Techniek&innovatie
De Deense reder Terntank laat in China twee chemicaliëntankers bouwen met een vijfcilinder Wärtsilä RT-flex50DF motor.

Emissie-eisen als katalysator voor nieuwe gas- en dual-fuelmotoren


De zoektocht naar nieuwe brandstoffen en motoren

Branche: Scheepsbouw, Zeevaart | Auteur: Paul Steenhoff | Publicatiedatum:

Zwaveldioxide en stikstofoxiden worden in de ban gedaan. Wie HFO stookt en niets anders kan stoken, dreigt brodeloos te worden. LNG lijkt het toverwoord, maar er is meer. De industrie speelt razendsnel in op de emissie-eisen en ontwikkelt dual-fuel- en gasmotoren die raad weten met andere gassen. Een update.

In de ECA-gebieden mag vanaf 1 januari 2015 alleen gevaren worden op brandstof met een zwavelpercentage van maximaal 0,1 procent. Maar wie zich informeert, komt tot de ontdekking dat niet alleen zwavel onder vuur wordt genomen in de zogenoemde SECA-gebieden (Sulphur Emission Control Area). Het Nederlandse ministerie van Infrastructuur en Milieu heeft met een paar andere Europese landen het initiatief genomen om op korte termijn de Noordzee ook uit te gaan roepen tot NECA-gebied oftewel een NOx Emission Control Area voor stikstofoxiden.

De SECA’s en NECA’s gaan oprukken en HFO zal alleen nog ver buitengaats worden getolereerd tot ook hier de duimschroeven worden aangedraaid. Zwavelarme brandstof zoals MGO (zwavelpercentage 0,1 en lager) is al snel een derde duurder dan HFO en brandstof maakt zo ongeveer 50 procent uit van de operationele kosten. Om emissies van HFO te beperken kan nabehandelingsapparatuur van de rookgassen een oplossing bieden. Een scrubber bindt de schadelijke stoffen zoals zwavel. Maar niet iedereen is enthousiast over het rendement van de scrubbers, afgezet tegen de hoge investeringskosten, zeker als je praat over retrofit. Vandaar dat de aandacht naar gas verschuift.

Vast toerental

De gasmotor lijkt dé oplossing. Een gasmotor op LNG stoot geen zwaveldioxide uit, blaast 85 procent minder stikstofoxiden de lucht in en twintig procent minder koolstofdioxide. LNG is bovendien goedkoper en kent een 10 tot 15 procent hogere energiewaarde per ton, in vergelijking met stookolie en MGO. De toekomst voor de gasmotor ziet er dus goed uit waarbij de combinatie gas/elektrisch varen de meest gunstige combinatie is aangezien de gasmotor het beste presteert op een vast toerental. De opslag en de apparatuur voor het gasvormig maken van LNG vraagt wel weer ruimte, waardoor er vrachtruimte verloren gaat.

Kees Kuiken is auteur en verzorgt trainingen onder andere op het gebied van dieselmotoren. Hij legt nu de laatste hand aan een Engels boek over gas- en dual-fuelmotoren voor scheepsvoortstuwing, elektrische centrales en warmtekrachtkoppeling dat in maart 2015 verschijnt. Kuiken: “Een gasmotor hoeft niet alleen op LNG te draaien, maar kan op meer gassoorten draaien. Wel moet de mengselverhouding per gas worden aangepast. De nieuwste techniek bestaat uit het comprimeren van vloeibaar gas waardoor het compressievermogen dat je normaal nodig hebt om gasvormige brandstoffen naar een hoge druk te comprimeren (300 bar), sterk afneemt. Normaal kost je dit ongeveer 7 procent van het asvermogen van de motor, compressie van vloeibare brandstoffen kost je ongeveer 2 procent van het asvermogen. Dat betekent dat je het compressorvermogen kunt verminderen, waarmee je energie bespaart.”

Bunkerprobleem

Ethaan is ook een prima gas om te verstoken. Dat bewijst MAN Diesel & Turbo met de ME-GI, een viertakt volgens het dieselprincipe, die het ethaan verbrandt door gebruik te maken van een vleugje diesel dat op het laatste moment van de compressieslag wordt ingespoten, aangezien methaan niet spontaan zelf ontbrandt zoals diesel onder hoge druk dat wel doet. De ME-GI is dus een dual-fuelmotor en in die zin geen pure gasmotor. Dual fuel heeft het grote voordeel dat mocht er geen gas gebunkerd kunnen worden, de motor wel op MDO kan draaien. Ethaan als brandstof in de scheepvaart is nieuw. Ocean Yield ASA, een rederij uit Oslo, heeft de opdracht gegeven drie ethyleentankers te laten bouwen bij Sinopacific Offshore & Engineering in China, waarbij de op ethaan lopende ME-GI als hoofdmotor wordt geïnstalleerd. Bij de productie van ethyleen wordt ethaan gebruikt waardoor het bunkerprobleem is opgelost. Hartmann Schifffahrt uit het Duitse Leer gaat de tankers managen en exploiteren.

De ME-GI dual-fuelmotor van MAN Diesel & Turbo verbrandt ethaan door gebruik te maken van een vleugje diesel dat op het laatste moment van de compressieslag wordt ingespoten.Maar niet alleen LNG en ethaan kunnen als schone brandstof voor de hoofdmotor dienen, ook methanol is geschikt. MAN Diesel & Turbo werkt al sinds 2012 samen met Alfa Laval aan een brandstofbehandelingssysteem om methaan te kunnen verstoken. Onder andere het feit dat het gas erg corrosief is, maakte het voor Alfa Laval lastig een brandstofbehandelingssysteem te ontwikkelen. Maar nu lijkt de kogel door de kerk. In 2016 zullen voor de Waterfront Shipping Company zes methanol tankers met een laadvermogen van 50.000 ton per stuk worden afgeleverd. Ze zijn uitgerust met MAN ME-LGI flex fuel motoren. Deze dual-fuelmotoren kunnen lopen op methanol, stookolie, dieselolie of gasolie. Het bunkeren van methanol is geen probleem; Water Front Shipping Company is een volledige dochteronderneming van Methanex Corporation, ‘s werelds grootste leverancier van methanol. De motoren zullen draaien op een mix van 95 procent methanol en 5 procent diesel.

Tweetakt dual fuel

Wie in de veronderstelling is dat dual-fuelmotoren altijd viertakt motoren zijn, zit ernaast. Voor tweetakt geldt namelijk dat het óf kleine motoren zijn óf hele grote motoren zijn, de zogenoemde tweeslagkruishoofdmotoren. Ad de Koster, directeur van Adviesbureau de Koster/Martech Bedrijfsopleidingen en auteur van het onlangs verschenen boek ‘Gasmotoren’, wijst op het feit dat de Deense reder Terntank in China twee chemicaliëntankers laat bouwen met voor 99 procent op LNG draaiende tweetakt langzaamlopers. “De motoren zijn 40 procent zuiniger en voldoen qua emissies aan de IMO Tier III-eisen”, zegt De Koster. Het gaat om de vijfcilinder Wärtsilä RT-flex50DF motor, een nieuw type dual-fuel tweetaktmotor. Bij deze motor wordt het aardgas direct in de cilinder geïnjecteerd. Dat gebeurt niet tegen het einde van de compressieslag zoals bij een viertakt, maar bij het begin van de compressieslag als de spoelpoorten aan de onderkant van de cilinder door de omhoogkomende zuiger worden afgedekt. De motor heeft per cilinder een wervelkamer van waaruit het gasmengsel in de verbrandingskamer ontsteekt. De hoeveelheid lucht in het mengsel is veel groter dan nodig voor de verbranding van het gas. Men noemt dit het lean-burn-principe. De overmaat aan lucht en een lagere compressie zorgen voor lagere verbrandingstemperaturen tijdens het dual-fuelbedrijf. Zeer gunstig, want NOx vormt zich juist onder hoge druk bij hoge temperaturen. Wärtsilä claimt dat de tweetakt 85 procent minder NOx uitstoot. De lagere compressie gaat ook knocking tegen, het verschijnsel dat het gasmengsel al ontbrandt voordat de motor zijn bovenste dode punt heeft bereikt. Knocking kan onschuldig zijn maar kan ook leiden tot motorschade en dient daarom te worden voorkomen.

Door aanstormende emissie-eisen wordt er naarstig gezocht naar nieuwe brandstoffen en nabehandelingsmogelijkheden. LNG, ethaan, methanol maken hun opgang en het zal niet duren of dit rijtje kan worden aangevuld.

Onderwerpen
Deel deze pagina
Het probleem dat methaanslip heet

Met gasmotoren is niet alles halleluja. Probleem bij alle gasmotoren en dual-fuelmotoren is methaanslip. Daarmee wordt bedoeld dat via de uitlaatgassen onverbrand methaan in de buitenlucht terecht komt. De methaanslip-productie is hoger bij dual-fuelmotoren dan bij gasmotoren. Het schadelijke van methaan is dat het een koolstofdioxide-equivalent tussen de 21 en 25 heeft, wat wil zeggen dat een eenheid methaan tussen 21 maal tot 25 meer warmte in de atmosfeer vasthoudt dan dezelfde hoeveelheid koolstofdioxide. Exacte cijfers over de hoeveelheden methaanslip liggen helaas nergens op tafel.

Probeer TW

Geïnteresseerd in techniek? Kies dan voor Technisch Weekblad (TW)

TW biedt technici het laatste nieuws, achtergronden en opinie op het gebied van techniek en innovatie. TW lees je in print en altijd en overal online op je pc, tablet of smartphone. Voor studenten en starters onder de 35 jaar met een technische opleiding, is TW helemaal gratis! 

Naar de website van TW voor het laatste nieuws

Meer informatie over een abonnement

Betabanen

Maritiem Nederland

Welkom op de site van Maritiem Nederland, hét opinie- en vakblad voor de gehele maritieme sector in Nederland.

Editie MN 09-2018

Partners Maritiem Nederland