Verfahren zur NOx-Reduzierung auf Schiffen

Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. Horst Rulfs
Mitarbeiter:Dipl.-Ing. B. Berndt, Dipl.-Ing. C. Thielen
Laufzeit: 01.02.2006 - 31.01.2008

 

Die sehr guten Wirkungsgrade von Großdieselmotoren setzen vor allem hohe Gastemperaturen während der Verbrennung im Zylinder voraus. Dadurch sinken die spezifischen Kraftstoffverbräuche und die CO2-Emissionen, andererseits steigern hohe Gastemperaturen und übliche Luftüberschüsse die Bildung von Stickoxiden (NOx) erheblich. Dieser Zielkonflikt prägte insbesondere in den letzten Jahren die Entwicklung von Schiffsmotoren. Durch strengere Auflagen für Landanlagen (TA-Luft) stieg der relative Anteil der Schiffsmotoren an der globalen Luftverschmutzung beträchtlich. Man schätzt, dass sich deren NOx-Anteil von heute ca. 8% im Laufe der nächsten 10 Jahre verdoppeln wird.

Im Mai 2005 ist eine neue Vorschrift der International Maritime Organization (IMO) in Kraft getreten. In dieser sind maximal zulässige NOx-Emissionen für Seeschiffe, die ab dem 1.1.2000 gebaut wurden, festgelegt. Weiterhin existieren regionale Verordnungen. Eine schwedische Verordnung bietet wirtschaftliche Anreize zur Reduzierung der Luftverschmutzung durch Schiffsantriebe. Norwegische Eigner von Schiffen mit verminderten Schadstoffemissionen erhalten Steuererleichterungen.

Innermotorische Maßnahmen zur Emissionsminderung sind geeignet, um ohne schwerwiegende Nachteile hinsichtlich der Betriebskosten eine Reduzierung der NOx-Emissionen, wie sie in der gültigen IMO-Vorschrift verlangt werden, zu erreichen. Für die Einhaltung wesentlich strengerer Auflagen sind innermotorische Maßnahmen, die auf der Optimierung konstruktiver und betrieblicher Parameter beruhen, nicht effizient genug.

Zur Temperaturabsenkung im Brennraum bei gleichzeitiger Verminderung des Sauerstoffangebotes in der Flamme sind inerte Stoffe hoher spezifischer Wärmekapazität in den Brennraum einzubringen. Hierbei wird mit der direkten Einspritzung von aufbereitetem Wasser in den Brennraum (DWE), der Einspritzung einer Kraftstoff-Wasser-Emulsion (KWE) oder der gezielten Befeuchtung der Ladeluft mit unbehandeltem Seewasser gearbeitet. Die maximal erreichbare NOx-Reduzierung beträgt etwa 50%. Noch geringere NOx-Emissionen können derzeit nur durch Abgasnachbehandlung erreicht werden. Aufgrund der hohen Luftüberschüsse bei der Verbrennung im Großdieselmotor steht hier nur die Selektive Katalytische Reduktion (SCR) zur Verfügung. Hierbei kann der Motor für einen Betrieb mit möglichst geringem Brennstoffverbrauch ohne Rücksicht auf die Rohemissionen ausgelegt werden. Das Verfahren hat in der Kraftwerkstechnik weite Verbreitung. Durch Zuführung eines Reduktionsmittels werden die Stickoxide im Katalysator zu Stickstoff und Wasser reduziert. Es können NOx-Reduzierungsraten von mehr als 90% erreicht werden. Allerdings verhindern eine relativ geringe Lebensdauer des Katalysators sowie der recht große Bauraum und insbesondere die erheblichen Investitions- und Betriebsmehrkosten bislang eine breitere Marktakzeptanz dieses Verfahrens.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden, um die praktischen Möglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Emissionsminderungskonzepte transparenter zu machen. Reeder, Werften und Motorenhersteller können dann durch objektive Kriterien eine optimale Auswahl treffen und die Antriebsanlagen wirtschaftlich und praxisorientiert konzipieren.