Optimal ruttplanering med hänsyn till miljön Sandor Kiss Johan Stillman RAPPORT I MARIN MILJÖ 2p Sjöfart och marin teknik Handledare: Göran Tibblin CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg, Sverige 2005
Innehållsförteckning INNEHÅLLSFÖRTECKNING 2 INLEDNING 3 BUNKER ETT PROBLEM 4 PÅVERKAN PÅ BUNKERFÖRBRUKNINGEN 6 TILLGÄNGLIGA HJÄLPMEDEL FÖR EN NAUTIKER 8 SVALLVÅGOR FINT ELLER FÖRÖDANDE? 10 OPTIMERING AV FARTYGETS FRAMFÖRANDE 13 SAMMANFATTNING 15 LITTERATURFÖRTECKNING 16 BILAGOR 17 2
Inledning Under oljekrisen på sjuttiotalet var alla redare väldigt försiktiga med åtgången av bunker, vilket var bra för miljön. Men var det med tanke på miljö, eller kanske snarare ekonomi? Detta är något som nu förändras, sakta men säkert. Men det är inte bara genom att minska bunkerförbrukningen som man kan minska miljöpåverkan, utan även genom att välja en mer lämplig rutt. Dels genom att ha ett tillräckligt djup under fartyget för att kunna utnyttja maskineriet optimalt, och dels med tanke på åverkan i skärgårdar. Det finns också många alternativa vägar via t.ex. kanaler och liknande, som sparar bunker. Det största problemet idag är att besättningen inte vet att de kan göra en skillnad, de vet inte heller hur de ska göra. Detta är ett problem ingen hittills har belyst eller lagt ner energi i. En sån enkel sak som försenad avgångstid betyder högre bränsleförbrukning, men också mer slitage på maskin, övertid och högre hamnkostnader. Det nuvarande höga priset för bunker har faktiskt en fördel vilket är att fler redare har börjat ändra ståndpunkt och börjat fundera hur man kan sänka kostnaderna samtidigt, något som i detta fall innebär att man värnar om miljön. Syftet med detta arbete är att själva förstå sambandet mellan de faktorer vi själva kan påverka i vårt framtida yrke som befäl, samt att få läsaren att börja fundera på och intressera sig för ämnet för att kunna dra sitt strå till stacken. Ämnet är fruktansvärt viktigt, inte bara i framtiden utan även idag, både med tanke på vår känsliga miljö och dessutom de för närvarande höga bunkerpriserna. Är det kanske möjligt att göra en ekonomisk vinst samtidigt som det gagnar miljön? Välkommen till framtiden! Göteborg 2005-10-05 3
Bunker ett problem Ett fartyg drivs, som vi alla vet, av bunkerolja som förbränns i en maskin. Mer i hur detta fungerar ska vi inte gå in på, men vi ska däremot gå in på innehållet i bunkern, och vad som händer i miljön efter förbränningen. Totalt förbrukas c:a 150 miljoner ton bunker varje år, det är alltså en ganska stor vinst man kan göra genom att minska den totala förbrukningen. Vad består bunkerolja av? Den vanligast förekommande oljan kallas tjockolja, p.g.a. dess konsistens. Den är extremt trögflytande vid rumstemperatur och man kan i många fall gå på den. Oljan måste därför hållas varmt för att kunna pumpas in till maskinen och förbrännas. Oljan består av ett antal komponenter som blir kvar efter att den ursprungliga råoljan har destillerats (raffinerats). Det som återstår är då ett antal ämnen med en kokpunkt mellan 350 och 650 O C. Dessa ämnen har kolkedjor på mellan 20 och 50 kolatomer. Det ingår även svavel, kväve och syre i denna blandning. Detta blandas sedan med olika destillat för att få en viskositet som passar för marinmotorer. Denna blandning är allmänt känd som skiten som blev över. Svaveldioxider I råoljan finns mellan 0,1 % och 6 % svavel. Normalt finns ungefär 3 % svavel i bunkeroljan när fartyget får den. Vill man ha lägre svavelhalt måste detta göras efter destilleringen. Man kan även hantera svavlet i fartygets maskiner, något vi inte går in på här. Något vi däremot direkt vet, det är att om vi minskar bunkerförbrukningen så minskar också mängden svavel vi släpper ut. 4
Men varför är svavel dåligt för miljön? Anledningen är att svavlet under förbränningen i maskin bildar en förening med syre kallad svaveldioxid. Detta ämne bildar svavelsyra när det kommer i kontakt med vatten, t.ex. i havet, i en sjö eller vid regn. Det blir då ett försurande ämne. Hamnar det i naturen så orsakar det läckage av näringsämnen i marken, och rubbningar i ekosystemet. Ett exempel är en försurad sjö, där många arter kan ha slagits ut och sjön tagits över av några få men starka arter, t.ex. vitmossor och grönalger. CO 2 Ett annat ämne som är farligt för miljön är koldioxid. Det finns inte naturligt utan är också det en förening som uppkommer i maskinen under förbränning. Problemet är att koldioxiden sprids i atmosfären och påskyndar växthuseffekten, som inte behöver förklaras närmare. Kväveoxider Även kväve bildar, i likhet med svavel, en förening med syre under förbränningen, och blir då kväveoxid. Men i skillnad till svavel så finns kvävet i den luft som tillförs maskinen. I form av kvävgas är ämnet inte lika farligt, men i form av kväveoxid är det ett försurande ämne som påverkar miljön på liknande sätt som svaveloxider. Dessutom bidrar kväveoxiderna, i kombination med kolväten och solljus, till bildandet av marknära ozon. 5
Påverkan på bunkerförbrukningen Väder & vind En enkel formel att komma ihåg är om det blåser 15 m/s med fartyget styrandes rakt mot vinden är det samma som 2 knops motström. Med andra ord, om fartyget gör 12 knop och det blåser 15 m/s så kommer FÖG att vara 10 m/s. Detta skiljer sig mellan olika fartyg men alla påverkas. Friktion Ett motstånd som också bromsar fartygets framfart är friktionen av vattnet längs fartygsskrovet samt vattnet som först skjuts bort från fartyget, för att sedan sugas tillbaka till fartyget. Detta motstånd finns hela tiden då fartyget är i rörelse. Denna aspekt kan man tyvärr inte göra något åt som styrman men skall dock veta om den. Dessa problem löses på ritbordet samt genom modellförsök i en vattenränna. Vattentemp Vattentemperaturen har en viss påverkan på farten. Ett fartyg i varmare breddgrader kan få problem med kylningen av huvudmaskin. Detta leder till att man inte kan plocka ut lika hög effekt. Fördelen är dock att friktionen är mindre i varmare vatten än i kallare. Ström och tidvatten Ström förekommer i nästan alla vatten. Strömmarnas riktning och styrka bestäms av vattendjupet, havsbottens utformning, landformerna och vattenståndet. Strömmen är ett element som i högsta grad påverkar farten, den kan mycket snabbt växla om från motström till medström. Den vinddrivna strömmen skapas av vinden och brukar uppgå till 1-2 % av vindhastigheten. Exempelvis så medför 10 m/s en ström på 0,5 knop. 6
Det finns även permanenta strömmar ute i våra hav, som inte varierar så mycket. Några exempel är golfströmmen, floridaströmmen, karibiska strömmen m.fl. Tillgängligt vattendjup Skillnaden mellan att ha t.ex. fem eller sju meter under kölen, kan i vissa fall göra upp till en knops skillnad, något man märker omedelbart. Djupet kan påverka farten i så mycket som tio gånger djupgåendet. Det betyder att om du har ett djupgående på åtta meter så kan ett djup ner till 80 meter påverka farten. Vid grunda vatten bildas det undertryck (squat) under fartyget som drar ner fartyget upp till två meter, beroende på hastighet, storlek och skovform. Bottenmålning En stor syndabock vid fartförluster är beväxning av fartygsbotten. Ökad beväxning ökar friktionen. Målning sker under varvsbesök med antibeväxningsmedel 1. Saker som påverkar utbredningen av beväxningen beror bl a. på: o I vilka vatten fartyget opererar i. o Typ av färg. o Vilka farter som fartyget håller. o Hur länge fartyget ligger vid kaj. o Tid mellan varvsbesök. o Hur långa sjöresor man gör. 1 Antifouling 7
Tillgängliga hjälpmedel för en nautiker GPS Positionsbestämning med hjälp av satellit är ett måste idag, det finns knappt några fritidsfiskare som inte har GPS med sig ut på fisketuren. Exempel på fördelar är att men bl.a. ser om man driver ifrån den planerade kurslinjen och kan då snabbt åtgärda detta med ett par graders kursändring. Elektroniska sjökort ECDIS 2 är framtiden. Systemet finns redan idag men det höga priset gör att det inte är många idag som har ett godkänd ECDIS ombord. Att spara bränsle med elektroniska sjökort har visat sig ge goda resultat. Enligt Adveto i Stockholm har kunder rapporterat bränslebesparing mellan 3-6 %, och detta beror mestadels på två saker, man har god överblick över sin aktuella vattendjup och position så ifall t ex avdrift skulle förekomma kan det åtgärdas direkt. Det andra är att man har ypperlig koll på sin ETA 3 som gör att man kör jämnare och väldigt tidigt vet sitt ETA. Övriga dataprogram Ett exempel är Stena Lines Seapacer. Det är ett program som räknar ut vilken fart fartyget skall göra till nästa girpunkt och justerar detta optimalt genom varvtal och/eller pitch under resans gång. T ex om fartyget kommer in över ett grundområde ger datorn order till maskinen att minska varvtalet för att sen när fartyget kommer in på djupare vatten öka varvtalet igen. Detta gör att man sparar både maskinen, bunker och miljön. 2 Electronic Chart Display Information System 3 Estimated Time of Arrival 8
Information som läggs in i datorn innan avgång för att programmet skall fungera är: o Fartygets kondition (djupgående, trim m.m.). o Planerad ström och vind under resan (riktning och hastighet). o Önskad ETA. o Förhållandet mellan varvtal och varvtal. Programmet är kopplat till en GPS och gärna ett elektroniskt sjökort, vilket gör att den vet fartygets aktuella position och vattendjup. Detta program måste skräddarsys för varje fartyg och det krävs en hel del kunskaper och intresse för att det skall fungera optimalt. Fartygsvägledning Idag finns det hjälp att få av företag/institutioner som mer eller mindre har specialiserat sig på fartygsvägledning. Med hjälp av datorprogram, femdygnsprognoser, aktuell position och slutdestination kan man testa olika rutter för att slutligen få fram en optimal rutt. 9
Svallvågor fint eller förödande? Vågor är ett helt naturligt fenomen. I öppen sjö är det också ett fenomen som inte orsakar några problem, men när en våg närmar sig land så uppstår erosion. Detta i sig är också ett naturligt fenomen. Naturen har under hela jordens livstid använt erosion för att omforma naturen. Inte heller där är det något problem, men när ett objekt, tillverkat av människan, träder in i den naturliga balansen och ökar mängden energi så uppstår problemet. Men inte heller här är det något problem i öppen sjö, där vågor inte påverkar botten eller land. Energin ifrån en svallvåg från ett fartyg hinner försvinna innan den når land. Problemet däremot, är när fartyget självt närmar sig land, och då speciellt när fartyget går in i en skärgård. En skärgård är något ganska ovanligt. En svensk person är bortskämd med att ha tillgång till en skärgård, oavsett om det är en stor skärgård med öar och grönska som i Stockholms skärgård, eller om den är lite kalare som den i Göteborgs skärgård. Båda skärgårdarna är unika, och finns inte att finna på så många platser i världen. Därför är det också något vi ska ta vara på. Vågenergi En våg bildas inte utifrån ingenting. En naturlig våg byggs upp av att vinden avger energi till den, eventuellt att en jordmassa förflyttas som i t.ex. en tsunami eller ett jordskred. Även en våg från ett fartyg bildas av energi, en energi som då inte kan användas till fartygets framdrift. Har ett fartyg en stor svallvåg krävs alltså mer bunker för att föra fram fartyget i den tänkta hastigheten. Därför optimeras skrov idag med tanke på svallbildning. Tack vare de låga priserna på bunker som varit har detta inte varit något större problem, men detta är ju på väg att förändras nu. 10
Ett skrov som drivs genom vattnet har ett förhållande mellan sin längd och sin bredd. Detta förhållande är enormt viktigt, ty ett smalt och långt skrov drivs lättare genom vattnet än ett brett och kort. Tyvärr är det ofta också så att ett smalt skrov har sämre egenskaper såsom stabilitet, manövreringsegenskaper och lastkapacitet. Därför byggs ofta fartyg breda. Mer än så ska vi inte beröra ämnet i detta arbete. Något som däremot är viktigt att komma ihåg i sammanhanget, är att vågens energiinnehåll är direkt beroende på fartygets fart genom vattnet, fgv. Något vi däremot ska gå in på är var vågenergin tar vägen. Efter att vågen har bildats längs med fartygets skrov beger den sig ut i världen, över t.ex. en fjärd i skärgården. Den förlorar på vägen delar av din energi men träffar till slut en ö där den på ett kort ögonblick ska frigöra all sin energi. Detta resulterar i att rörelsen i vågen överför energin till rörelse i stranden, med andra ord rörs strandens beståndsdelar om. I många fall, t.ex. i Stockholms skärgård, är detta sand och andra mjuka material. Är fallet som i Göteborgs skärgård, med stora klippor och liknande, så har vågen svårare att omsätta rörelsen och reflekteras därför tillbaks. Erosion Som vi nämnde tidigare så tas en vågs energi upp av stränder inomskärs. Vilket resulterar i erosion, men hur? När vågen når stranden bromsas den upp, och en liten del av energin avges i form av värme. Denna förlust kan man helt ignorera, men det intressanta är vad som händer med resten av energin. Den övergår från rörelseenergi i vågen till rörelseenergi i stranden, alltså i de partiklar som stranden är uppbyggd av. Dessa partiklar är alltså den sand och det grus som finns. Dessa slängs upp på stranden, men dras också tillbaks med vågen. Den största transporten sker alltså utåt där sanden och gruset bildar en sorts naturlig vågbrytare utanför stranden, ett naturligt skydd för fortsatt erosion. På så sätt finner stranden en balans där vågbrytaren tar emot tillräckligt mycket energi för att själva stranden skall klara sig opåverkad. Men ökar då mängden vågor, som t.ex. när vi människor börjar använda båtar i området, så ökar hastigheten med vilket detta sker. Det förändrar även förutsättningarna, helt plötsligt räcker inte vågbrytaren till utan vågorna slår återigen in mot stranden med alltför stor kraft. Då fortsätter transporten av sand och grus utåt för att till slut återigen uppnå en balans då stranden mår bra. Se bilaga 1 för illustration. 11
Något som även händer när vågenergin ökar är att de små partiklarna i strandmassan dras längre och längre ut. Till slut består stranden av endast grövre material. Detta påverkar direkt växtligheten. Därför är växtligheten ett bra mått på hur stranden mår. Stockholms skärgård I fallet Stockholms skärgård så har det i många år varit diskussioner angående de många anlöp av finlandsfärjor som görs dagligen. Under 80-talet ökade storleken på dessa enormt och därmed också miljöpåverkan. Enligt Lars Granath i hans rapport från 1992 4 så påverkade finlandstrafiken skärgården enormt negativt. Sedan dess har hastighetsbegränsningar sats på många sträckor i skärgården, och där de redan innan funnits har de utökats. På detta sätt har fartygen fått en lägre medelhastighet men även en jämnare hastighet, också det något enormt viktigt både för svallbildning och även den tidigare diskuterade bunkerförbrukningen. Lars Granath har även gjort en uppföljning av denna rapport, publicerad 1994 5. I denna rapport tas flera intressanta konstateranden fram. Ett av dessa är finlandstrafikens påverkan. Trafikintensiteten hos dessa färjor har totalt sett endast minskat marginellt sedan den förra rapporten, men det mest intressanta är en trafikomläggning som skett. Idag trafikerar i stort sett alla färjor Furusundsleden, och inte som tidigare ett jämt flöde genom både Furusundsleden och Sandhamnsleden. I den tidigare rapporten konstaterades att erosionen var allvarlig i Furusundsleden, men 2004 konstaterades att detta har avklingat. Det har på flera ställen t.o.m återgått och växtligheten har kommit tillbaks. I första hand handlar det om arten strandråge som återkommit. Denna art kräver normalt grovsand och grus för att leva, därför lever den normalt i Stockholms yttre skärgård. Men i Furusund har den nu spridit sig, vilket enligt Granath är ett tecken på att erosionen avklingat och att stränderna åter börjar nå en jämvikt. 4 Stockholms Universitet, Lars Granath 1992. 5 Fartygstrafik och stranderosion i Stockholms skärgård, rapport 2004:19 Länsstyrelsen i Stockholms län, Lars Granath 2004. 12
Optimering av fartygets framförande Farten Ökad fart ger ökad bränsleförbrukning, något alla vet. Något som alla däremot inte vet det är hur mycket. Detta är något vi ska ändra på. Ökningen av bunkerförbrukningen är ungefär kubiken (x3) av fartökningen vid en viss nedlastning. Detta kan visas på följande sätt: Fart 15 knop = 50 liter/m Fartökningen med 2 knop blir 23 = 8 liter/m Fart 17 knop = 50+8=58 liter/m Denna fartökning gör att man kommer 48 M längre än med 15 knop varje dygn samtidigt som man förbrukar 5,7 ton/dygn mer bunker. Tidsmässigt på en resa mellan Engelska kanalen och New York (2881 M) sparar man in ett dygn på att öka farten från 15 till 17 knop, resan blir sju istället för åtta dygn lång och man har förbrukat 40 ton mer bunker. Är det verkligen värt det? Det finns inget som säger att man alltid skall göra på just ett sätt. Man måste utgå från vilka faktorer som spelar in och därefter ta ett beslut. Här följer några exempel: o Finns det ledig kajplats samt ligger lasten och väntar? o Hinner man fram innan tidvattnet? o Klarar vi oss utan att få några större problem med vind och sjö? Kraftiga/mjuka girar Trots att man alltid ska eftersträva mjuka girar görs det inte, men vad har det för effekt? Förutom att resan blir behagligare när man utför en planerad mjuk gir istället för en kraftig gir. En kraftig gir kan medföra en fartminskning på 2 knop, vilket på en resa med ett antal kraftiga girar gör att man antigen får köra snabbare eller får en försenad ETA. Vilket det än blir kostar det pengar. 13
Ruttplanering En erfaren styrman/kapten kan spara åtskilliga summor genom bränslebesparande åtgärder men också genom ruttplanering. Att med erfarenhet, kommande väderprognoser, fartygets prestation och lokalkännedom planera en optimal resa kan göra att man kan spara upp till flera dagars segling. Samarbete Rederiet måste självklart ta sitt ansvar. Med det menar vi att det inte räcker att de ställer massa krav och vill endast se resultat utan de måste själv vara engagerade och göra sin del av det hela. T.ex. en enkel mall som visar förhållandet mellan fart, djupgående samt bunkerförbrukning. De ska även vara beredda att investera, T.ex. i bränslemätare på bryggan vilket gör att styrman snabbt kan se vad en åtgärd har för resultat. Ett välfungerande ECDIS gör att du väldigt tidigt vet din ETA och kan beställa kaj och båtsmän, att du kan anpassa din fart för att anpassa ETA samt att du kan planera din resa mycket enklare, snabbare och framförallt säkrare. ECDIS gör också att styrman som har ansvaret för att rätta sjökort har mycket tid över till annat. Samarbete mellan maskin och bryggan är ett måste, klyftan mellan dessa har alltid varit stor men håller nu på att försvinna sakta men säkert. Man tar även mer och mer hänsyn till varandra. En maskinst mår bäst när maskinen går på ett och samma varvtal för då mår maskinen bäst och fungerar utan missöden och problem. Men från däcksidan är det tyvärr inte så enkelt. Där vill man alltid ha möjligheten att justera fartygets fart, vilket man mer än gärna också gör. 14
Sammanfattning Att transportera gods till sjöss är mycket dyrt, men trots det kan det vara det billigaste eller rent av det bästa sättet. Ett fartyg påverkar miljön på många olika sätt. Ett av de allvarligare är bunkerförbrukningen. Ett fartyg förbränner bunker vars avfallsprodukter sedan släpps ut i atmosfären. Detta inkluderar försurande ämnen såsom svaveldioxid och kväveoxid. Det släpps även ut koldioxid vilket påskyndar växthuseffekten. Ett antal faktorer påverkar bunkerförbrukningen. Bland dessa finns självklart hastigheten, men även rådande väder och vind. Dessutom påverkar navigatoriska förhållanden såsom djup och ström. Ett fartyg låter en del av maskineriets effekt gå ut i svallvågor. Dess påverkar omgivande öar och skär genom erosion. Tids nog bygger dock öarna själva upp skyddsbarriärer för detta, och balans återfås. För det nautiska befälet finns flera hjälpmedel för att hålla bunkerförbrukningen nere. Bl.a. används idag elektroniska sjökort tillsammans med GPS, detta gör att man direkt kan justera sin kurs ifall t.ex. en ström påverkar dig. Det finns även datorprogram för beräkning av optimalt varvtal och pitch på maskin med hänsyn till t.ex. ETA, djup och fartygets prestanda. Även ett modernt fartyg med alla tänkbara hjälpmedel behöver den sista länken för att bli ett miljövänligt fartyg, det är den länken som många gånger saknas idag. Den felande länken är återigen människans okunskap. Vad tjänar man nu på allt detta? Jo, bland annat detta: o o o o o Reducerade bränslekostnader Tidschemat hålls Lägre försäkringspremier Mindre skador på tillgångarna Förbättrad säkerhet för besättningen 15
Litteraturförteckning Litteratur Sundin Jonas, 2000; Utvecklingen av skrovformer under 1900- talet; Chalmers Lindholmen Simonsson Martin, Hansson Tobias, Bertlin Max, 1998; Tjockoljor som fartygsbränslen; Chalmers Lindholmen Olsson Peter, 2004; Informationsguide till dieselemissioner; Chalmers Lindholmen Ahlbom Jan, Duus Ulf, 2003; Rent skepp kommer lastat; Göteborg länstryckeri AB Ragnvaldsson Christian, 2000; Bränslebesparande navigation; Göteborg, Chalmers Lindholmen Neuman Karl, Wagner Stefan, 2003; Farledsutformning; Chalmers Lindholmen Pettersson Johan, Olén Simon, 2004; Excellent reseplanering; Chalmers Lindholmen Granath Lars, 2004; Rapport 2004:19 Fartygstrafik och stranderosion; Stockholm, Länsstyrelsen Stockholm Tibblin Göran, 1999; Nordsjön, Oceanografi och meteorologi; Chalmers Lindholmen Flodström Eje, Jivén Karl, Sjöbris Anders, 2000; Ekologiskt hållbart sjötransportsystem; Mariterm AB 16
Bilagor Bilaga 1 en strands förändring vid ökad vågenergi 17