustava i brzo

vraćanje u funkciju u slučaju otkaza potrebna je i vanjska podrška i to vjerojatno najpovoljnije

od proizvođača opreme. Dodatni nedostatak REP-a je potreba velikog broja pričuvnih

dijelova. Kod hidrauličkih pogona održavanje je jednostavnije, potreban je manji broj

pričuvnih dijelova. Prednost REP-a znatno je manje preventivno održavanje, koje se sastoji

uglavnom od inspekcijskih pregleda. EHP i HP zahtijevaju veći opseg preventivnog

održavanja, koje uključuje provjeru eventualnog propuštanja hidrauličkog ulja, zamjenu

hidrauličkog ulja, filtera, fleksibilnih crijeva te ispiranje hidrauličke instalacije. Usporedba

pogona sa stajališta zahtjevnosti održavanja dana je u tablici 3.

Tablica 3 Usporedba pogona sa stajališta zahtjevnosti održavanja

REP EHP i HP

Rutinsko održavanje minimalno značajno veće

Preventivno održavanje minimalno značajno veće

Utvrđivanje kvarova i

popravci

dulje vrijeme otklanjanja

kvara

specijalizirana znanja i

obuka

lakše otklanjanje kvara

poznate tehnologije

Pričuvni dijelovi manje potrošnog materijala

veća količina pričuvnih

dijelova

ograničenje na određene

dobavljače

mogući dobavljači širom

svijeta

mogu se koristiti pričuvni

dijelovi drugih sustava

Potrebna podrška vanjska (proizvođača) uz

dodatne troškove

unutarnja potpora u

organizaciji

2.1.5 Upravljanje brzinom vrtnje i okretnom momentom

REP mogu osigurati upravljanje brzinom vrtnje i okretnim momentom motora u širokom

rasponu. Područje brzina vrtnje je od 2 % do 100 % najveće brzine uz puni moment, čak i pri

nultoj brzini vrtnje. EHP koji rade u zatvorenom hidrauličkom krugu mogu osigurati slične

radne karakteristike kao REP.

2.1.6 Potreba za grijanjem i hlađenjem

Glavni problem REP-a na brodu je hlađenje. Hlađenje zrakom puno je nedostataka osobito pri

malim brzinama vrtnje. Temperatura zraka može varirati od -400 do +450C. Za hlađenje pri

malim brzinama koriste se neovisno pogonjeni ventilatori. Za motore veće snage preferira se

vodeno hlađenje. Za sprječavanje kondenziranja vode u namotima motora potrebni su

električni grijači.

Hidraulički prijenosnici mogu imati hidraulički agregat u nadziranim radnim uvjetima u

potpalublju. Hidraulička oprema smještena na palubi, pri niskim temperaturama, radi

održavanja viskoznosti hidrauličkog ulja u radnom području zahtijeva grijače ili treba imati

optok toplim hidrauličkim uljem, a što znatno poskupljuje izvedbu i povećava eksploatacijske

troškove.

P – 458

2.1.7 Utjecaj različitih pogona na okoliš

Moguća propuštanja hidrauličkog ulja predstavljaju ekološku opasnost i sigurnosni problem

za posadu. U slučajevima gdje rizici ispuštanja hidrauličkog ulja u okoliš nisu prihvatljivi

(npr. ekološki zaštićena područja, live fish carrieri, fish farming) koriste se biorazgradiva i

jestiva ulja. Staro hidrauličko ulje, filtri i sredstva za čišćenje trebaju biti zbrinuti na propisani

način. Zbog pulsiranja tlaka u sustavu javljaju se vibracije cjevovoda, odnosno hidraulički

prijenosnici su bučniji. REP-ovi su po ovom kriteriju bez sumnje u prednosti. Rezultati

usporedbe pogona zbirno su dani u tablici 4.

Tablica 4 Usporedba pogona brodske opreme po različitim kriterijima

Kriterij usporedbe REP EHP HP

Obujam i masa pogona dobro loše zadovoljavajuće

Stupanj korisnog učinka vrlo dobro dobro loše

Pouzdanost rada pogona vrlo dobro vrlo dobro vrlo dobro

Zahtjevnost održavanja zadovoljavajuće vrlo dobro vrlo dobro

Investicijski troškovi visoki srednji niski

Upravljanje brzinom i momentom vrlo dobro vrlo dobro zadovoljavajuće

Potreba za grijanjem i hlađenjem dobro dobro vrlo dobro

Rad u ekstremnim klimatskim uvjetima vrlo dobar loš zadovoljavajući

Utjecaj na okoliš vrlo mali srednji velik

Zbog prednosti REP-ova u odnosu na EHP i HP po značajnim kriterijima kao što su: manji

obujam i masa, bolji stupanj korisnog učinka, jednostavno upravljanje brzinom i momentom,

mogućnost rada u ekstremnim klimatskim uvjetima, mali utjecaj na okoliš, razumno je

pretpostaviti da će se oni u buduće preferirati u pogonima brodske opreme. Osim za brodsku

opremu regulirani elektromotorni pogoni mogu se očekivati i u drugim područjima npr. kod

pogona za dinamičko pozicioniranje broda. Dodatno povećanje korisnog učinka i dinamike

pogona može se postići primjenom motora s permanentnim magnetima.

3. Brodska oprema smanjene mase

Proizvođači brodske opreme dizajniraju proizvode na način da ispunjavaju funkciju u

očekivanom životnom vijeku, zadovolje važeće propise i pravila klasifikacijskih društava,

nastojeći pri tome minimizirati proizvodne troškove.

Na proizvodne troškove primarno utječe koncept, geometrija, količina i vrsta materijala te

proizvodne tehnologije.

Masa proizvoda koji ispunjava funkciju, uvjete sigurnosti, pouzdanost, životni vijek, a pri

tome zadovoljava sve propise i pravila klasifikacijskih društava utječe na proizvodne troškove

prema slici 3.

Temeljem proračuna, ispitivanja i iskustva proizvođači brodske opreme masu brodske opreme

drže u području koje im omogućava postizanje najmanjih proizvodnih troškova, a s tim i

kupcu najmanje investicijske troškove.

Povećavanjem mase opreme iznad troškovno optimalne (područje „teške opreme“ na slici )

proizvodni troškovi lagano rastu. Proizvoditi opremu koja po masi spada u ovo područje nema

tehničkog ni ekonomskog smisla. Proizvode je proizvođači koji se u nedostatku pouzdanih

proračuna osiguravaju „debljinom materijala“ ili se ne odriču starih „teških“ rješenja koji još

uvijek prolaze kod kupaca.

P – 459

Slika 3 Ovisnost proizvodnih troškova o masi opreme

Smanjenjem mase opreme ispod troškovno optimalne (područje „lake opreme“) povećavaju

se eksponencijalno razvojni i proizvodni troškovi. Razlozi povećanja troškova su veći udio

inženjerskog i visokostručnog rada, složeniji proračuni, zahtjevnije oblikovanje, primjena

materijala veće čvrstoće i lakših materijala bitno veće cijene, duži, složeniji i skuplji

tehnološki postupci, skuplji alati, složeniji postupci osiguravanja kvalitete i ispitivanja

proizvoda. U ovom području nalazi se oprema specijalnih plovila gdje manja masa opreme

povećava uporabna svojstva, kao što su ratni brodovi, plovila velike brzine, brodovi za sport i

razonodu te općenito oprema kopnenih vozila i zrakoplovna tehnika.

Neizbježni dodatni troškovi za smanjenje mase opreme su općenito manji kada se smanjenje

mase postiže boljim konceptom i oblikovanjem, a bitno su veći kada se smanjenje ostvaruje

primjenom novih, lakših materijala i tehnologija.

Izrada troškovnog modela proizvodnih troškova o masi opreme složen je zadatak i ovisi o

osposobljenosti proizvođača te tehnologija koje su mu na raspolaganju, Wiedemann, J.

(2007.). Proizvođači brodske opreme u pravilu ne razmatraju troškove u životnom vijeku

opreme, a naročito ne indirektne troškove nastale kao posljedica smanjenja nosivosti broda i

veće potrošnje goriva. Težeći najmanjim proizvodnim troškovima opreme, troškovi se

prebacuju na kasnije faze životnog ciklusa (pogonski troškovi, troškovi održavanja, troškovi

recikliranja). Rijetko se uzima u obzir utjecaj pojedinih koncepcijskih rješenja i

konstrukcijskih izvedbi opreme na emisiju stakleničkih plinova. Obaveza zadovoljenja EEDI-

a navest će i proizvođače brodske opreme da promijene pristup pri razvoju opreme.

Smanjenje mase opreme povećava troškove proizvodnje, ali s druge strane rezultira:

smanjenjem eksploatacijskih troškova zbog manjeg utroška energije

većom nosivošću broda

manjom emisijom stakleničkih plinova.

Smanjenje mase brodske opreme, odnosno dodatna ulaganja u „laku opremu“ moraju imati

opravdanje u višoj uporabnoj vrijednosti proizvoda, odnosno moraju biti isplativa u životnom

vijeku opreme.

Masa opreme

Pro

izvo

dn

i tr

oškovi

"Teška oprema"

Optimalna

"Laka oprema"

masa opreme

P – 460

4. Razvoj i proizvodnja lake brodske opreme

Za razvoj i proizvodnju lake brodske opreme ključno je poznavanje opterećenja (djelovanja)

po intenzitetu i učestalosti, a koja se mogu očekivati u životnom vijeku opreme. Za veliki broj

brodske opreme nema dostupnih podataka. Klasifikacijska društva propisuju opterećenja za

opremu koja se smatra sigurnosnom. Iskustva su proizvođača opreme da su ponekad ta

opterećenja podcijenjena, npr. sidrena vitla za velike riječno-morske brodove. Za vitla radnih

brodova kao jaružala, tegljača, ribarskih i istraživačkih brodova nema pouzdanih podataka.

Opterećenja često zavise i o načinu kako se oprema koristi. Primjenom REP-a mogu se,

razmjerno jednostavno i uz minimalne dodatne troškove, dobiti spektri opterećenja opreme

koja se koristi, a što bi bila dobra osnova za daljnja poboljšanja.

Za razvoj lake konstrukcije bitno je poznavati pomake i raspodjelu naprezanja gotovo u svim

točkama konstrukcije pa je nužna primjena suvremenih analitičkih i numeričkih metoda

proračuna čvrstoće, krutosti, elastične stabilnosti i zamora. Optimizacija mehaničkih

struktura postat će nezaobilazan dio tehničkih proračuna, Schumacher, A. (2013.).

Potrebno je izabrati odgovarajući koncept koji će omogućiti pouzdano funkcioniranje opreme

u uvjetima povećanih pomaka nosive konstrukcije, a koji su posljedica većih naprezanja ili

primjene materijala manjeg modula elastičnosti.

Lake konstrukcije izvode se od tanjih limova veće čvrstoće pa je oblikovanje konstrukcije

bitno zahtjevnije. Povećava se opasnost pojave zaostalih naprezanja te distorzije konstrukcije.

Potreba smanjenja mase opreme dovest će do potrebe integracije više dijelova različitih

funkcija u jedan složeniji dio.

Izbor materijala veće čvrstoće (čelici povišene čvrstoće) direktno će smanjiti masu opreme.

Veća prosječna naprezanja povećat će elastične pomake, a porast će i lokalna naprezanja.

Brodska oprema je najčešće dinamički opterećena pa je proračun zamora materijala od

najveće važnosti.

Izbor lakših materijala (aluminijske i titanove legure, kompozitni materijali) otvorit će

probleme spajanja različitih materijala, elektrokemijske korozije, potrebu galvanskog

izoliranja različitih materijala, degradacije materijala, puzanja materijala.

Koristit će se strukturno lakši konstrukcijski elementi (tankostijeni profili, sendvič ploče itd.).

Nove proizvodne tehnologije i tehnike spajanja (lasersko rezanje i zavarivanje, lijepljenje,

savijanje) tražit će posebnu pažnju inženjera konstruktora i opsežnije postupke ispitivanja.

S druge strane brodska oprema male mase u eksploataciji će iziskivati češće inspekcije i

eventualne popravke. Iz ovih razloga treba oblikovati konstrukciju tako da su vitalni dijelovi

dostupni za pregled nerazornim metodama te da su predviđeni i propisani postupci popravaka.

Dugoročni utjecaji konstrukcije na okoliš i okoliša na konstrukciju zahtijevaju obraćanje

posebne pažnje površinskoj zaštiti, otpornosti protiv korozije, jednostavnosti recikliranja,

utjecajima na okoliš pri otkazu ili pri katastrofalnim otkazima npr. pri potonuću opreme. Dok

je oko 70 % aluminija u uporabi prethodno reciklirano, problem učinkovitog recikliranja

kompozitnih materijala veliki je izazov.

5. Troškovni model lake konstrukcije

Cilj je, uz zahtjeve koji se postavljaju na opremu, razviti i proizvesti konstrukciju smanjene

mase uz zadržavanje životnog vijeka, sigurnosti i pouzdanosti opreme. Snižavanje težine

opreme ne može biti cilj sam po sebi. Od najveće je važnosti izgraditi odgovarajuće modele

„troškovi – masa konstrukcije“ za različite vrste brodske opreme, Bronner, A. (2008.).

Optimalno rješenje može se postići samo sveobuhvatnim pristupom koji obuhvaća:

troškove razvoja

P – 461

troškove materijala

troškove proizvodnje

troškove ispitivanja

pogonske troškove

troškove pregleda, održavanja i popravaka

troškove recikliranja, oporabe ili odlaganja.

Za određivanje optimalne mase opreme, troškovima razvoja i proizvodnje prikazanih na slici

3, potrebno je pribrojiti eksploatacijske troškove. Radi pojednostavljenja modela pretpostavit

će se da su troškovi brodske opreme u eksploataciji srazmjerni njenoj masi (veća masa

opreme, a manji korisni teret), slika 4.

Te=k∙m

Koeficijent proporcionalnosti eksploatacijskih troškova o masi opreme k ($/t) može se dobiti

kao omjer prihoda broda i njegove nosivosti (DWT).

Slika 4 Ovisnost optimalne mase i proizvodnih troškova od eksploatacijskih troškova opreme

Ukupni troškovi su sad: T(m)=Tp(m)+km

a imat će svoj minimum za masu opreme koja ispunjava uvjet:

T'(m)=Tp' (m)+k=0

odnosno

Tp' (m)= -k

Masa opreme za koju su ukupni troškovi minimalni je apscisa dirališta (E) tangente s

koeficijentom smjera (–k) na krivulju proizvodnih troškova, slika 4. Uzimajući u obzir i

eksploatacijske troškove, optimalna masa opreme se tako pomiče u područje „lake opreme“.

Povećavanjem faktora proporcionalnosti eksploatacijskih troškova s masom opreme,

optimalna masa dublje ulazi u područje „lake opreme“.

Pro

izvo

dni tr

oško

vi

Proizvodni troškovi

E

Eksp

loa

tacijs

ki tr

oškovi

tg=-k

Optimalna masa za min.

proizvodne troškove

Eks

plo

ata

cijs

ki tro

škovi

: T

e =

k m

P

Optimalna masa

opreme

Pomak

optimuma

Masa opreme m

P – 462

6. Zaključno

IMO–ov Odbor za zaštitu pomorskog okoliša (MEPC) usvojio je rezoluciju MEPC.203(62)

kojom je za nove brodove bruto tonaže iznad 400 obvezno ishođenje EEDI svjedodžbe

(Potvrde o projektnom indeksu energetske učinkovitosti) te za sve brodove (nove i stare)

primjena Brodskog plana upravljanja energetskom učinkovitošću (SEEMP). Namjera je

smanjiti emisiju stakleničkih plinova brodovlja u međunarodnoj plovidbi. Za očekivati je

obveznu primjenu EEDI-a i za brodove koji su do sada bili izuzeti. Od proizvođača brodske

opreme zahtijevat će se energetski učinkovitija oprema manje mase. Iz razloga energetske

učinkovitosti i male mase, u brodskoj se opremi predviđa sve veća uporaba reguliranih

elektromotornih pogona. Potreba smanjenja mase opreme zahtijevat će složenije tehničke

proračune, metode optimizacije, kao i proizvodne tehnologije. Povećani investicijski troškovi

„lake opreme“ nadoknadit će se nižim eksploatacijskim troškovima. Novi izazovi koje donosi

potreba zaustavljanja globalnog zagrijavanja prilika su za nove tvrtke da se na vrijeme uključe

u rješavanje problema koji se naziru. Pri ovom je nužna međunarodna suradnja i potpora

društvene zajednice, kako bi se uključili znanstveni potencijali te educiralo odgovarajuće

stručnjake.

REFERENCES

Ančić, I., Šestan, A., & Vladimir, N. (2015). Influence of required EEDI reduction factor

application on general cargo ships GHG emissions. In Towards Green Marine Technologyand

Transport (pp.777-781).

Bronner, A. (2008.). Angebots und Projektkalkulation. Springer.

Hayashi, Y., Morichi, S.,& Rothengatter,W. (2015.). Intercity Transport and Climate

Change. Springer.

IMO (2009.). Second IMO GHG Study 2009. International Maritime Organization (IMO)

London, UK.

IMO (2014.). Third IMO GHG Study 2014. International Maritime Organization (IMO)

London, UK.

NN 97/2015 Pravila za statutarnu certifikaciju pomorskih brodova, sprječavanje onečišćenja.

Wiedemann, J. (2007.). Leichtbau. Berlin Heidelberg. Springer-Verlag.

Schumacher, A. (2013.). Optimierung mechanischer Strukturen. Vieweg+Teubner Verlag

Design of marine lightweight equipment

Ivo Jerčić

University of Split, University Department of Professional Studies, Split, Croatia

ijercic@oss.unist.hr

Marko Bilandžić

Adria Winch, Split, Croatia

bilandzic@adriawinch.com

Abstract. The paper gives analysis of the possible consequences for manufacturers of marine

equipment of IMO resolution MEPC.203(62) which is for most new ships mandatory to obtain EEDI

certificate ( "Energy Efficiency Design Index" ). More energy efficient equipment with lower weight

will be required of marine equipment manufacturers. According to different criteria the most common

P – 463

plants of marine equipment were compared, and because of higher energy efficiency a wider use of

regulated electric drives is predicted. The need for weight reduction of the equipment will require

more complex technical calculations, optimization methods, as well as more demanding

manufacturing technologies. The paper points to possible problems that the marine equipment

manufacturers will face in the future. Increased investment costs of "light equipment" will be

compensated with lower exploitation costs.

Key words: EEDI, GHG, design, ships equipment, lightweight