Möglichkeiten zur Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt. Düsseldorf, , Dr. Dirk Bergmann

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1 Möglichkeiten zur Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt Düsseldorf, , Dr. Dirk Bergmann

2 Agenda 1. Produktportfolio Tognum Group /MTU Friedrichshafen GmbH Fokus Marine 2. Emissionsgrenzwerte Off-Highway / SOx-Grenzwerte Kraftstoffe 3. Technologien zur Emissionsminimierung Überblick Dieselpartikelfilter (DPF) und Regenerationsmaßnahmen 4. Felderfahrung Partikelreduktion 5. Ausblick & Zusammenfassung Seite 2 Smart Rivers Conference TSV / Dr. Hehle

3 Seite 3 Smart Rivers Conference TSV / Dr. Hehle Produktportfolio

4 Tognum Starke Marken vereint unter einem Dach Business Units Marken Produkte Dieselmotoren und komplette Antriebssysteme Gasbetriebene Energiesysteme Dieselbetriebene Energiesysteme Einspritzsysteme Seite 4 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

5 Tognum Produktportfolio Business Unit Engines Marine Yachts Commercial Naval Industrial Rail C&I Agric. Mining Defense Business Unit Onsite Energy & Components Oil & Gas Light and Onshore Medium Vehicles Offshore Heavy Vehicles Seite 5 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann Diesel Systems Gas Systems Injection Systems Emergency Power Continuous Power Highspeed Engines Prime Power Medium Speed Continuous Power Engines

6 Motoren und Systeme BR 4000 Bahn, C&I, Marine, GenDrive, O&G Seite 6 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

7 Emissionsgrenzwerte Seite 7 Smart Rivers Conference TSV / Dr. Hehle

8 Nonroad Gesetzgebung für Dieselmotoren >560 kw US EPA und EU EPA EU 0, Tier 2 0, Tier 2 C&I C&I Marine* Inland Waterway* Currently no EU limits 2011 Tier 4i 2015 Tier Tier 3 0, Tier Tier 4 Tier 4 0,1 Rail (Switch) 2006 Tier 2 (11/0,3) 2012 Tier 3 0,1 Stage IV under consideration (2 options, 2016) NOx+HC / NOx [g/kwh] Stage IV (CCNR) Stage 2IIIB 2 0, Currently no EU wide limits Stage IV under consideration (2 options, ) Existing local regulations, e.g. German TA Luft [g/m³n] Stationary Gen. PM [g/kwh] Stage IV IWV limits under consideration (2 options, 2016) 2016 Stage IV (Euromot) 2011 Tier 4i < 900 kw 2011 Tier 4i >900 kw 0, Stage IIIA Rail (Locomotive) 2009 Stage IIIA 2006 Tier 2 *: Marine and IWV limits refer to: 2,5<Vhz<5,0L ; 1400<p<2000kW Seite 8 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann Stationary Gen. 0,2 PM [g/kwh]

9 Entwicklung Schwefelgrenzwerte Kraftstoffe US Non-Road Who Covered Fuel Large Refiners & Importers Small Refiners & Other Exceptions Unit NON-ROAD LOCOMOTIVE & MARINE ppm NON-ROAD, LOCOMOTIVE & MARINE EU Non-Road ab : max. Schwefelanteil im Kraftstoff 10mg/kg (in Anfangsphase 20mg/kg zulässig) auch gültig für Non-Gas-Oil Kraftstoffqualitäten im Bereich Binnenschifffahrt und Sportboote IMO SOx-Grenzwerte Globale Obergrenze Schwefelanteil im Kraftstoff bis 2012: 4,50 % ( ppm) ab 2012: ab 2020: 3,50 % ( ppm 0,50 % (5.000 ppm) in 2018: Review zu Einführungstermin 0,5% Grenzwert Seite 9 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann Quelle: Emission-Control-Areas vor : 1,50 % ( ppm) ab : ab 2015: 1,00 % ( ppm) 0,10 % (1.000 ppm)

10 Emissionsminimierung Seite 10 Smart Rivers Conference TSV / Dr. Hehle

11 Technische Möglichkeiten zur Emissionsminderung Emissionsreduktion innermotorisch Aufladung Abgasnachbehandlung Tier 2 CO, HC: DOC IMO-20 Einspritzung IMO-40 Brennverfahren AGR Miller Cycle Seite 11 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann NOX: SCR Soot: DPF (Filter) Fokus Präsentation: Minimierung Partikelmission

12 Abgasnachbehandlung Überblick PM-Reduction Diesel DOC NOx-Reduction urea DPF SCR ASC different arrangements, depending on application DOC: Diesel Oxidation Catalyst DPF: Diesel-Particulate-Filter Seite 12 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann SCR: Selective catalytic Red. urea: DEF / AdBlue ASC: Ammonia Slip Catalyst

13 Abgasnachbehandlung Überblick: DPF Technologien Closed Systems Ceramic Wall Flow Filter Open Systems Partial Flow Filter/ PM-Cat SiC, Codierit Source: Emitec ηpm>90% Sinter Metal Seite 13 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann ηpm<<90%

14 Abgasnachbehandlung Überblick: DPF Regenerationsmaßnahmen soot oxidation starts around 600 C, temperature can be lowered by catalyst overall DPF regeneration: increase of exhaust temperature Active HC dosing Passive Diesel DOC continuously regenerating trap (CRT) DOC DPF Thermal management E.g. engine throttling, BOI variation, post injection etc. T, HC/ CO DOC DPF fuel borne catalytic additive to the fuel catalyst (FBC) decrease in soot oxidation temperature DPF T burner T el. heating T Seite 14 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann DPF NO2

15 Felderfahrung Seite 15 Smart Rivers Conference TSV / Dr. Hehle

16 Grenzwerte BSO: NOx 10g/kWh CO 20g/kWh HC 1,1g/kWh FSN 2,5 bei Volllast Felderfahrung - Partikelreduktion Bodenseefähre FS Meersburg Fähre FS Meersburg DOC + DPF (passive Regeneration) Nur geringfügige Modifikation an Abgasanlage erfordl. Particle Emissions Motor 12V 2000 M60 (565kW@1800rpm) unterschreitet deutlich geforderte Emissionsgrenzwerte der BSO zusätzl. Partikelreduktion durch DPF-System >90% Actually installed engines remain significantly under the local limits and future US legislation. The additional DPF will further reduce Particle emissions by 90% to 0,4 g/trip. 130 Gramm Soot per Trip > 6400h störungsfreier Betrieb Seite 16 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann BSO Limit US EPAII Series 2000 Series 2000 Legislation with DPF

17 Felderfahrung - Partikelreduktion DPF-Erprobung MS Willi Raab F&E-Vorhaben BMVBS DPF-Erprobung in der Binnenschifffahrt Reduzierung der Partikelemissionen Reduzierung der Partikelemissionen g/kwh 0,20,2 g/kwh ,2 g/kwh Einsatz: Elbe-Seitenkanal Remotorisierung Willi Raab mit 12V4000M60 + DPF mit Vollstrombrenner Emissionsabstimmung Motor: RheinSchUO Stufe II bzw. ZKR II (ab 2007) Emissionen ZKR II Partikelemission (%) Partikelemission (%) Partikelemission (%) PM g/kwh 7, ,2 0,14 zusätzl. Partikelreduktion durch DPF-System >90% Seite 17 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann > 90% > 90% 0 12V4000M60 6,13-30% 60 0 NOx - 30% - 30% Grenzwert 12V 4000M60 Rhein SchUO Grenzwert Stufe 2 Rhein SchUO 12V 4000M60 Stufe 2 > 90% 12V 4000M60 + DPF 12V 4000M60 Grenzwert 12V4000M60 12V4000M60 Rhein SchUO + DPF RheinSchUO + DPF Stufe 2 Stufe 2 Rhein SchUO RheinSchUO Stufe 2 Stufe 2

18 Felderfahrung - Partikelreduktion DPF-Erprobung MS Willi Raab Motor- und DPF-Einbau in MS Willi Raab Engine Series 4000 DPF MS Willi Raab Herausforderungen im Feld Probleme mit Bordspannungsstabilität Einbau USV-Anlage hoher Wärmeeintrag in Schiffsbereich bedingt durch DPF Nachrüstung Lüfteranlage Felderprobung erfolgreich beendet, Laufzeit > h Seite 18 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

19 Felderfahrung - Partikelreduktion Bodenseefähre Lodi Fähre LODI 8V4000M53R + DPF-Anlage Der Motor 8V4000M53R (hier 2x 746kW@1600rpm) unterschreitet deutlich die geforderten Emissionsgrenzwerte der BSO / ZRK II zusätzl. Partikelreduktion durch DPF-System >90% aktuelle Laufzeit 5400h, ca. 3500h Betrieb pro Jahr Seite 19 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann passiv regeneriendes DPF-System

20 Ausblick & Zusammenfassung

21 Wege zur Darstellung der zukünftigen Emissionsgesetzgebung 0,2 : MTU-Prototyp mit hoher AGR-Rate 0,18 : Gasmotor PM [g/kwh] 0,16 : homogenes Brennverfahren 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 SCR 0,02 zuk. Dieselmotor 0 0 0,5 1 1,5 2 NOx [g/kwh] Seite 21 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann ,5 3 3,5 4

22 Erhöhung der Brennstoffausnutzung durch Umwandlung der Abwärme in elektrische Energie Abgasenergie kw (100 %) 16V4000M63 Arbeitsschiff Schematischer Aufbau (Organic-)Rankine-Prozess Abgas 703 kw (46,9 %) Reibung 14 kw (0,9 %) Verdampfer 15 kw (1,0 %) Generator + Umrichter Expansionsmaschine Dampferzeuger Abgaswärmeübertrager Expander 1 2 Arbeitsmittelpumpe G Kondensator Rückkühler elektrische Nutzleistung 110 kw (7,3 %) 3 Kondensat 658 kw (43,9 %) Kondensator 5% effektiver Kraftstoffvorteil bezogen auf Motornutzleistung Elektrische Zusatzenergie Weitere Wärmequellen neben Abgas möglich Quelle: MTU-Studie Seite 22 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

23 Potenzial CO2-Einsparung Beispielrechnung Abwärmenutzung (EHR) auf Schiff 2x 16V4000M63 à Peff = kw (nmot = min-1) Abgaswärme zusammen ca kw (max. 420 C) Annahmen: EHR-wirksame Betriebsstunden im Jahr 5% Kraftstoffvorteil durch EHR jährliches CO2-Einsparpotenzial von >400 Tonnen pro Schiff bzw. 130 Tonnen Kraftstoff! Seite 23 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

24 Zukunftstechnologien Gasmotor dieselmotorische Verbrennung Partikel (PM) Vergleich diesel- und gasmotorische Verbrennung gasmotorische Verbrennung1 Partikelreduktionspotential Gasmotor ~ 90% (*) Gasmotor niedrigste PM-Emissionen bei deutlich geringeren NOx-Emissionen Herausforderungen an Einsatz Gasmotor in der Binnenschifffahrt Kraftstoffversorgung / Volumenbedarf Kraftstofftank Sicherheitskonzept Maschinenraum Bildquelle: KIT 1 *. abhängig vom Motorkonzept. Zündstrahlmotoren höher. Bei Motoren mit Zündkerze kommen die Partikelemissionen zum überwiegenden Teil aus dem Öl Quelle TSTV-Kunkel Seite 24 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

25 Conclusion Reduktion der Parteikelemissionen in der Binnenschifffahrt ist möglich Dieselpartikelfilter als technische Lösung einsetzbar zusätzliche Potenzial sind durch neue Antriebskonzepte gegeben Finanzierung der Umgestaltungen für neue Antriebskonzepte (Entwicklung, Umbau, Infrastruktur) ist eine größere Herausforderung, als die technische Machbarkeit Seite 25 Partikelreduktion in der Binnenschifffahrt TCL / Dr. Bergmann

26 Thank you for your attention.