Methanverluste beim Einsatz von LNG als Kraftstoff für Otto-Gas und Dual Fuel Motoren auf Schiffen

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1 Methanverluste beim Einsatz von LNG als Kraftstoff für Otto-Gas und Dual Fuel Motoren auf Schiffen Workshop am im MARIKO, Leer LNG- Initiative Nordwest Professor Dipl.-Ing. Freerk Meyer ochschule Emden Leer Fachbereich Seefahrt

2 Methanverlust beim Einsatz von LNG als Kraftstoff in Gas und Dual Fuel Motoren Gliederung - Einführung in das Thema - Ursachen von Methanschlupf bei Gasmotoren - Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb - 4 Takt - Gas- (Otto)motoren - 4 Takt - Dual Fuel Motoren - 2 Takt - Dual Fuel Kreuzkopfmotoren - Möglichkeiten zur Reduzierung /Vermeidung von Methanschlupf - Fazit / Ausblick

3 Einführung in das Thema Das Ziel ist klar: Schiffsantriebe sollen sauberer werden. heute sind Schadstoffe im Abgas von Schiffen klar zu erkennen

4 Einführung in das Thema Nutzung von verflüssigtem Erdgas (LNG) für saubere Schiffsantriebe Verflüssigtes Erdgas besteht zu % aus Methan (Rest: Ethan, Butan und Inertgase). Methan (C 4 ) 1 Atom Kohlenstoff, 4 Atome Wasserstoff - C - Im Verhältnis zu Dieselöl bzw. Schweröl verbrennt Erdgas mit deutlich verringerten Emissionen: 80 % weniger Stickoxid (NO x ) > 95 % weniger teilverbrannte Kohlenwasserstoffe 100 % weniger Schwefeloxid 100 % weniger Feinstaub und Ruß

5 Einführung in das Thema Verbrennung von Methan vs. Dieselöl C O 2 -> CO O Dieselöl besteht aus langen Kohlenwasserstoffketten (Cxy) im Verhältnis von 1 : 2,2 Kohlenstoff : Wasserstoff - C - C - C C - C - C - Bei Methan (C 4 ) ist dieses Verhältnis 1 : 4 - C - => Bei der Verbrennung von Methan wird ca. 28 % weniger CO 2 erzeugt, als bei der Verbrennung von Dieselöl (bezogen auf den gleichen Brennwert).

6 Einführung in das Thema Schiffe, die Erdgas als Kraftstoff nutzen, sind schon auf den ersten Blick viel sauberer LNG- Tankschiff Argonon, Rotterdam aber wie steht es mit Methan im Abgas? LNG - Fährschiff Viking Grace, Turku

7 Einführung in das Thema Verbrennung von Methan / Treibhauseffekt eutige Erdgasantriebe können Methan häufig nicht vollständig verwerten. Dadurch gelangt Methan in die Atmosphäre. => Methanschlupf Methan ist 21 x klimaschädlicher als CO 2. *) => Global Warming Faktor (GWP) Für die positive Klimabilanz eines Erdgasantriebes ist es entscheidend, dass die Summe: CO C 4 kleiner als bei dem Vergleichsmotor ist. Um dies zu erreichen, muss der Erdgasmotor möglichst - effektiv arbeiten (wenig CO 2 ) - wenig Methan ausscheiden *) United Nation Framework Convention on Climate Change. 2013

8 Einführung in das Thema Verbrennung von Methan / Treibhauseffekt erausforderung für Erdgas- Schiffsantriebe: Methanschlupf (GWF = 21) Einsparung von ca. 28 % CO 2 durch die Nutzung von Erdgas => Der Methanschlupf muss so gering wie möglich gehalten werden, damit die Nutzung von Erdgas auf Schiffen positiv für die Atmosphäre ist!

9 Erdgas Antriebsanlagen an Bord von Schiffen Mögliche Ursachen für Methanschlupf Methan möglich Betankung Methan möglich Venting Mast CO 2, 2 O,. Methan gasförmiges Erdgas LNG- Tank Gasregelung Abgas Luftzufuhr Motor Diesel

10 Erdgas Antriebsanlagen an Bord von Schiffen Verbrennungskraftmaschinen Erdgas Maschinen Otto - Motoren Diesel - Motoren Sonstige 4 Takt Stöchiometrisch 4 Takt Lean Burn 4 Takt Dual Fuel o Single Gas Valve o Multi Gas Valve 2 Takt Dual Fuel Gasturbinen Dampfturbinen Brennstoffzellen

11 Einführung in das Thema Funktionsweise von 4 Takt- Verbrennungsmotoren Ottomotoren - Äußere Gemischbildung - Fremdzündung - Luft- Brennstoffregelung (Drosselung) (Quantitätsregelung) Dieselmotoren - Innere Gemischbildung - Selbstzündung - Brennstoffregelung (Qualitätsregelung) Benzin Fremdzündung Dieseleinspritzung Luft Luft Drosselklappe Verdichtung ԑ : 1: 10 (=> 30 bar, ca. 500 C) Luftverhältnis λ L : 1 Verdichtung ԑ : 1: 20 (=> 60 bar, ca. 600 C) Luftverhältnis λ L : 2,2

12 Einführung in das Thema Erdgas versus Benzin bzw. Dieselkraftstoff Methan besitzt eine deutlich unterschiedliche Verbrennungsphysik im Vergleich zu Benzin, Diesel oder Schweröl: Zündtemperatur: 600 C (Diesel: 200 C 230 C) Flammausbreitung: ca. 0,4 m/s (Diesel: > 100 m/s) Zündenergie hoch (0,29 mj) Zündfähig zwischen 4% und 17% (Diesel: 0,6% - 6,6%) Dies hat z.b. zur Folge, dass - Erdgas/Luftgemische deutlich höher verdichtet werden können als Benzin/Luftgemische - Erdgas/Luftgemische nicht ohne zusätzliche Zündenergie zuverlässig zünden.

13 Ursachen von Methanschlupf bei Gasmotoren Methanschlupf durch unvollständige Verbrennung Abhängig vom Motoraufbau und ungünstigen Betriebszuständen Z. B. bei Teillast hoher Motordrehzahl niedrigen Temperaturen im Motor niedrigen partiellen Gaskonzentrationen fehlt in Teilen des Brennraumes die notwendige Energie und Zeit zur Zündung des Erdgases. Die Flamme verlöscht, die Verbrennung bleibt in diesen Zonen unvollständig. => Unverbranntes Methan wird mit dem Abgas ausgespült.

14 Ursachen von Methanschlupf bei Gasmotoren Methanschlupf durch Ventilüberschneidung Bei 4 Takt- Motoren gibt es einen Moment zwischen dem 4. und dem 1. Takt in dem sowohl die Einlass- als auch das Auslassventile geöffnet sind Luft Abgas mit Luft Die Verbrennungsluft spült dabei das restliche Abgas aus dem Brennraum, so dass der Brennraum vollständig mit frischer Verbrennungsluft gefüllt wird. Dies gilt insbesondere für Dieselmotoren. Bei heutigen Gasmotoren wird die Verbrennungsluft vor dem Motor mit Erdgas gemischt. Damit kann eine geringe Menge Methan, ohne zu verbrennen, direkt ins Abgas gelangen.

15 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Standard- Gas- Ottomotoren Standard Ottomotoren können mit geringeren Anpassungen prinzipiell mit Benzin als auch mit Erdgas betrieben werden (z.b. PKW- Ottomotoren oder Blockheizkraftwerke). Erdgas Benzin Luft. BKW Diese kleineren Motoren spielen als Schiffsantrieb keine Rolle.

16 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Lean burn - Gas- Ottomotoren (Magerkonzept Gasmotoren) M Bei diesen Motoren wird das Erdgas in geringer Konzentration mit der Verbrennungsluft vermischt ( Mageres Gemisch ) und vom Motor angesaugt. Erdgas Luft M Zündung Zusätzlich wird Erdgas in eine Vorkammer geblasen. Dort entsteht ein fettes Gemisch, das gezündet wird. Dieses Gemisch gelangt in den Brennraum und entzündet das magere Erdgas- Luftgemisch.

17 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Lean burn - Gas- Ottomotoren (Magerkonzept Gasmotoren) Es sind leistungsfähige Lean burn Gasmotoren für Schiffsantriebe am Markt verfügbar. Gasmotoren mit Magerkonzept sollen möglichst hohe Wirkungsgrade bei niedrigen Emissionen erreichen. Performance: - Auf den Gasbetrieb optimiert (guter Wirkungsgrad, niedrige Abgasemissionen) Gas- Ottomotor von Rolls-Royce auf einer norwegischen Fähre - Kein Methanschlupf durch Ventilüberschneidung (Ottomotor) zu erwarten. - Methanschlupf durch unvollständige Verbrennung (mageres Gemisch!) insbesondere bei Teillast möglich.

18 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Dual Fuel (Diesel- Gas-) Motoren Single Gas Valve- Standard Dieseleinspritzung Systeme Erdgas M Standard Dieseleinspritzung 5-20 % bzw. 100 % Diesel Erdgas R Luft Luft

19 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Dual Fuel Gasmotoren Single Gas Valve - Standard Dieseleinspritzung Systeme Konventionelle 4- Takt Dieselmotoren können nach relativ geringen Anpassungen als DF- Motor betrieben werden. Je nach Motortyp beträgt das Verhältnis Erdgas zu Dieselkraftstoff zw. 95/5 und 80/20. Caterpillar Gasmotor Performance: - Reiner Dieselbetrieb möglich - Nicht auf den Gasbetrieb optimiert (Wirkungsgrad ehrer niedrig, hohe Dieselemissionen) - Relativ hoher Methanschlupf durch Standard- Ventilüberschneidung zu erwarten. TS Argonon

20 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Dual Fuel Gasmotoren Multi Gas Valve- Pilot Fuel- Systeme Pilot Fuel Dieseleinspritzung 1% Kombinierte Einspritzdüse Reine Dieseleinspritzung 100% R Erdgas Pilotfuel Diesel Erdgas Luft M Luft

21 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 4 Takt - Dual Fuel Motoren Multi Gas Valve- Pilot Fuel- Systeme Es sind leistungsfähige 4 Takt DF - Motoren für Schiffsantriebe am Markt verfügbar. Performance: Wärtsilä L 50 DF Engine - Reiner Dieselbetrieb möglich - Auf den Diesel- Gas Betrieb optimiert (Wirkungsgrad gut, niedrige Dieselemissionen) - Methanschlupf bei Ventilüberschneidung durch gezielte Gaseinblasung pro Zylinder gering. - Methanschlupf durch unvollständige Verbrennung bei Teillast? MS Viking Grace

22 Funktionsweisen von Erdgas- Motoren/ erausforderungen im Gasbetrieb 2 Takt - Dual Fuel Kreuzkopfmotoren Führende Motorhersteller (z.b. MAN und Wärtsilä) bieten 2 Takt- Dual Fuel Kreuzkopfmotoren an. Das Einblasen des Erdgases muss nach dem Schließen der Luftschlitze und des Abgasventils in den Brennraum erfolgen: Mitteldruckeinblasung (ca. 50 bar, während der Verdichtung) ochdruckeinblasung (> 300 bar, am Ende der Verdichtung) Betriebserfahrungen auf Schiffen fehlen derzeit noch. 2 Takt Kreuzkopfmotor mit Wärtsilä-Dual-Fuel-Technologie

23 Möglichkeiten zur Reduzierung /Vermeidung von Methanschlupf Die heutigen Technologien zur Verwendung von Erdgas für Schiffsmotoren sind noch lange nicht ausgereizt. Weiterentwicklungen sind in folgenden Bereichen zu erwarten: Optimierung der Brennraumgeometrie (=> Verdichtung, Zündung ) Optimierung des Brennverlaufes im Brennraum Verbesserungen an der Gasvermischung Verbesserungen an der Motor-/Gas-Steuerung Forschungsmotor Bei Bedarf können zusätzlich Systeme zur Abgasnachbehandlung eingesetzt werden.

24 Fazit / Ausblick - Erdgas erzeugt deutlich weniger schädliche Abgase als herkömmliche Schiffskraftstoffe! - Die Reduzierung der CO 2 - Emission ist nur ein positiver Effekt von mehreren. - Der Methanschlupf muss niedrig gehalten werden damit dieser positive Effekt nicht ins Gegenteil verkehrt wird. - Die Gesamt Umweltbilanz spricht schon heute für den verstärkten Einsatz von Erdgas als Schiffskraftstoff! - Ob Dual- Fuel oder reiner Gasantrieb ist von den Anforderungen an das Schiff abhängig.

25 Fazit / Ausblick - Die Bandbreite der heutigen Gasmotoren ist groß: Gering modifizierte Standardmotoren. Speziell entwickelte Erdgasmotoren Entsprechend ist die Bandbreite bei dem Methanschlupf. - Der wachsende Markt sowie die Konkurrenz unter den Motorenherstellern wird die Entwicklung neuer Generationen von Gasmotoren vorantreiben, die noch sauberer und effektiver arbeiten werden.

26 Fragen - Diskussion Methan Slip? no comment! Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!

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