Viertakt Dual-Fuel Schiffsmotorenprüfstand

Mit Blick auf sich verschärfende Grenzwerte zur Regulierung der Schadstoffemissionen im internationalen Seeverkehr ergeben sich für Motorenhersteller und Schiffsbetreiber besondere Herausforderungen. Relevant sind hierbei insbesondere die Grenzwerte bezüglich des Ausstoßes von Stickoxiden und Schwefeloxiden. Bei den bestehenden Beschränkungen gibt es große regionale Unterschiede. Seit dem Jahr 2006 werden von der IMO besonders geschützte Seegebiete ausgewiesen, die sog. ECA (emission control area). Darüber hinaus gelten regional zusätzliche den Schadstoffausstoß begrenzende Regeln. Ein Beispiel dafür sind in den Gewässern der Europäischen Union ab dem Jahr 2020 geltende verschärfte Schwefeloxidemissionsgrenzen.

Das in der Seefahrt vorherrschende Motorenkonzept ist der Dieselmotor. In diesem werden prinzipbedingt hohe Prozesstemperaturen erreicht, die die Erzeugung von Stickoxiden begünstigen. Der bevorzugt eingesetzte Kraftstoff, Schweröl, zeichnet sich zudem durch einen vergleichsweise hohen Schwefelanteil aus. Mit Beginn des Jahres 2020 wird der Kraftstoff-Schwefelanteil in der internationalen Seeschifffahrt auf 0,5 % begrenzt. Partikelemissionen stellen eine dritte Gruppe von emittierten Luftschadstoffen. Dabei stammt ein großer Teil aus unvollständiger Verbrennung des Dieselkraftstoffes. Dieses Phänomen der Rußbildung ist hinlänglich bekannt. Die Besonderheiten des Schiffsbetriebs resultieren unter anderem in einem vergleichsweise hohen Schmierölverbrauch der Motoren. Dieses Schmieröl wird nahezu vollständig dem Abgas zugeführt und verlässt das System als zusätzliche Partikelemission.

Schon heute lassen sich aktuelle Emissionsgrenzwerte nicht mehr allein durch innermotorische Maßnahmen in allen Seegebieten einhalten. Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, ist die Erweiterung des bestehenden Motorkonzepts um eine Abgasnachbehandlung zur Kontrolle der Schadstoffemissionen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz alternativer Kraftstoffe und Brennverfahren, mit denen weniger Schadstoffe produziert werden. Aufgrund des aktuell im Vergleich zu anderen Kraftstoffen niedrigen Schwerölpreises, ist aus Sicht der Schiffsbetreiber eine Schweröltauglichkeit für Fahrten in unbeschränkten Seegebieten häufig wünschenswert.

Im Rahmen aktueller Forschung in der Arbeitsgruppe Schiffmaschinenbau wird ein Viertakt Dual-Fuel Motorenprüfstand betrieben mit dem zwei unterschiedliche Betriebsmodi möglich sind. Zur Einhaltung niedriger Emissionsgrenzwerte wird Erdgas ottomotorisch verbrannt. Die Fremdzündung der Zylinderladung erfolgt dabei über einen Pilotstrahl aus Dieselkraftstoff. Daneben ist der Motor fähig, nach dem Dieselprinzip mit Schweröl betrieben zu werden. Somit wird eine aktuell von Betreiberseite gewünschte Motorenanlage untersucht, die es ermöglicht, zwischen dem kostengünstigen Betrieb als Dieselmotor und dem emissionsarmen Betrieb als Gasmotor zu wechseln.

Die Anwendung dieser zwei unterschiedlichen Brennverfahren in einer Maschine erschwert allerdings deren Optimierung. In der Praxis wird der Betriebsbereich insbesondere durch die Betriebsgrenzen im Gasbetrieb, den erreichbaren Wirkungsgrad sowie die Emissionsgrenzen eingegrenzt.

Die Eignung von Erdgas als alternativer Kraftstoff beruht auf mehreren Faktoren.

  • Aus Sicht der Schadstoffemissionen ist es vorteilhaft, dass in Erdgas nahezu kein Schwefel enthalten ist, sodass auch keine relevanten Schwefeloxidemissionen bei der Verbrennung entstehen können.
  • Für das Betriebsverhalten bei ottomotorischer Verbrennung ist vor allem die hohe Klopffestigkeit des Kraftstoffes entscheidend, welche über die Methanzahl ausgedrückt wird. Die Kenntnis dieser Größe ist für einen wirkungsgradoptimalen klopffreien Betrieb unerlässlich. Am Prüfstand wird die variable Gasqualität kontinuierlich analysiert.
  • Im Schiffsbetrieb spielen vor allem die Verfügbarkeit des Kraftstoffes, die Lagerung an Bord, die Komplexität der Bedienung und die Sicherheit eine Rolle. Während die Verfügbarkeit von Erdgas aktuell weltweit gegeben ist und auch langfristig durch bekannte Gasvorkommen keine Einschränkungen zu erwarten sind, ist die Lagerung an Bord deutlich komplexer als die Lagerung von Dieselkraftstoffen. Das Erdgas wird hier in flüssiger Form in isolierten Tanks bei sehr niedriger Temperatur gehalten. Zusätzlichen Raum nehmen Einrichtungen zum Verdampfen des Gases und zur Regelung des Gasstroms ein. Sämtliche an Bord befindlichen Anlagen sind auch am Prüfstand zu finden. Aufgrund strenger Vorschriften gilt Erdgas als äußerst sicherer Kraftstoff.

Auf der anderen Seite birgt der Einsatz von Erdgas als Kraftstoff auf Seeschiffen besondere Herausforderungen.

Aus Gründen der erforderlichen Energiedichte wird das Erdgas verflüssigt als LNG (liquefied natural gas) an Bord gebunkert. Dazu wird es in tiefkalt- und druckfesten Tanks aufbewahrt. Der für die motorische Verbrennung erforderliche gasförmige Kraftstoff muss bei betriebsabhängigen Drücken und Temperaturen bereitgestellt werden, wozu eine Verdampfungs- und Druckregelanlage erforderlich ist. Der Betrieb dieser Anlage unter veränderlichen Last- und Umgebungsbedingungen ist prozess- und regelungstechnisch anspruchsvoll, zumal die Gaszusammensetzung natürlichen und betrieblichen Schwankungen unterliegt. Ferner unterliegt die Tankanlage den Seegangsbewegungen des Schiffes, die zu Druckinstabilitäten führen können.

Für eine ganzheitliche Betrachtung einer Schiffsantriebsanlage gehört zu dem Viertakt Dual-Fuel Motorenprüfstand der Arbeitsgruppe Schiffmaschinenbau eine nach den Vorschriften des in der internationalen Seeschifffahrt verbindlichen IGF-Codes ausgelegte LNG-Anlage. Der Kraftstoff wird dabei in einem vakuumisolierten Type-C Tank gelagert.

Die Forschung an dem Schiffsmotorenprüfstand wird ergänzt durch Simulation mit der kommerziellen Software AVL-EXCITE.

Die untenstehende Abbildung zeigt schematisch den Aufbau des Prüfstandes.