船舶用LNGエンジン

船舶用LNGエンジンは、天然ガスとバンカー燃料を使用して化学エネルギーを機械エネルギーに変換するデュアルフューエルエンジンです。天然ガスのクリーンな燃焼特性により、商船の推進プラントで天然ガスを使用することは、 IMOおよびMARPOL環境規制に準拠するために企業にとっての選択肢になりつつあります。天然ガスは液体状態（ LNG ）で貯蔵され、ボイルオフガスはデュアルフューエルエンジンに送られて燃焼されます。^[1] 海運会社は、船隊の推進システムを選択する際に慎重でした。過去数十年間、蒸気タービンシステムは、LNG運搬船の原動機として主に選択されてきました。蒸気推進LNG運搬船の数十年前のシステムは、BOG（ボイルオフガス）を使用しています。LNG運搬船は、LNGを約-160°Cに保ち、液化状態に保つために、厳重に断熱されています。断熱にもかかわらず、LNG封じ込めエリアは熱によって浸透し、自然に発生するボイルオフガス（BOG）を可能にします。^[2]

LNG 輸送が初めて可能になったのは、1959 年、第二次世界大戦中に改造された貨物船「メタン パイオニア」が液化天然ガスを英国に安全に輸送したときでした。LNG を海を越えて安全に輸送できることが証明された後、LNG 輸送業界は急成長し、現在では年間 2,000 億ドルの資本を投入しています。1964 年に LNG 業界が始まって以来、国際貿易は 50 倍以上、生産能力は 10 倍以上、個々の船舶の収容力は 5 倍以上増加しました。LNG タンカーの設計は、もともと Worm's and Co. によって考案されました。この設計は現在、Gaz Transport Design と呼ばれています。タンクは当初 34,000 立方メートルを収容できるように設計されていましたが、設計は 71,500 立方メートルに変更されました。球形の LNG タンクは、1973 年に Hoegh が Norman Lady を建造したときに登場しました。球形のタンクは、現代の LNG 船では一般的です。 1999年、サムスン重工業は当時最大の新メンブレン型LNG運搬船を建造しました。全長278.8メートル、最高速度20.7ノットの同船は当時最大の単胴船でした。2006年に納入されたアークティック プリンセスは、史上最大のLNGタンカーでした。全長288メートル、容量は147,000立方メートルです。2006年以降、容量は増加し続けています。2018年に顧客に納入された新造LNG船は、拡張されたパナマ運河を通過できるように設計されているものが多く（ネオパナマックス）、容量は170,000立方メートルです。

デュアル燃料エンジンの燃料となる天然ガスは、沸騰液体として船に積まれ、大気圧よりわずかに高い圧力で輸送されます。タンクの断熱材が熱の流入によって貫通されると、液化天然ガスの温度が上昇し、液体から気体への気化が可能になります。熱がタンクに侵入すると、沸騰によりタンクの圧力が上昇します。タンクの断熱材は最先端の技術で設計されています。それでも、タンクの断熱材は熱によって貫通されます。沸騰は船舶の航海中に発生します。嵐の間、LNG貨物はタンク内で移動し、揺れ動きます。沸騰したガスは、1日あたり船舶容量の0.1％～0.25％を占めます。タンクは一定の圧力に維持する必要があります。タンク内の圧力が高くなりすぎると、安全弁と逃し弁が開き、過剰な圧力が解放されるまで沸騰ガスを大気中に放出します。ほとんどの船舶では船上でのLNG再液化は経済的ではないため、ボイルオフによって生成されたガスは船舶の推進システムに送られ、蒸気ボイラーやデュアル燃料船舶ディーゼルエンジンなどの発電所の燃料として使用されます。これによりバンカー燃料の使用が削減され、燃料と機器のメンテナンスコストが削減されます。^[3]

サムスンの Supreme は、同種としては最大の Mark-III タイプの LNG コンテナ船でした。Supreme には、LNG 船で最新の技術が採用されていました。タンクは二重底船体に完全に囲まれており、タンク間にはコッファダムがあります。各タンクは、貨物を摂氏 -163 度で保管します。これは、LNG の標準保管温度です。これは、250 mm の断熱材と 1.2 mm 厚のステンレス鋼膜によって実現されています。各貨物タンクには、貨物を迅速に荷降ろしするための水中遠心ポンプがあります。これは、LNG タンクの標準的な荷降ろし方法です。LNG 船の最大干ばつは通常 12 メートルです。これは、港湾施設のサイズと制限によるものです。LNG 船の最も一般的なサイズは、船の大きさにより、120,000 〜 180,000 立方メートルの範囲です。( LNG 運搬船の 2 ストローク エンジンの推進トレンド、2017 年)。

LNG 運搬船の一般的な 2 つのタイプは、モス型とメンブレン型です。モス型運搬船は LNG を保管するための球形のタンクを備えており、メンブレン型の運搬船はステンレス製のメンブレンを備えたより伝統的な長方形のタンクを備えています。メンブレン型タンカーは、同じ量の LNG 燃料を積載する場合、モス型船よりも小型であるためより一般的ですが、モス型船よりも多くのボイルオフガスが発生します。

MEC Intelligence の調査によると、LNG は 40 年以内にすべての商船の主要燃料源になるとのことです。多くの会社がすでに自社の船舶を LNG 推進システムに切り替えるプロセスを検討し始めています。

LNG 船の推進システムには、通常、WHR が装備されています。これは、排出量の削減、燃料消費量の削減、効率の向上につながるためです。LNG 動力船への切り替えは企業にとって複雑な作業ですが、最新の廃熱削減システム (WHR) と組み合わせることで、LNG 船はディーゼルまたは蒸気推進船よりも効率が高くなります。

LNG運搬船の推進システムのほとんどは、BOGと液体燃料を使用しています。蒸気プラントでは、BOGを使用してボイラーを点火し、蒸気を生成します。蒸気でタービンを駆動し、船を推進します。このタイプの利点は、LNG貨物タンクの圧力が上昇すると、過剰なBOGが液体燃料と同時に燃焼することです。BOGが十分でない場合は、液体燃料（重油またはHFO）を使用してプラントを稼働させます。^[2] 蒸気タービンエンジンの代替品は、デュアル燃料船舶ディーゼルエンジンです。フィンランドのWärtsiläやドイツのMAN Dieselなどの商用船舶推進システムメーカーは、大口径のデュアル燃料ディーゼルエンジンを製造しています。MAN B&W ME-GIエンジンは、95%天然ガスから100% HFOまで、その間の任意の範囲で、非常に柔軟な燃料モードを備えています。これらは圧縮点火エンジンであり、天然ガスは自己燃焼しないため、パイロットオイル用に最低5%のHFOが必要です。^[4] 2ストロークディーゼルエンジンの方が効率的であるにもかかわらず、LNG船の主な動力源は蒸気タービンのみです。これは、LNGからの蒸発ガスを利用する必要があるためです。

最近の研究は、LNGタンカー以外の船舶の燃料としてLNGを使用することに焦点を当てています。これらの研究では、LNGは排出量削減と運用コスト削減の点で優れていることが示されています。 ^[1] LNG推進システムの運用には、いくつかの経済的インセンティブが有利であることが示されています。廃熱回収（廃熱を放散するのではなく、作業に使用）などの特定のシステムを発電所に追加すると、大幅な節約が見られます。ある研究では、WHRシステムを備えたLNGエンジンは、WHRを備えたディーゼルエンジンと比較してコストを節約できることが示されています。初期投資コストは高くなりますが、コスト効率が高く、環境に優しい方法です。^[5]

_{天然ガスは主にメタンで構成されており、メタンには二酸化炭素}よりもはるかに強い温室効果があります。参照：地球温暖化係数。メタンの気候への影響は、主にメタン漏洩によるものです。たとえば、メタンスリップと呼ばれる問題があります。メタンスリップとは、エンジンから未燃焼のガスが漏れることです。^[要出典]メタンのGWP(20)（20年間の地球温暖化係数）は、二酸化炭素の86倍です_。メタンスリップが制御されない場合、天然ガスを使用することによる環境上の利点は減少し、メタンの高い温室効果により、ディーゼル燃料やバンカー燃料に対する利点が相殺される可能性があります。^[6]もう1つの課題は、LNGが非常に低い温度で貯蔵されることに関連する危険性です。タンクの断熱は重要であり、構造上の脆弱性と作業員の凍傷の可能性があります。^[1] 基本的に、船舶推進用のLNGは一般的な重油に比べてCO2やその他の汚染物質を削減することが確立されているため、LNGの導入は、ガス_の^{入手可能性、船舶の需要、排出制限（排出管理区域）、LNGタンクの設置、安全要件などの重要な要素に依存します。 [1]} LNGの使用に関連する課題を考慮する必要があります。ほとんどの商業港でのインフラの欠如、ガス燃料でのエンジン運転に関する乗組員の限られた経験、ガスの将来の価格、必要な安全対策などの課題はすべて、考慮すべき重要なポイントです。^[5]

LNGの使用により、硫黄酸化物はほぼ100％削減され、窒素酸化物の排出量は約85％削減されます。^[要出典] LNGの使用により温室効果ガスの排出量が削減されるかどうかについてはかなりの議論があり、研究ではメタン漏れが気候へのメリットを打ち消すことがわかっています。^{[7] [8]}

海運におけるLNG燃料の使用に関する要件、特に技術要件と安全要件は、ガスまたはその他の低引火点燃料を使用する船舶の国際安全コード（略称IGFコード）に規定されている。^[9]