Emissionsstrategien für Großmotoren in der Schifffahrt

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1 Emissionsstrategien für Großmotoren in der Schifffahrt Herausforderungen und Lösungsansätze Vortrag STGF Flensburg, Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik Universität Rostock Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren Nachmotorische Strategien Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR) Partikelfilter (DPF) 3. Zusammenfassung und Ausblick 2

2 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe 3 Emission Control Areas (ECA) NOx/SOx Kontrollgebiete - Dieselmotor NOx/SOx ECA s für Schiffsdieselmotoren Source: Maritime Cyprus Baltic/North Sea ECA North American ECA Discussed ECA s ECA: NECA: SECA: Emission Control Areas NOx Emission Control Areas SOx Emission Control Areas 4

3 NOx Abgasgrenzwerte Großdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor Stage 0 NOx-Emission IMO Limit for Medium Speed Engine n=1000 min-1 IMO Tier 1 Mittelschnellläufer im Schwerölbetrieb (TIER2), NOx max ca. 9,0 g/kwh Mittelschnellläufer im Destillatbetrieb (TIER3); NOx max ca. 2,2 g/kwh IMO Tier 2 Stage 1 Stage 2 Stage 3 EU Limit for Heavy Trucks Stage 4 Stage 5 Stufe Stage 5 6 IMO Tier 3 EU 6 Grenzwert Heavy Trucks: NOx = 0,3 0,4 g/kwh Jahr 5 PM Abgasgrenzwerte Großdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor PM [g/kwh] Partikelemission Stage 1 Stage 2 Medium Speed Engine n=1000 min -1 Mittelschnellläufer im Schwerölbetrieb (TIER2), (PM Anstieg zum Nkw bis ca. Faktor 20) Mittelschnellläufer im Destillatbetrieb (TIER3); Smokeless Operation EU Limit for Heavy Trucks Stage 3 Stage 4 u.5 Stage 6 Jahr Status: EU 6 Partikel-Grenzwert Heavy Trucks: 0,01 g/kwh Schiffsmotor: kein PM Grenzwert; nur sichtbarer Rauch limitiert EU 6 Grenzwert Heavy Trucks: PM=0,01 g/kwh 6

4 Kraftstoffe Schiffsdiesel vs. Nkw - Dieselmotor Eigenschaften EN 590 Diesel (EU on-road) Dieselkraftstoffe Marine Destillate DMB (ISO 8217) Marine HFO RGM 380 (ISO 8217) Dichte kg/m Kin. Viskosität mm 2 /s 4,5@40 C 11@40 C 380@50 C Stockpunkt C Koksrückstand % m/m 0,30 0,30 18 Aschegehalt % m/m 0,01 0,01 0,15 Schwefel % m/m 0,001 0,1 in SECA 3,5 Vanadium mg/kg < 0,1 < 0,1 300 Gesamtverschmutzung % m/m 0,0024 0,1 0,1 7 Kraftstoffe Schiffsdiesel vs. Nkw - Dieselmotor Gesetzgebung Kraftstoffschwefel Kraftstoffschwefel [%] Marine fuels: S-Gehalt außerhalb SECA Marine fuels: S-Gehalt in SECA Ab 2012: S=3,5% Ab 2015: S=0,1% Ab 2020: S=0,5% EU: Kraftstoffschwefel; ab 2005 Straßenfahrzeuge <10ppm ECA: NECA: SECA: Emission Control Areas NOx Emission Control Areas SOx Emission Control Areas Jahr 8

5 Common-Rail Einspritzsystem Schiffsdieselmotor - Dieselmotor Druckgesteuertes- vs. Zeit-Hub gesteuertes CR-Einspritzsystem Mehrfacheinspritzung HE Einspritzrate VE NE Zeit Einspritzrate Blockeinspritzung HE Zeit Schritt A: Freie Druckmodulation mit CR- Einspritzsystem Druckgesteuerte Einspritzdüse nur Blockeinspritzung möglich Schritt B: Freie Druckmodulation mit CR- Einspritzsystem Zeit-Hub gesteuerter Injektor Mehrfacheinspritzung möglich 10 Kraftstoffe Schiffsdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor Viskosität [cst] Vergleich Kraftstoffviskosität Systemlimit Diesel Fuel RMA 10 HFO 160 HFO 380 HFO Temperatur [ C] Marine HFO RGM 380 (ISO 8217) EN 590 Diesel (EU on-road) 11

6 Kraftstoffe Schiffsdieselmotor - Dieselmotor Einfluss Kraftstoffviskosität CR-Kraftstoffspeicher (beheizt) Schiffsdieselmotor CAT 6M20 mit CR Schiffsdieselmotor CAT 6M20 Kraftstoff Großmotor ist keine konstante Applikationsgröße Eingeregelte Schwerölviskosität typischerweise cst Konditionierung der Schweröltemperaturen teilweise bis zu 180 C erforderlich (Grenzbelastung Magnetventil (DMV)) 12 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung 13

7 Verfügbare Motortechnologien 14 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung 15

8 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Abgasrückführung (AGR) + angelagerte Nacheinspritzung (NE) Schiffsdieselmotor CAT 6M20 mit CR AGRbasiertes Konzept Motorintern, ohne Abgasnachbehandlung Innerhalb ECA Kraftstoff: Destillat, schwefelarm Einspritzsystem: Common- Rail mit Nacheinspritzung Ladeluftsystem: 2-stufig NOx-Reduzierung: IMO III durch AGR SOx-Reduktion: über Kraftstoff Schiffsdieselmotor CAT 6M20 16 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Abgasrückführung (AGR) + angelagerte Nacheinspritzung (NE) Schiffsdieselmotor CAT 6M20 mit CR AGR- Innerhalb ECA Zweifacheinspritzung basiertes Konzept Motorintern, ohne Abgasnachbehandlung Kraftstoff: Destillat, schwefelarm Einspritzsystem: Common- Rail mit Nacheinspritzung Ladeluftsystem: 2-stufig NOx-Reduzierung: IMO III durch AGR SOx-Reduktion: über Kraftstoff Einspritzrate HE Zeit NE 17

9 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept AGR im Teillastbetrieb / Raildruckvariation n = 1000 min -1 P Gen = 250 kw Motor 6M20 Raildruck [bar] IMO-Tier-III- Zielbereich Ergebnis: Durch Kombination von AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung können im Teillastgebiet unter Einsatz von Destillatkraftstoff NOx-Grenzwerte von ca. 2,0 g/kwh dargestellt werden. Nachteil: Partikelerhöhung durch AGR kritisch! 19 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept a) Abgasrückführung / Einfluss Raildruckvariation m E = konst. p Rail -Variation Raildruck p Rail [bar] a) 1 Zylindrisches Sackloch; 2 konische Kuppe; 3 Kehlradius; 4 Düsenkörpersitz 20

10 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept AGR: Raildruckvariation + Nacheinspritzung (NE) 0 CA -2 CA -4 CA -6 CA n = 1000 min -1 P Gen = 75% P max SOC = 10 BTDC p Rail = 1300 bar p Rail = 1500 bar p Rail = 1500 bar + NE1 IMO-Tier-III- Zielbereich Ergebnis: Auch bei Kombination von Abgasrückführung und Mehrfacheinspritzung (NE) sowie dem Einsatz von Destillatkraftstoff kann der NOx-Grenzwerte von ca. 2,0 g/kwh zz. nur im Teillastgebiet dargestellt werden Konsequenz: Einsatz druckgesteigertes CR-Einspritzsystem + Düsenoptimierung. 21 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Solenoid curremt Injection rate Pressure at injector inlet HE Einspritzrate [mg/ms] Einspritzrate [mg/ms] Optimierung Spitztiming Nacheinspritzung (NE) 300 [ t] PI = const p 500 μs t 250 p = μs μs NE m PI A 100 mpi B mpi C Zeit [ms] 300 t 250 p = 600 μs Zeit Time Zeit [ms] Zeit [ms] Dwell time A Dwell time B Dwell time C Dwell time A - C Einspritzrate [mg/ms] Einspritzrate [mg/ms] Bestromungspause HE-NE 300 t 250 p = 550 μs t p = 650 μs Zeit [ms] Zeit [ms] AD HE = 3,50 ms AD NE = 1,15 ms p Rail = bar Druckwellenkompensation bei zentraler CR-Speicherleiste zwingend Weiterer Lösungsansatz: Speicherinjektoren (Einzelspeicher) 23

11 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Neue Hochdruck-/Hochtemperatur-Einspritzkammer Eine der aktuell größten Einspritzkammern Speziell ausgelegt für Großmotor-Injektoren Technische Daten Max. Gasdruck Max. Gastemperatur 250 bar 900 K Beobachtbare Strahllänge Optische Zugänglichkeit 150 mm (zentrale Düseneinbaulage) 1 x 300 mm frontal 4 x 80 mm radial Gasatmosphäre Luft / N 2 24 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Hochdruck- / Hochtemperatur Brennkammer Zielsetzung: Sichtbarmachung Flüssig-/Dampfphase Bestimmung erster Zündorte und ZV Untersuchung der Spray/Wand-Interaktion Düsen-/Einspritzsystemvergleiche Entwicklung/Erprobung neuer Messtechniken Technische Daten: Dieseltypischer Drücke und Temperaturen p max = 250bar; T max = 900K Gasversorgung für N 2, O 2,..., Variable Gaskonzentration (z.b. AGR- Betrieb) 25

12 Schiffsdieselmotor AGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept Abgasrückführung (AGR): Problemstellung Kraftstoffschwefel: Bildung von H 2 SO 3 und H 2 SO 4 in AGR-Kühler und Ladeluftpfad Wärmetauscherleistung des AGR-Kühlers wird durch kritische Ablagerungen beeinträchtigt nur schwefelfreie Kraftstoffqualitäten erlauben einen zielführenden AGR- Betrieb zur NOx-Senkung Bildung von Ablagerungen (fouling) am AGR-Kühler durch Schwefelreaktionsprodukte 26 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren 28

13 Gasmotorenkonzepte Brennverfahren / Strategien Otto - Gasverfahren Diesel-Gas - Verfahren Gas-Diesel - Verfahren Quantitätsregelung äußere Gemischbildung Bevorzugt CNG (LNG) Homogenes Gemisch mit >1 Vorkammer mit 1 Fremdzündung (ZK) Brennverfahren in monovalenter Ausführung (nur Gas) Anwendungsfelder Stationärmotoren (4-Takt) Quantitätsregelung äußere Gemischbildung Bevorzugt LNG Homogenes Gemisch mit 1 Diesel-Zündstrahl Brennverfahren in Dual Fuel Ausführung (Diesel- oder Gasbetrieb) Anwendungsfelder Schiffsmotoren (4-Takt) Stationärmotoren Qualitätsregelung Innere Gemischbildung (Gaseinblasung) Bevorzugt LNG Heterogenes Gemisch ( >1) Selbstzündung (Diesel- Zündstrahl für Kaltstart und Teillast) BV in Dual Fuel Ausführung (Gas- oder Dieselbetrieb) Anwendungsfelder Schiffsmotoren (2-/4-Takt) Stationärmotoren 29 Gasmotorenkonzepte Brennverfahren / Strategien Otto - Gasverfahren Diesel-Gas - Verfahren Gas-Diesel - Verfahren Quantitätsregelung äußere Gemischbildung Bevorzugt CNG (LNG) Homogenes Gemisch mit >1 Vorkammer mit 1 Fremdzündung (ZK) Brennverfahren in monovalenter Ausführung (nur Gas) Anwendungsfelder Stationärmotoren (4-Takt) Quantitätsregelung äußere Gemischbildung Bevorzugt LNG Homogenes Gemisch mit 1 Diesel-Zündstrahl Brennverfahren in Dual Fuel Ausführung (Diesel- oder Gasbetrieb) Anwendungsfelder Schiffsmotoren (4-Takt) Stationärmotoren Qualitätsregelung Innere Gemischbildung (Gaseinblasung) Bevorzugt LNG Heterogenes Gemisch ( >1) Selbstzündung (Diesel- Zündstrahl für Kaltstart und Teillast) BV in Dual Fuel Ausführung (Gas- oder Dieselbetrieb) Anwendungsfelder Schiffsmotoren (2-/4-Takt) Stationärmotoren 30

14 LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept 1-Zylinder Dual Fuel (DF) Forschungsgroßmotor Kraftstoffe: Erdgas/LNG, EN590 Diesel, Marine Destillate, Schweröl Bohrung mm Hub mm Leistung 850 kw Gewicht 43 t *) Low Emission Dual Fuel Konzepte (LEDF) 31 Dual Fuel (DF) Schiffsdieselmotor LNG-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR Erdgasspeicher (LNG) Ladeluftkühler Gasdosiersystem (Saugrohreinblasung) Haupteinspritzsystem: PLD oder CR Kraftstoffe: MDO / HFO) CR-Piloteinspritzung für LNG-Betrieb Kraftstoff: Marine Destillate ATL Ladeluft Abgas 32

15 Dual Fuel (DF) Schiffsdieselmotor LNG-basiertes IMO Tier 3 Konzept LNGbasiertes Konzept Motorintern, ohne Abgasnachbehandlung Innerhalb ECA Kraftstoff: Erdgas + Destillat Einspritzsystem: PLD (CR) + Gas-Dosiersystem + CR- System für Piloteinspritzung (Zündstrahl) Ladeluftsystem: 1-stufig NOx-Reduzierung: IMO III über Gas-Mager-Betrieb SOx-Reduktion: über Kraftstoff Außerhalb ECA Kraftstoff: Schweröl Einspritzsystem: PLD (Common-Rail); nur Haupteinspritzung Ladeluftsystem: 1-stufig NOx-Reduzierung: IMO II- Betrieb SOx-Reduzierung: keine wegen HFO Vor- und Nachteile Sehr geringe Emissionen Keine Abgasnachbehandlung CO 2 -Vorteil ggü. Diesel Komplexe Funktionalitäten Zusätzliches Piloteinspritzsystem + Gasdosiersystem Geringere Leistungsdichte Platzbedarf für LNG-Speicher Sicherheit und Versorgungsstruktur 33 Dual Fuel (DF) Schiffsdieselmotor LNG-basiertes IMO Tier 3 Konzept LNGbasiertes Konzept Motorintern, ohne Abgasnachbehandlung Innerhalb ECA Kraftstoff: Erdgas + Destillat Einspritzsystem: PLD (CR) + Gas-Dosiersystem + CR- System für Piloteinspritzung (Zündstrahl) Ladeluftsystem: 1-stufig NOx-Reduzierung: IMO III über Gas-Mager-Betrieb SOx-Reduktion: über Kraftstoff Außerhalb ECA Kraftstoff: Schweröl Einspritzsystem: PLD (Common-Rail); nur Haupteinspritzung Ladeluftsystem: 1-stufig NOx-Reduzierung: IMO II- Betrieb SOx-Reduzierung: keine wegen HFO Vor- und Nachteile Sehr geringe Emissionen Keine Abgasnachbehandlung CO 2 -Vorteil ggü. Diesel Komplexe Funktionalitäten Zusätzliches Piloteinspritzsystem + Gasdosiersystem Geringere Leistungsdichte Platzbedarf für LNG-Speicher Sicherheit und Versorgungsstruktur 34

16 Kraftstoffkenndaten / Vergleich Erdgas vs. Dieselbrennstoffe Einheit Dichte kg / m³ [15 C] Kraftstoffkenndaten: Vergleich Erdgas vs. Diesel Heizwert Energiedichte L min CH 4 C H H/C CO 2 MJ / kg MJ/dm 3 kg L /kg Kr % % % - Diesel (EN 590) ,68 35,46 14,6-84,42 13,74 1,9 3,1 kgco 2 / kg Kr HFO RGM , ,0 11,0 1,5 3,25 CNG (200 bar) ,0 17, ,99 25,01 3,90 2,8 LNG (- 162 C) ,6 17, ,99 25,01 3,90 2,8 Erdgas Beispiel 0, ,04 17, ,99 25,01 3,90 2,8 Beispiel Erdgas für Kfz-Nutzung; mit 2% Propan Vergleich Erdgas vs. Diesel: Vorteil: - H/C-Verhältnis von LNG (Erdgas) höher; damit CO 2 -Vorteile - Partikelemission extrem niedrig (nur durch Diesel-Zündstrahl) Nachteil: - Reichweite von LNG geringer - Ggf. kritischer Methanschlupf - Deutlich erhöhter Platzbedarf für LNG-Tanks 35 LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept Vergleich Motor M43 (Diesel-Mode) versus M46 DF (Gas-Mode) CH 4 -Schlupf mit dem Faktor 23 gegenüber CO 2 bei der Treibhausgaswirkung (GHG) berücksichtigt. Quelle: CAT Ergebnis: Realisierung der IMO TIER 3 Grenzwerte ohne weitere Abgasnachbehandlung möglich 36

17 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung) Einschränkungen bei AGN 38 Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor Ausgangssituation Abgasnachbehandlungssystem Nkw (Euro VI) DOC + DPF DOC + SCR HC- DV HWL 39

18 Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor Problemstellung Großdieselmotor DOC Diesel-Oxidationskatalysator (DOC) DOC Einsatz wg. Kraftstoffschwefel nicht möglich Diesel Oxi-Kat (DOC) 4 HC + 3 O 2 2 CO H 2 O 2 CO + O 2 2 CO 2 2 NO + O 2 2 NO 2 40 Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor DOC + DPF HC- DV Oxidationskatalysator (DOC) DOC Einsatz wg. Kraftstoffschwefel nicht möglich Dieselpartikelfilter (DPF) wegen Kraftstoffschwefel am DOC keine NO 2 - getragene CRT-Regeneration Kein Einsatz geschlossener DPF-Systeme wegen Kraftstoffschwefel (Veraschung) Keine Zwangsregeneration eines DPF durch HC- Nachdosierung vor DOC Diesel Oxi-Kat (DOC) 4 HC + 3 O 2 2 CO H 2 O 2 CO + O 2 2 CO 2 2 NO + O 2 2 NO 2 Passive CRT-Regeneration C + 2 NO 2 CO NO 41

19 Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw - Dieselmotor DOC + DPF DOC + SCR HC- DV HWL Oxidationskatalysator (DOC) DOC Einsatz wg. Kraftstoffschwefel nicht möglich Dieselpartikelfilter (DPF) wegen Kraftstoffschwefel am DOC keine NO 2 - getragene CRT-Regeneration Kein Einsatz geschlossener DPF-Systeme wegen Kraftstoffschwefel (Veraschung) Keine Zwangsregeneration eines DPF durch HC- Nachdosierung vor DOC Diesel Oxi-Kat (DOC) 4 HC + 3 O 2 2 CO H 2 O 2 CO + O 2 2 CO 2 2 NO + O 2 2 NO 2 Passive CRT-Regeneration C + 2 NO 2 CO NO NOx-Katalysator (SCR) Keine schnelle (fast) SCR- Reaktion, da kein NO 2 -Angebot NOx-Umsatz eingeschränkt (S, NO 2, T Abg ) SCR-Katalysator 4 NH NO + O 2 4 N H 2 O Standard SCR 2 NH 3 + NO + NO 2 2 N H 2 O Schnelle SCR (NO 2 ) 8 NH NO 2 7 N H 2 O Langsame SCR 42 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung) Einschränkungen bei AGN Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR) 43

20 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR NOx Umsatz [%] n Motor = konst. RG = h -1 T SCR-Kat = 355 C Dosiergrenze NH 3 Schlupf [ppm] 20 [Red.-mittel] ein [NOx] ein ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Feedverhältnis RG: Raumgeschwindigkeit. RG= V Abg / V Kat [1/h] 44 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR Randbedingungen / Besonderheiten SCR-Einsatz bei Schiffsdieselmotoren Vergleichsweise extrem niedrige Abgastemperaturen Vorgeschaltete Abgaswäscher können die Temperaturproblematik noch verschärfen 45

21 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR Randbedingungen / Besonderheiten SCR-Einsatz bei Schiffsdieselmotoren Vergleichsweise extrem niedrige Abgastemperaturen Vorgeschaltete Abgaswäscher können die Temperaturproblematik noch verschärfen Wegen höherer Schwefeltoleranz (S bis 2%) werden bevorzugter Vanadium-Wolfram-Titanoxid Katalysatoren eingesetzt. Lösungsansatz Integration SCR-Katalysators vor Turbine Dosiermodul Ladeluftkühler ATL HWL-Tank 46 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR Randbedingungen / Besonderheiten SCR-Einsatz bei Schiffsdieselmotoren Vergleichsweise extrem niedrige Abgastemperaturen Vorgeschaltete Abgaswäscher können die Temperaturproblematik noch verschärfen Wegen höherer Schwefeltoleranz (S bis 2%) werden bevorzugter Vanadium-Wolfram-Titanoxid Katalysatoren eingesetzt. Lösungsansatz Integration SCR-Katalysators vor Turbine 47

22 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept mit SCR Randbedingungen / Besonderheiten SCR-Einsatz bei Schiffsdieselmotoren Vergleichsweise extrem niedrige Abgastemperaturen Vorgeschaltete Abgaswäscher können die Temperaturproblematik noch verschärfen SCR-Katalysator: Wegen höherer Schwefeltoleranz (S bis 2%) bevorzugter Einsatz von Vanadium-Wolfram-Titanoxid Katalysatoren. Lösungsansatz Integration SCR-Katalysators vor Turbine Vorteil Höhere Katalysatortemperatur Vermeidung von Ammonium- Sulfatbildung Höherer SCR-Wirkungsgrad Save operation Formation of ammonium sulfates exhaust gas temperature downstream TC turbine Nachteil Deutlich höhere Systemdrücke am SCR Dynamik-/Lastwechselverhalten noch ungeklärt 48 Schiffsdieselmotor SCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept SCR-Katalysator vor Turbine (Pre-Turbine SCR) Ergebnisse Synthesegasprüfstand mit SCR NH 3 -Speichervermögen in Abhängigkeit von: p Abg am SCR-Katalysator Zelldichte cpsi NOx-Umsatz am SCR-Katalysator in Abhängigkeit vom Abgasgegendruck (p Abg ; Einbauposition): NH 3 -Adsorption ϱ* ) ϱ* ) = NH3ads(p) / NH3ads(p=1,0 bar) 1,5 bar 1,0 bar 2,0 bar 1,5 bar 1,0 bar 100 cpsi 200 cpsi Zelldichte 49

23 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung) Einschränkungen bei AGN Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR) Partikelfilter (DPF) 50 Partikelfilter (DPF) für IMO Tier 3 ff. Konzeptstudie Großmotor (LE) DPF-Regenerationsstrategien Nkw versus Großmotor mit SCR mit DPF NE HFM Strategien / Optionen für DPF- Regeneration: 1. Innermotorische NE (CR-System) 2. Nachmotorische HC-Dosierung vor Turbine (EPI) 3. Nachmotorische HC-Dosierung nach Turbine (DDV) 4. Aktiver Brenner T DPF - Sensor DOC DPF EPI DDV HC-Dosiereinheit Vollstrom- Brenner p DPF 53

24 Konzeptstudie DPF + SCR Layout IMO Tier 3 ff. für Großdieselmotor Einbaustrategie Nkw vs. Großmotor (LE) Variante A: SCR vor DPF mit SCR mit DPF Nkw: LE: Variante B: DPF vor SCR Nkw: LE: Vorteile SCR vor DPF: - Guter Light-off des SCR durch motornahen Einbau - Vorzugslösung für Großmotor - DPF Regeneration bei LE ggf. über Brenner Nachteile SCR vor DPF: - Wärmesenke SCR vor DPF - DOC Einsatz bei Großmotor wegen Kraftstoffschwefel nicht möglich - HC Nassdosierung (Kraftstoff) bei Großmotor wegen kritischer Siedelage des DK nicht zielführend. 54 Partikelfilter für IMO Tier 3 ff. Konzeptstudie mit SCR mit DPF Schlüssel zum erfolgreichen Einsatz von DPF am Schiffsdiesel Zuverlässige DPF-Regenerationsstrategie Ausreichende Aschespeicherung bei geeigneten Kraft- und Schmierstoffen Herausforderungen Geringes Abgastemperaturniveau Kein NO 2 (da kein DOC) keine kontinuierliche Regeneration (CRT-Effekt) Geringe Variabilitäten im Kraftstoff- und Luftpfad zur Abgastemperaturanhebung Betrieb eines DPF bei Schweröleinsatz am Motor erscheint (zur Zeit) nicht möglich Mindestanforderungen an Kraft- und Schmierstoffen sind zu klären Insgesamt erheblicher Forschungsbedarf 55

25 Inhalt Gliederung Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung LNG mit Zündstrahlverfahren Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung) Einschränkungen bei AGN Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR) Partikelfilter (DPF) 3. Zusammenfassung und Ausblick 56 Zusammenfassung / Ausblick mit SCR mit DPF 3. Fazit Zusammenfassung / Ausblick Gestiegene gesellschaftlichen Erwartungen an ökologische Standards werden mittelfristig auch bei Schiffsapplikationen zur einer drastischen Minderung der Schadstoffemissionen (NOx, SOx, PM, Feinstaub) zwingen. Durch den Einsatz von schwefelhaltigen Brennstoffen wird eine effektive Abgasnachbehandlung z.z. noch erschwert (SCR) oder gar verhindert (DPF) Abgasrückführstrategien zur NOx-Reduktion können nur unter Verwendung schwefelfreier Kraftstoffqualitäten und höchstdruckfähigen CR- Einspritzsysteme zielführend umgesetzt werden Im Vergleich zu konventionellen Schiffsbrennstoffen führt der Einsatz von LNG zu einer drastischen Minderung/Vermeidung kritischer Emissionen wie NOx, SOx und Partikeln. Mit LNG (Erdgas) können die NO x -Grenzwerte für IMO TIER3 ohne zusätzliche Abgasnachbehandlung sicher eingehalten werden. Nicht verbranntes CH 4 (Methanschlupf) muss wegen der hohen Treibhausgasrelevanz (Faktor 23 ggü. CO 2 ) unbedingt vermieden werden. 57

26 LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept *) Low Emission Dual Fuel Konzepte (LEDF) Quelle: Meyer Werft 61