Horst Harndorf (Hrsg.) und 85 Mitautoren. Die Zukunft der Großmotoren III

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1 Horst Harndorf (Hrsg.) und 85 Mitautoren Die Zukunft der Großmotoren III

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3 Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf (Hrsg.) Und 85 Mitautoren Die Zukunft der Großmotoren III 3. Rostocker Großmotorentagung Großmotoren im Spannungsfeld von Emissionen, Kraftstoffen und Kosten Mit 244 Bildern und 23 Tabellen FVTR Fachbuchreihe

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5 Die Zukunft der Großmotoren III 1. Auflage Rostock FVTR-Fachbuchreihe Herausgeber FVTR Forschungszentrum für Verbrennungsmotoren und Thermodynamik Rostock GmbH Joachim-Jungius-Str. 9, D Rostock Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Web: Bei der Erstellung des Buches wurde mit großer Sorgfalt vorgegangen; trotzdem lassen sich Fehler nie vollständig ausschließen. Verlag und Autor könne für fehlerhafte Angaben und deren und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für Verbesserungsvorschläge und Hinweise auf Fehler sind Verlag und Autoren dankbar. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jeder Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeisung und Weiterverarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Printed in Germany ISBN

6 Vorwort Nachdem die Entwicklungsaktivitäten bei Großmotoren jahrzehntelang auf Schwerpunktthemen wie Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer konzentriert waren, wird der zukünftige Fokus bei Forschung und Entwicklung mehr denn je durch die Emissionsoptimierung bestimmt sein. Deutlich wird dies an der aktuellen Abgasgesetzgebung, wobei zunächst die Reduzierung der NO x - und SO x -Grenzwerte im Vordergrund steht. Zudem werden über die aktuellen Vorgaben der IMO hinaus Lösungsansätze zur Reduzierung der Partikelemissionen an Bedeutung gewinnen. Mit dem Thema Emissionsminimierung wird die Frage nach den zukünftig im Schiffsverkehr verfügbaren und betriebswirtschaftlich einsetzbaren Kraftstoffqualitäten eng verbunden sein. Gleichzeitig müssen Kraftstoffverbrauch und damit CO 2 -Emissionen reduziert werden. Dies kann nur durch eine gesamtsystemische Optimierung unter Anwendung neuartiger Technologiekonzepte und Steuerungsstrategien gelingen. Der Vorliegende Tagungsband beinhaltet die auf der 3. Rostocker Großmotorentagung am September 2014 präsentierten Fachbeträge. Veranstalter der Tagung sind der Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren der Universität Rostock und das Haus der Technik. Allen Gästen und Teilnehmern wünsche ich einen angenehmen Aufenthalt in der historischen Hansestadt Rostock mit vielfältigen Eindrücken und Fachinformationen. Bei allen Beteiligten, die zum Gelingen dieser Tagung und zur Auflage dieses Buches beigetragen haben, möchte ich mich ganz herzlich bedanken. Mein besonderer Dank gilt dabei Herrn Dr. Andreae vom Haus der Technik und seinem Mitarbeiterstab sowie Herrn Dr. Buchholz von der FVTR Fachbuchreihe für die stets vertrauensvolle und kooperative Zusammenarbeit. Darüber hinaus danke ich den Unternehmen AVL Deutschland GmbH, L Orange GmbH, Robert Bosch GmbH und der Schiff & Hafen, die im Rahmen eines Studentensponsorings die Teilnahme von 15 Studierenden an der Großmotorentagung ermöglicht haben. Nicht zuletzt möchte ich mich bei allen an der Vorbereitung dieser Tagung beteiligten Mitarbeitern vom Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren für ihren stetigen Einsatz bei der Bewältigung der organisatorischen und administrativen Herausforderungen sehr herzlich bedanken. Ohne dieses Engagement wäre die professionelle Durchführung einer solchen Veranstaltung kaum möglich. Rostock, im September 2014 Horst Harndorf

7 Inhaltsverzeichnis - Contents Vorwort Saubere Großmotoren für die Zukunft Herausforderung für die Forschung 1 Bert Buchholz Review of Recent Well-to-Wake Greenhouse Gas Studies Evaluating the use of LNG as a Marine Fuel 15 Torsten Mundt, S. Hartman, Max Kofod, Christos Chryssakis PCCI on a Medium Speed Diesel Engine Simulations, Engine Tests and Limitations 29 Dominik Kraus, Matthias Auer, Gunnar Stiesch, Fridolin Unfug, Ulf Waldenmaier Wärtsilä 2-Takt Dual-Fuel Motoren Die technische Antwort auf veränderte Marktanforderungen 43 Marcel Ott, Christer Hattar, German Weisser Zukünftige Abgasnachbehandlungskonzepte und Ihre Anforderungen an Großmotoren 59 Jan Dreves, Kai Ruschmeyer, Hendrik Lange, Andreas Banck Kosten / Nutzen Analyse für IMO III Lösungen 68 Udo Schlemmer-Kelling Nutzung von Gichtgas im Großgasmotor mit Hilfe zylinderdruckbasierter Motorregelung und Zweigasbetrieb 87 S. Zauner, G. Arnold, H. Kopecek, C. Kumar, C. Spreitzer, C. Trapp, E. Schneßl, A. Wimmer Dual Fuel for Maritime Application 101 Jörg Hess, André Rendler, Dominik Andre Der M46DF: Neue Möglichkeiten für das Motormanagement und der Einfluss auf den Motorbetrieb 111 Eike Joachim Sixel Aerosol emissions from a ship engine using heavy fuel oil or diesel fuel: Aerosol composition and biological effects on human lung cells 123 R. Zimmermann, H. Czech, B. Stengel, T. G. Dittmar, T. Kanashova, J. Buters, S. Öder, H. Paur, C. Schlager, S. Mülhopt, M. Dilger, C. Weiß, S. Diabate, H. Harndorf, R. Rabe, J. Jokiniemi, K. Hiller, S. C. Sapccariu, P. Richthammer, O. Sippula, B. Michalke, C. Radischat, J. Passig, G. Jakobi, T. Streibel, J. Schnelle-Kreis, M. Sklorz, J. Orasche,

8 Optimierung von Diesel-/Gas-Großmotoren für unterschiedlichste Anwendungen 138 Hinrich Mohr, Moritz Frobenius Die Rolle des Einzylinder-Aggregats im Motorenentwicklungsprozess der MTU Friedrichshafen GmbH 150 Sebastian Wustl, Arne Schneemann, Christina Sauer L Orange Common-Rail Injektorfamilie für Wärtsilä Zweitakt-Großdieselmotoren 167 Alexander C. Kaiser, Clemens Senghaas, Horst Ressel Das modulare 2200bar Common Rail System für schnelllaufende und mittelschnelllaufende Dieselmotoren 175 C. Kendlbacher, M. Bernhaupt, R. Schimon, D. Blatterer, H. Sassnick Common Rail Injection for 2-Stroke Marine Engines Heading for IMO Tier III 193 Klaus M. Heim, Marco Coppo Optische Untersuchungen zum besseren Verständnis von Rußbildungsund Oxidationsvorgängen bei Einspritzdrücken größer 2500 bar 205 Andreas Wimmer, Gert Taucher, Michael Engelmayer, Franz Chmela, Gernot Hirschl Improvement in combustion of high aromatic marine fuel 221 Koji TAKASAKI, Daisuke TSURU, Tatsuo TAKAISHI Characteristics of Sulfuric Acid Condensation on Cylinder Liers of Large Two-Stroke Marine Engines 234 Rasmus Cordtz, Stefan Mayer, Jesper Schramm, Svend S. Eskildsen Der Kreislaufmotor - Konzept und experimentelle Untersuchungen zur Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff in einem Kolbentriebwerk 248 Carsten Tietze, Norbert Krümmling Einspritzstrategien zur Verbrennungsführung moderner Großmotoren 265 Rom Rabe, Horst Harndorf, Maxim Epp, Egon Hassel Die Autoren The Authors

9 Saubere Großmotoren für die Zukunft Herausforderung für die Forschung Bert Buchholz Abstract The marine and large diesel engine industry faces huge challenges regarding the significant reduction of harmful emissions. Over the past years, the contribution of emissions from shipping to the overall emissions has increased considerably. This tendency needs to be reversed in the future, to demonstrate the ecologic advantages of shipping as an efficient means of international transport In the immediate future, SCR catalysts or dual-fuel engine concepts will be applied to comply with the upcoming IMO emission limits. In addition to the IMO requirements, solutions for a significant reduction of particulate emissions will become necessary very quickly. Generally, a vast number of promising emission reduction technologies for large diesel engines are already known. Some of them have been tested successfully at test beds and pilot plants. Significant efforts in research and development will be necessary to transfer these concepts to industrial applications and reliable products. In this context, the quality of the fuel available for large marine diesel engines of the future is of central importance. Kurzfassung Die Großmotorenbranche steht vor der großen Herausforderung, die Schadstoffemissionen zukünftig drastisch zu reduzieren. Nur so kann verhindert werden, dass der Anteil der durch den Schiffsverkehr emittierten Schadstoffe an den Gesamtemissionen weiter steigt. Dies ist die Voraussetzung, damit der Schiffstransport wieder als umweltfreundliches Transportmittel wahrgenommen wird. Kurzfristig werden mit SCR-Katalysatoren oder Dual-Fuel Motoren die von der IMO für die unmittelbare Zukunft vorgesehenen Emissionsgrenzwerte erfüllt werden können. Über die aktuellen Vorgaben der IMO hinaus werden kurzfristig Lösungen zur Reduzierung der Partikelemissionen benötigt. Insgesamt sind eine Vielzahl erfolgversprechender Technologien zur Senkung der Emissionen von Großmotoren grundsätzlich bekannt und bereits teilweise auf Prüfständen und Pilotanlagen erfolgreich getestet worden. Zukünftig sind weitere intensive Anstrengungen in Forschung und Entwicklung erforderlich, um die bekannte Lösungsansätze zur anwendungsreife zu bringen. Dabei ist insbesondere die Frage, welche Kraftstoffe zukünftig für Großmotoren zur Verfügung stehen von zentraler Bedeutung. 1. Einleitung Die Großmotorenbranche steht hinsichtlich der Reduzierung der Abgasemissionen zukünftig vor großen Herausforderungen. Strikte Emissionsgrenzwerte für landbasierten Verkehr und die Energiewirtschaft führen dazu, dass der Beitrag dieser Emittentengruppen an der Gesamtemission deutlich gesunken ist. Gleichzeitig stiegen die Emissionen aus dem Schiffsverkehr stark an. Um diese Tendenz umzukehren werden künftig große Anstrengungen notwendig sein. Die Umsetzung der durch die IMO vorgegebenen Emissionsziele allein wird dafür nicht ausreichen. Es stehen grundsätzlich eine Vielzahl von emissionssenkenden Maßnahmen und Technologien zur Verfügung. Deren erfolgreiche Übertragung auf den Großmotor ist aber mit 1

10 erheblichen Herausforderungen für die Forschung und Entwicklung verbunden. Für eine erfolgreiche Kombination dieser Einzelmaßnahmen zu einem effektiven und effizienten Gesamtpaket ist eine systemische Betrachtung und Optimierung notwendig. Das Fehlen eines klaren Plans zur zukünftigen Fortschreibung anspruchsvoller und einheitlicher Emissionsgrenzwerte über das Jahr 2020 hinaus ist dabei für alle Beteiligten, ob Forscher, Motorenentwickler, Zulieferer oder Betreiber, ein weiteres Risiko. 2. Emissionen aus Schiffsdieselmotoren Historie, Stand und Vergleich mit Grenzwerten anderer Verkehrssektoren Die IMO Tier III Grenzwerte für NO X -Emissionen und die Vorgaben für eine schrittweise Absenkung der erlaubten Schwefelanteile im Kraftstoff standen in den vergangenen Jahren im Fokus erheblicher Diskussionen innerhalb der Schifffahrtsbranche. Im Ergebnis dieser Diskussionen ist der Einführungstermin für die IMO Tier III NO X -Grenzwerte in der Ostsee/Nordsee offen. Ebenso unklar ist das Ergebnis der für 2018 vorgesehenen Überprüfung der für 2020 geplanten Absenkung des Grenzwerts für Schwefel im Kraftstoff auf 0,5% m außerhalb der SECAs. Durch diese Verzögerungen und Unklarheiten besteht für die Schifffahrtsbranche die große Gefahr, hinsichtlich Umweltstandards und Zukunftsfähigkeit noch weiter hinter andere Transport- und Industriesektoren zurückzufallen. In Abbildung 1 ist dazu die Entwicklung der Grenzwerte für die NO X -Emissionen und für den Schwefelgehalt im Kraftstoff für den europäischen Straßentransportsektor mit den Grenzwerten für den internationalen Seeverkehr verglichen. Dabei werden folgende Fakten deutlich: die Emissionsgrenzwerte für den europäischen straßengebundenen Transport wurden über die zurückliegenden zwei Dekaden kontinuierlich und im Ergebnis drastisch reduziert das Thema Emissionsreduzierung wurde im internationalen Schiffsverkehr zeitlich verzögert aufgenommen die aktuell gültigen Grenzwerte für den Schiffsverkehr übersteigen die des straßengebundenen Transports um das Vielfache (NO X ca. Faktor 20, Kraftstoffschwefel im SECA Faktor 1.000) selbst bei termingerechter Umsetzung der jeweils nächsten Emissionsgrenzwerte in 2015 bzw bliebe ein erheblicher Emissionsnachteil für den Schiffsverkehr o in den ECAs: NO X ca. Faktor 5, Kraftstoffschwefel Faktor 100 o außerhalb der ECAS: NO X ca. Faktor 20, Kraftstoffschwefel Faktor 500 2

11 Abbildung 1: Vergleich der europäischen Grenzwerte für NOX-Emissionen (links) und Kraftstoffschwefel (rechts) im Straßenverkehr im Vergleich mit den entsprechenden IMO Grenzwerten für den internationalen Seeverkehr Bereits in den letzten 20 Jahren ist der Beitrag des internationalen Schiffsverkehrs an den Gesamtemissionen kontinuierlich gestiegen. Dies ist in Abbildung 2 beispielhaft am Anteil des internationalen Seeverkehrs an den NO X -Emissionen in Deutschland aufgezeigt. Dieser Anteil hat sich im dargestellten Zeitraum mehr als verdoppelt. Eine Umkehr dieses Trends ist selbst bei termingerechter Umsetzung der geplanten Grenzwerte für den Schiffsverkehr nicht zu erwarten. Abbildungen 2: Entwicklung des Anteils des internationalen Seeverkehrs an den NOX-Emissionen in Deutschland [1] Die Wahrnehmung der Umweltbilanz des Schiffsverkehrs hat sich in der Öffentlichkeit in jüngster Vergangenheit schnell und erheblich verschlechtert. Statistische Hochrechnungen über die durch Schiffsemissionen jährlich verursachte Todesfälle (NABU: Todesfälle jährlich allein in Europa [2], Corbett: Herz- und Lungenkrebserkrankungen weltweit jährlich [3]) alarmieren die Öffentlichkeit. Sogar die Kreuzfahrtbranche, generell mit modernen und gut gemanagten Schiffen ausgestattet, sieht sich erheblichen Vorwürfen bezüglich ihrer CO 2 -, SO X - und Partikelemissions-Bilanzen ausgesetzt. Diese Vorwürfe können nicht immer in allen Details einer wissenschaftlichen Überprüfung standhalten. Jedoch kann die Schifffahrtsbranche diesen Vorwürfen im Augenblick nicht mit einem klar nachvollziehbaren Zeitplan für die Umsetzung zeitgemäßer, anspruchsvoller Emissionsgrenzwerte entgegentreten. 3

12 Die Umsetzung deutlich strengerer Emissionsgrenzwerte wird den Einsatz zusätzlicher Technologien an Bord von Schiffen notwendig machen, wodurch Kostensteigerungen entstehen. Dies galt und gilt aber ebenso für den straßengebundenen Transport, wo umfangreiche Abgasnachbehandlungssysteme gestiegene Investitionskosten für die Fahrzeuge bedingen und steigende Kosten für die (schwefelfreien) Kraftstoffe und Straßengebühren durch die Industrie zu bewältigen sind. Dass die Voraussetzungen für die Einführung zusätzlicher Technologien, wie z.b. SCR- Katalysatoren, Common-Rail-Einspritzsystemen oder auch Schwefelwäscher, im Schiffsverkehr nicht unbedingt zu dramatisch ansteigenden Frachtraten führen muss, kann Abbildung 3 entnommen werden. Die Kosten für Investition und Finanzierung eines Transportschiffes tragen nur zu etwa 7% zu den Frachtraten bei, eine anteilige Steigerung dieser Kosten würde also deutlich gedämpft auf die Frachtraten rückwirken. Abbildung 3: Zusammensetzung der Frachtrate am Beispiel eines dwt Tankers mit 20 Jahren Lebensdauer [4] Im Hinblick auf die von der IMO vorgegebenen zukünftigen Emissionsgrenzwerte haben Motorenentwickler und Zulieferer in den vergangenen Jahren eine Vielzahl von Technologien und Konzepten zur Senkung der Emissionen aus Schiffsdieselmotoren hinsichtlich ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit betrachtet und weiterentwickelt. Klare und anspruchsvolle gesetzgeberische Vorgaben zur Absenkung der Emissionsgrenzwerte und ein verlässlicher Plan zu deren einheitlichen zeitlichen Umsetzung würden eine erfolgreiche Übertragung dieser Technologien in die industrielle Anwendung nicht nur erheblich beschleunigen, sie würden für Motorenhersteller, Zulieferer und Betreiber auch Planungs- und Investitionssicherheit bedeuten, wodurch nachhaltige Wertschöpfung erreicht werden könnte. 3. Entwicklungstrends vor dem Hintergrund IMO Tier III und Schwefellimits 3.1 Einhaltung der NO X -Emissionen mittels SCR Für die Einhaltung der IMO Tier III NO x -Grenzwerte zeichnet sich im Augenblick die SCR- Technologie als generell bevorzugter Lösungsansatz ab. Das gilt insbesondere für den Bereich der schnell- und mittelschnelllaufenden Schiffsdieselmotoren. Während NO X - Grenzwerte im Bereich von 3,5 bis 4,0 g/kwh (z.b. EU Schienenfahrzeuge Stage IIIB, USA EPA Tier 4 interim) bei Verwendung sauberer Destillatkraftstoffe durch den Einsatz von AGR- Konzepten erreicht werden können, ermöglicht die SCR-Technologie auch die Einhaltung der von der IMO vorgegebenen NO x -Grenze von ca. 2 g/kwh (abhängig von Motornenndrehzahl) selbst beim im Schiffsbetrieb üblichen Einsatz von Rückstandsbrennstoffen mittlerer Qualität. Die eingesetzten Vanadium-Wolfram-Titanoxid (VWT) SCR-Materialien können dabei in 4

13 Abhängigkeit der Abgas- bzw. Betriebstemperaturen Schwefelanteile im Kraftstoff bis ca. 2% tolerieren. Jedoch scheidet für derartige Anwendungen der Einsatz eines vorgelagerten Diesel-Oxidationskatalysators aus, womit eine Verschiebung des NO/NO 2 Gleichgewichts und damit eine Begünstigung der Fast-SCR Reaktion im anschließenden SCR-Katalysator nicht möglich ist. In Abbildung 4 ist die heute übliche Integration eines SCR-Katalysators in den Abgasstrang eines schnell- bzw. mittelschnelllaufenden Schiffsdieselmotors schematisch dargestellt. Die zur Bereitstellung des Reduktionsmittels Ammoniak mitgeführte wässrige Harnstofflösung ist an Bord von Schiffen üblicherweise höher konzentriert als bei Straßenanwendungen, da ihr Einfrieren an Bord von Schiffen nicht befürchtet werden muss und somit die Reichweite des Reduktionsmittels erhöht werden kann. Abbildung 4: Schematische Darstellung der Integration eines SCR-Katalysator am 4-Takt Schiffsdieselmotor Soll die SCR-Technologie an hocheffizienten Schiffsdieselmotoren mit sehr niedrigen Abgastemperaturen eingesetzt werden, kann das für die SCR-Reaktionen notwendige Temperaturfenster bei einer Einbauposition nach ATL-Turbine nicht mehr sicher erreicht werden. Das gilt für moderne 2-Takt Schiffsdieselmotoren, aber auch für zukünftige 2-stufig aufgeladenen Mittelschnellläufer. Für diese Anwendungen muss der SCR vor bzw. zwischen die Turbinenstufen des ATL platziert werden (Abbildung 5). Neben erheblichen Anforderungen an die Regelung und Absicherung der Aufladegruppe, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll, ergibt sich auch ein verändertes Betriebsdruckniveau für den SCR. Diese Druckänderung hat Auswirkungen auf das Speicher- und Konvertierungsverhalten des SCR- Katalysators. Abbildung 5: Schematische Darstellung der Integration eines SCR-Katalysator an einem 2-stufig aufgeladenen 4-Takt Schiffsdieselmotor Untersuchungen zum Verhalten von Standard VWT-basierten SCR Katalysatormaterialien an einem druckfesten Modellgasprüfstand zeigten unter anderem einen starken Einfluss des Betriebsdrucks auf die Ammoniak-Speicherfähigkeit des Katalysators. Dieser Effekt ist vor allem bei Lastwechseln am Motor zu berücksichtigen. Da ein Lastsprung auch mit einer Druckänderung an der Einbauposition des SCR vor Turbine verbunden ist, muss für eine korrekte Dosierung des Reduktionsmittels die druckbedingte Änderung der NH 3 -Adsorption 5

14 am SCR berücksichtigt werden, um NO X oder NH 3 Durchbrüche bei Lastanhebung bzw. Lastabsenkung zu verhindern [5]. Eine Anhebung des Betriebsdrucks hat weiterhin Auswirkungen auf die Energie- und Stofftransportprozesse im Katalysator und auf die chemischen Reaktionen an seiner Oberfläche. Messungen an einem 1-Zylinder Forschungsmotor im Schwerölbetrieb [5] zeigten, dass bei einer Anhebung des Betriebsdrucks eine Zunahme der stationären NO X - Konvertierungsrate bei hohen Raumgeschwindigkeiten am SCR erreicht werden kann (Abbildung 6). Abbildung 6: Links: Druckabhängige Zunahme der Ammoniakadsorption an zwei VWT-SCR Keramiken (100 und 200 cpsi); Rechts: Druckabhängige Änderung der stationären NOX- Konvertierungsraten an einem VWT-SCR Katalysator, Motorbetrieb mit Schweröl [5] Für den zuverlässigen und effizienten Einsatz der SCR-Technik für diese Einbaupositionen besteht noch weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich der Prozesse am Katalysator selbst aber auch hinsichtlich Eindüsung und Aufbereitung des Reduktionsmittels sowie hinsichtlich der Wechselwirkungen zwischen SCR, ATL und Motorbetrieb, insbesondere bei instationären Betriebszuständen. 3.1 Einhaltung der NO X -Emissionen mittels AGR Eine Vielzahl von Untersuchungen an PKW- und LKW-Dieselmotoren zeigt, dass NO X - Emissionen im Bereich kleiner 2 g/kwh mittels gekühlter Abgasrückführung sicher erreicht werden können. Im Rahmen eigener Untersuchungen an einem mittelschnelllaufenden Schiffsdieselmotor konnten diese Aussagen auch für den Großmotor grundsätzlich bestätigt werden [6]. Bei AGR-Raten im Bereich von 30% ist eine Unterschreitung der IMO Tier III NO X - Grenzwerte möglich (siehe Abbildung 7), bei gleichzeitig nur geringfügigen Mehrverbräuchen. 6

15 Abbildung 7: Influence of the EGR rate and rail pressure on the NOX soot trade-off Influence of post injection on the soot at use of EGR [6] Für einen breiten Einsatz der AGR am Schiffsdieselmotor sind jedoch noch eine Reihe von Fragen zu klären. Insbesondere die im AGR-Betrieb stark ansteigenden Partikelemissionen müssen deutlich abgesenkt werden (mindestens unter die Sichtbarkeitsgrenze). Es zeigt sich, dass neben einer weiteren deutlichen Anhebung des Einspritzdrucks auch die Einführung einer Nacheinspritzung zur Kontrolle der Abgasschwärzung eingesetzt werden sollte, zwei Forderungen, die sich nur mit modernen Hochdruck Common-Rail Einspritzsystemen umsetzen lassen. Weiterhin muss das mit steigernder AGR-Rate absinkende globale Luftverhältnis wieder angehoben werden, was erhöhte Ladeluftdrücke erfordert, die wiederum nur über eine 2-stufige Aufladung realisiert werden können. Damit ergibt sich für die Umsetzung der AGR am mittelschnelllaufenden Schiffsdieselmotor das in Abbildung 8 dargestellte Anlagenschema. Abbildung 8: Schematische Darstellung eines AGR-Konzepts mit 2-stufiger Aufladung und Hochdruck Common-Rail Einspitzsystem Für die Anwendung der AGR im maritimen Umfeld ist die Kraftstofffrage zu klären. Selbst unter der Voraussetzung, dass die AGR nur innerhalb der ECAs bei gleichzeitigem Einsatz von schwefelreduziertem Kraftstoff (S<0,1% m ) genutzt wird, stehen nur unzureichende Erfahrungen über die Dauerhaltbarkeit der Einspritzsysteme (höchste Raildrücke im Destillatbetrieb bei gleichzeitiger Schwerölfähigkeit), der Brennraumkomponenten (Kaltkorrosion) und der Bauteile im AGR-Pfad zur Verfügung. Beispielhaft seien hier die Untersuchungen zu Verschmutzungsprozessen an AGR-Kühlern bei Einsatz von Kraftstoffen mit 0,1% m Schwefel genannt [7]. Mögliche Rückwirkungen auf das Schmieröl und Regelkonzepte für die Aufladegruppe im AGR und Nicht-AGR Betrieb bedürfen ebenfalls weiterer Anstrengungen im Forschungs- und Entwicklungsbereich. 7

16 3.2 Dual-Fuel Motoren zur Einhaltung von NO X und SO X Es zeichnet sich ab, dass die Nutzung von Erdgas in Dual-Fuel Motoren für eine zunehmende Anzahl von Schiffskonzepten eine effektive und effiziente Methode zur Einhaltung der zukünftigen NO X und SO X Vorgaben sein wird. Im Erdgasbetrieb ermöglichen die Dual-Fuel Motoren eine sichere Einhaltung der zukünftig innerhalb der ECAs vorgeschriebenen Grenzwerte für NO X und SO X ohne weitere Abgasnachbehandlung. Extrem geringe Partikelemissionen sowie günstige Weltmarktpreise und die langfristige Verfügbarkeit sprechen ebenfalls für eine langfristige Nutzung von Erdgas als Kraftstoff im Schiffsverkehr. Die aktuell verfügbaren Dual-Fuel Motoren sind Derivate etablierter schweröltauglicher Dieselmotoren. Sie arbeiten im Gasbetrieb als gemischverdichtende Motoren mit Pilotstrahlzündung. Eine Einbringung des Brenngases über saugrohrseitig installierte, magnetgesteuerte Gasdosierventile sowie ein zusätzliches Einspritzsystem inklusive zusätzlicher Injektoren für die Einspritzmengen der Pilotzündungsmenge stellen den aktuellen Stand der Technik dar. Das volllastfähige Einspritzsystem für den flüssigen Kraftstoff ist in der Regel ein schwerölfähiges PLD Einspritzsystem und wird weitgehend unverändert vom Dieselmotor übernommen (Abbildung 9). Zur Regelung der Gasdosierventile, des CR- Piloteinspritzsystems, zur Klopfregelung und zur Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebszuständen (Gas Flüssigkraftstoff) werden deutlich komplexere Steuergeräte und Steueralgorithmen als für den Standard-Dieselmotor benötigt. Abbildung 9: Schematische Darstellung eines Dual-Fuel Motors Die Hauptherausforderung bei der Einführung der Dual-Fuel Technologie ist momentan die eingeschränkte Verfügbarkeit von LNG an den relevanten Schiffsliegeplätzen. Gelingt es, die notwendigen logistischen, rechtlichen und sicherheitstechnischen Voraussetzungen für das Bebunkern von Handels- und Passagierschiffen mit LNG zu schaffen, dann ist von einem starken Umsatzwachstum bei Dual-Fuel Motoren auszugehen. Mit einem weiteren Wachstum der Dual-Fuel Motoren Nische werden aber auch die technischen Optimierungsbedarfe stärker zu Tage treten. Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht hier vor allem auf folgenden Feldern: Reduzierung des Methan-Schlupfs: Die aufgrund des günstigen H/C-Verhältnisses von Methan erreichbaren Vorteile in der CO 2 -Bilanz können momentan aufgrund des hohen Methanschlupfs und des Treibhausgasfaktors von Methan in der Praxis kaum realisiert werden Einsatz eines kleinstmengenfähigen Haupteinspritzsystems: Durch ein CR- Einspritzsystem für den Flüssigkraftstoff, das sowohl Volllastmengen für den Flüssigkraftstoffbetrieb als auch Zündstrahlmengen für den Gasbetrieb zuverlässig absetzen kann, könnte das aktuell benötigte separate Piloteinspritzsystem entfallen. Gleichzeitig würde die Common-Rail Technologie am Dual-Fuel Motor Einzug halten. Erweiterung des im Gasbetrieb nutzbaren Motorkennfelds: Aufgrund des engen Betriebsfensters zwischen Klopf- und Aussetzergrenze ist heute noch kein Gasbetrieb im gesamten Kennfeldfenster des Dieselmotors möglich. Durch innovative Brennverfahren und Regelungskonzepte sind die bestehenden Grenzen zukünftig weiter auszudehnen. 8

17 Wirkungsgradsteigerung: Hohe Wirkungsgrade, vor allem im Gasbetrieb, werden zukünftig an Bedeutung gewinnen. 3.3 Schwefelarmer Kraftstoff versus Schwefelwäscher Die von der IMO ab 2015 innerhalb der SECAs geforderte Nutzung von Kraftstoff mit einem Schwefelanteil von maximal 0,1% m Schwefel bedingt de facto einen Wechsel von Schweröl auf Destillatkraftstoffe. Dieser Wechsel ist mit einem Anstieg der Kraftstoffkosten um mehr als 30% verbunden. Alternative Technologien zur Senkung der SO X Emissionen treffen also auf erhebliches kommerzielles Interesse, wenn ihre Abreinigungseffizienz so hoch ist, dass ein weiterer Schiffsbetrieb mit Schweröl zulässig ist. Das hat zur Entwicklung verschiedener Schwefelwäschersysteme geführt. Neben trockenen Verfahren der Abgasentschwefelung gibt es nasse Verfahren, die nach geschlossenen und offenen Systemen unterschieden werden. Nasse Schwefelwaschverfahren im offenen Kreislauf führen nur zu einer Verlagerung der SO X Emissionen aus der Luft in das Wasser. Ein Einsatz dieser offenen Verfahren in größerem Umfang erscheint ökologisch daher nicht zielführend. Sowohl die geschlossenen nassen als auch die trockenen Entschwefelungsverfahren ermöglichen eine dauerhafte Entfernung der SO X Emissionen aus der Umwelt, weshalb sie in ihrer positiven Auswirkung auf die Umwelt mit dem Einsatz von schwefelarmen Kraftstoff gleichgesetzt werden können. Bei einer bestätigten SO X -Abscheiderate von etwas über 90% ermöglichen Schwefelwäscher auch nach 2015 einen fortgesetzten Schiffsbetrieb mit Schweröl mit 1% m Schwefelanteil innerhalb der SECAs. Perspektivisch würde eine 50%ige Abscheiderate genügen, um nach 2020 die außerhalb der SECs geltenden IMO Anforderungen bei Einsatz eines Schweröls mit 1% Schwefel die zu erfüllen. Vor allem trockene Schwefelwäscher können günstig stromauf eines SCR-Katalysators angeordnet werden, da sie im stationären Betrieb zu keiner signifikanten Abkühlung des Abgasstroms führen. Die Betriebsbedingungen für einen nachgeschalteten SCR-Katalysator verbessern sich dann deutlich. Folgende Herausforderungen verhindern zur Zeit trotz der positiven ökonomischen Bilanz eine breitere Anwendung von Schwefelwäschern: Bauraumanforderungen: Insbesondere trockene Schwefelwäscher benötigen erheblichen Bauraum. Nachträgliche Integration in bestehende Schiffsprojekte, insbesondere bei Fähren, ist damit oft nicht möglich. F&E-Aktivitäten zur Ausschöpfung aller Potenziale zur Verringerung von Bauraum, Gewicht und Granulatverbrauch sind dringend erforderlich. Installationsaufwand: Nasswäscher sind mit erheblichen Aufwendungen für Rohrbau, Pumpen, Speicher und Wasseraufbereitung verbunden. Wie bei Trockenwäschern wird dadurch die Installation in bestehende Schiffe äußerst schwierig. Reichweite/Speicherkapazität: Wenn Schwefelwäscher über den Status einer Brückentechnologie hinaus kommen sollen, muss die SO x -Speicherkapazität soweit erhöht werden, dass nicht nur Kurzstreckenbetrieb innerhalb der SECAs dargestellt werden kann. Die Integration der Schwefelwäscher in Gesamtkonzepte zur Emissionsreduzierung ist weiter zu untersuchen. Die Kombination von Schwefelwäschern mit SCR- Katalysatoren oder Schwefelwäschern mit AGR-Konzepten ist bisher noch nicht ausreichend betrachtet worden. 9

18 4. Senkung der Partikelemissionen aus Schiffsdieselmotoren die nächste große Herausforderung 4.1 Partikelemissionen aus Schiffsdieselmotoren eine schnell wachsende Debatte Partikelemissionen aus Schiffsdieselmotoren sind ein typisches Beispiel für die Folgen einer verzögerten Einführung anspruchsvoller Emissionsgrenzwerte. Vor 20 Jahren waren die Partikelemissionen aus Schiffsdieselmotoren vergleichsweise klein und Großmotoren konnten auf einen Emissionsvorteil gegenüber kleineren Light- und Medium-Duty Dieselmotoren verweisen. Vor allem aufgrund der durch die hohen Aufladegrade bedingten hohen Verbrennungsluftverhältnisse, die auch bis zur Volllast gewährleistet werden konnten, zeigten Großmotoren zumindest bei Destillatbetrieb nur sehr geringe Abgasschwärzungen. Mit flächendeckender Einführung der Diesel-Partikelfilter im Straßenverkehr und zunehmend auch bei mobilen Maschinen hat sich die Situation objektiv und in der öffentlichen Wahrnehmung komplett geändert (Abbildung 10). Schwarze Abgasfahnen hinter Taxis, Bussen und LKW sind bis auf wenige Ausnahmen komplett aus der Alltagswelt verschwunden. Damit sind die Partikelemissionen aus dem Schiffsverkehr sehr schnell und mit hoher Brisanz in den Fokus der öffentlichen Wahrnehmung getreten. Insbesondere Fähr- und Kreuzfahrtschiffbetreiber werden sich in europäischen Häfen sehr schnell Forderungen ausgesetzt sehen, die Maßnahmen zur nachhaltigen Absenkung der Partikelemissionen erforderlich machen. Die Tatsache, dass seitens der IMO aktuell keine Einführung von PM- Grenzwerte zu erkennen ist, wird den entstehenden Handlungsdruck nicht dämpfen. Abbildung 10: Entwicklung der PM Emissionsgrenzwerte im europäischen Straßenverkehr, Vergleich mit PM-Emissionsniveau von Schiffsdieselmotoren 4.1 Ansätze zur motorinternen Reduzierung der Partikelemissionen Der effizienteste Ansatz zur motorinternen Reduzierung der Partikelemissionen ist die Umstellung auf Betrieb mit Erdgas (LNG). Das Abgas der Dual-Fuel Motoren im Gasbetrieb ist praktisch partikelfrei. Geringfügige Fortschritte ließen sich noch durch Senkung der aus dem Schmieröl stammenden Partikel erzielen. Da Dual-Fuel Motoren aber auch einen Schwerölbetrieb (ohne vorherigen Schmierölwechsel) darstellen müssen, ist hier kurzfristig keine Verbesserung möglich. Ein Wechsel von Schweröl auf Destillatkraftstoff führt ebenfalls zu einer deutlichen Senkung der Partikelemissionen. Vergleichende Messungen [8] zeigten eine Verringerung der Partikelemissionen um 80% bei einem Wechsel von Schweröl (2,6 % m Schwefel) auf Destillatkraftstoff (0,16 % m Schwefel). Jedoch ist zu erwarten, dass allein durch einen Wechsel auf Destillatkraftstoff die momentan aufflammenden Diskussionen zu den Partikelemissionen 10

19 aus Schiffsmotoren nicht beendet werden können. Im Fokus der aktuellen Diskussion stehen Fähren und im Hafen liegende Kreuzfahrtschiffe. Diese werden aufgrund der aktuellen Gesetzgebung bereits heute mit relativ sauberen Kraftstoffen (< 1% Schwefel) bzw. Destillaten (<0,1% Schwefel) betrieben. Da nicht alle Schiffskonzepte bzw. Motoren auf Dual-Fuel Betrieb umgestellt werden können, gilt es auch Lösungen für mit flüssigem Kraftstoff betriebene Motoren zu entwickeln. Wie schon in Kapitel 3.1 erwähnt, kann motorintern eine Reduzierung der Partikelemissionen vor allem durch Anhebung des Einspritzdrucks und durch Umsetzung von Mehrfach-Einspritzkonzepten erreicht werden. Insbesondere die angehängte Nacheinspritzung ermöglicht eine nahezu verbrauchsneutrale Reduzierung der Partikelemissionen durch Intensivierung der Rußabbrandphase am Ende der Verbrennung. Solche Konzepte können nur mittels höchstdruckfähiger Common-Rail Systeme umgesetzt werden, die zusätzlich in der Lage sein müssen Kleinstmengen reproduzierbar abzusetzen. Bezüglich der Dauerhaltbarkeit derartiger Einspritzgeräte gibt es vor allem bei gleichzeitig geforderter Schweröltauglichkeit weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Das gleiche gilt für geeignete Motorsteuerungskonzepte, die die komplexen Mehrfacheinspritzstrategien auch bei schwankenden Kraftstoffeigenschaften korrekt umsetzen. 4.2 Abgasnachbehandlungskonzepte zur Reduzierung der Partikelemissionen Die Einführung der Dieselpartikelfilter hat innerhalb der EU die erfolgreiche Umsetzung extrem anspruchsvoller PM-Emissionsgrenzwerte für den Straßenverkehr ermöglicht. Es liegt daher nahe, eine Übertragung dieser erfolgreichen Technologie auf Großmotoren und maritime Anwendungen anzustreben. Um dieses Ziel zu erreichen sind grundsätzliche neue Lösungen zu finden. Die zu bearbeitenden Fragestellungen lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: Auswahl eines geeigneten DPF-Konzepts: Aus der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Filterkonzepte ist das für den Großmotor bestgeeignetste auszuwählen. Während offene Partikelfilter unbefriedigende Abscheideraten zeigen, bergen geschlossen Filterkonzepte die Gefahr des Verstopfens. Metallische und keramische Filter unterscheiden sich in ihrem Asche-Einspeicherungsvermögen aber auch hinsichtlich Preis und Robustheit. In der Vergangenheit getestete Elektrofilter scheinen für motorische Anwendungen ungeeignet zu sein. Festlegung einer zuverlässigen Regenerationsstrategie: Solange aufgrund des Schwefelgehalts im Kraftstoff keine Diesel-Oxidationskatalysatoren (DOC) vorgeschaltet werden dürfen, kann der CRT-Effekt nicht für eine Filterregeneration genutzt werden. Eine aktive thermische Regeneration des DPF ist am Großmotor aufgrund der niedrigen Abgastemperaturen noch schwieriger umzusetzen als bei Medium- und Heavy-Duty Dieselmotoren in mobilen Anwendungen. Wiederum fehlt der DOC, an dem HC-Schwälle exotherm in Wärme umgesetzt werden könnten. Separate Brenner zur temporären Anhebung der Abgastemperatur sind mit erheblichen Herausforderungen hinsichtlich Bauraum, Zuverlässigkeit, Steuerung und Betriebskosten verbunden. Eingrenzung der mit einem DPF-Einsatz kompatiblen Kraft- und Schmierstoffqualitäten: Der Einsatz eines DPF im klassischen Schwerölbetrieb ist offensichtlich nicht zeitnah umsetzbar. Die Frage, für welche Kraft- und Schmierstoffqualitäten ein DPF Einsatz mit kommerziell praktikablen Wartungsintervallen in den nächsten Jahren erreicht werden kann, ist völlig offen. Limitierung des Abgasgegendrucks: Großmotoren sind besonders sensibel gegen erhöhte Abgasgegendrücke. Welche Maßnahmen in der Motorauslegung die Toleranz gegenüber erhöhten Abgasgegendrücken steigern könnten und wie die Zunahme des Abgasgegendrucks über DPF für ausreichend lange Betriebsintervalle minimiert werden kann, muss beantwortet werden. 11

20 Systemintegration: Wie ein DPF an einem Großmotor mit anderen Abgasnachbehandlungskomponenten optimal zu kombinieren ist, hängt stark von den zugelassenen Kraftstoffqualitäten und den Regenerationskonzepten ab. Hier ist insbesondere die Unklarheit über die Weiterentwicklung der Emissionsgrenzwerte nach IMO Tier III hinderlich. 5. Dual-Fuel und Gasmotoren Notwendige Verbesserungen eines sauberen Konzepts Bei Dual-Fuel und Gasmotoren besteht mittelfristig Forschungs- und Entwicklungsbedarf auf folgenden Gebieten: Minimierung des Methanschlupfs, effektive Klopfregelung, Erweiterung des Motorkennfelds, Steigerung des Wirkungsgrads und Verbesserung der Lastaufnahme. Ein Brennverfahren welches bezüglich der oben genannten Entwicklungsziele erhebliches Potenzial verspricht ist das Gas-DI-Hochdruckverfahren. Hierbei wird das Brenngas nicht während des Gaswechsels über das Saugrohr zugeführt sondern erst am Ende des Verdichtungstaktes über ein Gas-Einblaseventil direkt in den kompakten Brennraum eingeblasen. Dort vermischt es sich aufgrund des Einblaseimpulses und der Ladungsbewegung mit der komprimierten Frischladung (heterogene Gemischbildung). Die Zündung wird über eine geeignete Zündhilfe, typischerweise eine Kleinstmenge flüssigen Kraftstoffs, eingeleitet. Die Verbrennung erfolgt weitgehend als Diffusionsverbrennung. Die Vorteile liegen auf der Hand. Da sich während der Verdichtung kein Brenngas/Luft- Gemisch im Zylinder befindet, kann Klopfen effektiv vermieden werden. Dies ermöglicht die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses und damit die Steigerung des Wirkungsgrads. Da keine Klopfgefahr besteht, kann während einer Lastaufschaltung die zudosierte Brenngasmenge kurzfristig erhöht werden und damit die Lastreaktion verbessert werden. Weiterhin kann das Motorkennfeld auch nach unten ausgedehnt werden, da aufgrund der heterogenen Gemischbildung auch Zündaussetzer vermieden werden. Schließlich verringert die Gaseinblasung im Bereich des oberen Totpunkts und die damit verbundene heterogene Gemischbildung den Methanschlupf, da kein Brenngas/Luft-Gemisch in Brennraumspalten gelangt und Flame-Quenching an kalten Bauteiloberflächen ebenfalls minimiert werden kann. Abbildung 11: Gas-DI-Hochdruckverfahren für Gas und Dual-Fuel Motoren der Zukunft Allerdings bedingt das Gas-DI-Hochdruckverfahren einen erhöhten Systemaufwand, da das Brenngas mit Drücken weit oberhalb des Kompressionsenddrucks am Motor bereitgestellt werden muss und über geeignete magnetgesteuerte Dosierventile in den Brennraum einzublasen ist. Die benötigte Verdichterarbeit zur Bereitstellung des Brenngasdrucks ist bei Betrachtungen des Systemwirkungsgrads als Verlustleistung (Reibleistung) zu berücksichtigen. Das heterogene Brennverfahren mit hohen Temperaturen in der verbrannten Zone und Luftüberschuss wird außerdem zu erhöhten NO X -Emissionen führen. Diese können bei strengen NO X -Grenzwerten eine Abgasnachbehandlung mittels SCR-Katalysator erforderlich machen. 12

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