Emissionsstrategien für Großmotoren in der Schifffahrt€¦ · Engine n=1000 . min-1. EU Limit for Heavy Trucks . Stage 2 Stage 3 Stage 4 Stage 1 Stage 5 Stufe 5. IMO Tier 2. Stage
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Prof. Dr.-Ing. Horst Harndorf Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und VerbrennungsmotorenFakultät für Maschinenbau und SchiffstechnikUniversität Rostock
Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Emissionsstrategien für Großmotoren in der Schifffahrt
Herausforderungen und Lösungsansätze
Berliner Energietage 201920.Mai 2019
2Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Gliederung
1. Status Großmotor
− Emissionen− Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− Diesel mit Abgasrückführung (AGR)− Erdgasbetrieb (LNG / Liquified Natural Gas)
Nachmotorische Strategien− Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR)− Partikelfilter (DPF)
3. Zusammenfassung und Ausblick
Inhalt
3Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Gliederung
1. Status Großmotor
− Emissionen− Brennstoffe
Inhalt
4Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
Emission Control Areas (ECA)NOx/SOx Kontrollgebiete
NOx/SOx ECA‘s für Schiffsdieselmotoren
North American ECABaltic/North Sea ECA
Discussed ECA‘s
Sour
ce: M
ariti
me
Cyp
rus
ECA: Emission Control AreasNECA: NOx Emission Control AreasSECA: SOx Emission Control Areas
5Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
NOx AbgasgrenzwerteGroßdieselmotor vs. Nkw
IMO Limit forMedium Speed Engine n=1000 min-1
EU Limit forHeavy Trucks
Stage 2
Stage 3
Stage 4
Stage 1
Stage 5 Stufe 5
IMO Tier 2
Stage 0
IMO Tier 1
Jahr
NOx-Emission
Stage 6
Mittelschnellläufer im Schwerölbetrieb (TIER2), NOxmax ca. 9,0 g/kWh Mittelschnellläufer im Destillatbetrieb (TIER3); NOxmax ca. 2,2 g/kWh
EU 6 Grenzwert Heavy Trucks: NOx = 0,3 – 0,4 g/kWh
IMO Tier 3
6Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
NOx AbgasgrenzwerteGroßdieselmotor vs. Nkw
Status / Herausforderungen Großdieselmotor NOx-Grenzwerte innerhalb/außerhalb ECA‘s unterschiedlich Konsequenz: Kraftstoffstrategie für IMO Tier 2 / IMO Tier3
(ECA‘s) unterschiedlich− Einsatz Marine Destillate bevorzugt innerhalb ECA‘s (IMO
Tier3)− Marine HFO (Schweröle) außerhalb ECA‘s (IMO Tier 2)− Auch unter IMO Tier3 liegt das NOx-Niveau signifikant
höher zum Nkw
Handlungsbedarfe Anreize für nachhaltige(CO2-arme) Kraftstoffe schaffen Neue Kraftstoffe müssen einen wirksamen Beitrag zur NOx-
Minderung leisten! Kontinuierliche Emissionskontrolle mittels One-Board Diagnose
notwendig.
7Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
PM AbgasgrenzwerteGroßdieselmotor vs. Nkw
Status: EU 6 Partikel-Grenzwert Heavy Trucks: 0,01 g/kWh Schiffsmotor: kein PM Grenzwert; nur sichtbarer Rauch „limitiert“
Stage 1
Jahr
PM [
g/kW
h]Mittelschnellläufer im Schwerölbetrieb (TIER2), (PM Anstieg zum Nkw bisca. Faktor 20)Mittelschnellläufer im Destillatbetrieb (TIER3); Smokeless Operation
EU Limit forHeavy Trucks
Stage 6
Stage 3
Stage 2
Stage 4 u.5
Partikelemission Medium Speed Engine n=1000 min-1
EU 6 Grenzwert Heavy Trucks: PM=0,01 g/kWh
IMO Tier 3
IMO Tier 2
8Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
KraftstoffeSchiffsdiesel vs. Nkw
Dieselkraftstoffe
Eigenschaften EN 590 Diesel (EU on-road)
Marine Destillate DMB (ISO 8217)
Marine HFO RGM 380 (ISO 8217)
Dichte kg/m3 833 900 991
Kin. Viskosität mm2/s 4,5@40°C 11@40°C 380@50°C
Stockpunkt °C -10 0 30
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
Gesamtver-schmutzung %m/m 0,0024 0,1 0,1
9Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
KraftstoffeSchiffsdieselmotor vs. Nkw
Sys
tem
limit
Visk
ositä
t [cS
t]
1
10
100
1000
Temperatur [°C]10 100 1000
Diesel Fuel RMA 10 HFO 160 HFO 380 HFO 570
Vergleich Kraftstoffviskosität
EN 590 Diesel (EU on-road)
Marine HFO RGM 380 (ISO 8217)
Eingeregelte Schwerölviskosität typischerweise 10 -17 cSt
Konditionierung der Schweröltemperaturen teilweise bis zu 180°C erforderlich(Grenzbelastung Magnetventil (DMV))
10Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
Gesetzgebung Kraftstoffschwefel
Marine fuels: S-Gehalt in SECA
EU: Kraftstoffschwefel; ab 2005 Straßenfahrzeuge <10ppm
Marine fuels: S-Gehalt außerhalb SECA
Ab 2015:
S=0,1%
Jahr
Kra
ftsto
ffsch
wef
el [%
]
Ab 2020:
S=0,5%
ECA: Emission Control AreasNECA: NOx Emission Control AreasSECA: SOx Emission Control Areas
Ab 2012:
S=3,5%
KraftstoffeSchiffsdiesel vs. Nkw
11Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
Partikel (PM) AbgasgrenzwerteGroßdieselmotor vs. Nkw
Status Partikel / Herausforderungen Großmotor PM-Grenzwerte für den Großmotor zZ nicht reglementiert Aufgrund der zZ mehrheitlich eingesetzten Marinekraftstoffe
(HFO, Marine Destillate) ist eine wirksame Emissionskontrolle nicht möglich
Insbesondere die sehr hohen Schwefelkonzentrationen in den Kraftstoffen unterbinden eine wirksame Partikel-Minderung
Handlungsbedarfe Anreize für nachhaltige(CO2-arme) Kraftstoffe notwendig Nachhaltige Kraftstoffe müssen einen wirksamen Beitrag zur
Partikel-Minderung (Feinstaub) leisten!
12Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Gliederung
1. Status Großmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− Abgasrückführung (AGR)
Inhalt
13Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Verfügbare Motortechnologien
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien
14Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
SchiffsdieselmotorAGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR
Bildquelle: CAT
AGR-basiertes Konzept
Motorintern, ohne Abgas-nachbehand-
lung
Innerhalb ECA• Kraftstoff: Destillat,
schwefelarm• Einspritzsystem: Common-
Rail mit Nacheinspritzung• Ladeluftsystem: 2-stufig• NOx-Reduzierung:
IMO III durch AGR• SOx-Reduktion:
über Kraftstoff
Außerhalb ECA• Kraftstoff: Schweröl• Einspritzsystem: Common-
Rail; nur Haupteinspritzung• Ladeluftsystem: 2-stufig• NOx-Reduzierung: IMO II-
Betrieb; AGR geschlossen• SOx-Reduzierung: keine
Vor- und Nachteile+ Niedrige Investkosten+ Vollintegriertes System− Hohe Kraftstoffkosten
innerhalb der ECA‘s− Komplexes Motorsystem
mit aufwändiger Steuerung
Innermotorische NOx Reduktion durch Abgasrückführung (AGR)
15Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR
Ergebnis: Durch Kombination von AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung können im Teillast-
gebiet unter Einsatz von Destillatkraftstoff NOx-Grenzwerte von ca. 2,0 g/kWh dargestellt werden.
Nachteil: Partikelerhöhung durch AGR kritisch!
IMO-Tier-III-Zielbereich
n = 1000 min-1
PGen = 250 kWMotor 6M20
Raildruck [bar]
AGR im Teillastbetrieb / Raildruckvariation
SchiffsdieselmotorAGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
16Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR
Bildung von Ablagerungen (fouling) am AGR-Kühler durch Schwefelreaktionsprodukte
Abgasrückführung (AGR):→ Problemstellung Kraftstoffschwefel:
− Bildung von H2SO3 und H2SO4 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
SchiffsdieselmotorAGR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
17Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Gliederung
1. Status Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung− Erdgasbetrieb (LNG) mit Zündstrahlverfahren
Inhalt
18Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Kraftstoffkenndaten / Vergleich Erdgas vs. Dieselbrennstoffe
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
Vergleich Erdgas vs. Diesel:• Vorteil: - H/C-Verhältnis von LNG (Erdgas) höher; damit CO2-Vorteile
- Partikelemission extrem niedrig (nur durch Diesel-Zündstrahl)
• Nachteil: - Reichweite von LNG geringer- Ggf. kritischer Methanschlupf- Deutlich erhöhter Platzbedarf für LNG-Tanks
Kraftstoffkenndaten: Vergleich Erdgas vs. Diesel
Dichte Heizwert Energie-dichte Lmin CH4 C H H/C CO2
Einheit kg / m³ [15°C] MJ / kg MJ/dm3 kgL/kgKr % % % - kgCO2 /
kgKr
Diesel (EN 590) 831 42,68 35,46 14,6 - 84,42 13,74 1,9 3,1
HFO RGM 380 990 40,5 40 - 89,0 11,0 1,5 3,25
CNG (200 bar) 215 43 9,0 17,2 98 74,99 25,01 3,90 2,8
LNG (- 162 °C) 450-475 43 - 49 12,6 17,2 98 74,99 25,01 3,90 2,8
Erdgas Beispiel 0,90 49 0,04 17,2 98 74,99 25,01 3,90 2,8
Beispiel Erdgas für Kfz-Nutzung; mit 2% Propan
19Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Otto - Gasverfahren
• Quantitätsregelung• äußere Gemischbildung• Bevorzugt CNG (LNG)• Homogenes Gemisch
mit λ>1 • Vorkammer mit λ≤1• Fremdzündung (ZK)• Brennverfahren in
monovalenter Aus-führung (nur Gas)
Anwendungsfelder• Stationärmotoren
(4-Takt)
Diesel-Gas - Verfahren
• Quantitätsregelung• äußere Gemischbildung• Bevorzugt LNG• Homogenes Gemisch
mit λ≥1 • Diesel-Zündstrahl• Brennverfahren in Dual
Fuel Ausführung (Diesel- oder Gasbetrieb)
Anwendungsfelder• Schiffsmotoren (4-Takt)• Stationärmotoren
Gas-Diesel - Verfahren
• Qualitätsregelung• Innere Gemischbildung
(Gaseinblasung)• Bevorzugt LNG• Heterogenes Gemisch
(λ>1)• Selbstzündung (Diesel-
Zündstrahl für Kaltstart und Teillast)
• BV in Dual Fuel Ausführung (Gas- oder Dieselbetrieb)
Anwendungsfelder• Schiffsmotoren (2-/4-Takt)• Stationärmotoren
Gasmotorenkonzepte Brennverfahren / Strategien
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
20Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Otto - Gasverfahren
• Quantitätsregelung• äußere Gemischbildung• Bevorzugt CNG (LNG)• Homogenes Gemisch
mit λ>1 • Vorkammer mit λ≤1• Fremdzündung (ZK)• Brennverfahren in
monovalenter Aus-führung (nur Gas)
Anwendungsfelder• Stationärmotoren
(4-Takt)
Diesel-Gas - Verfahren
• Quantitätsregelung• äußere Gemischbildung• Bevorzugt LNG• Homogenes Gemisch
mit λ≥1 • Diesel-Zündstrahl• Brennverfahren in Dual
Fuel Ausführung (Diesel- oder Gasbetrieb)
Anwendungsfelder• Schiffsmotoren (4-Takt)• Stationärmotoren
Gas-Diesel - Verfahren
• Qualitätsregelung• Innere Gemischbildung
(Gaseinblasung)• Bevorzugt LNG• Heterogenes Gemisch
(λ>1)• Selbstzündung (Diesel-
Zündstrahl für Kaltstart und Teillast)
• BV in Dual Fuel Ausführung (Gas- oder Dieselbetrieb)
Anwendungsfelder• Schiffsmotoren (2-/4-Takt)• Stationärmotoren
Gasmotorenkonzepte Brennverfahren / Strategien
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
21Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit SCR
Lade-luft-kühler
ATL
Haupteinspritzsystem:• PLD oder CRKraftstoffe: • MDO / HFO)
CR-Piloteinspritzung für LNG-BetriebKraftstoff: • Marine Destillate
Erdg
assp
eich
er(L
NG
)
Gasdosiersystem(Saugrohreinblasung)
Ladeluft Abgas
Dual Fuel (DF) SchiffsdieselmotorLNG-basiertes IMO Tier 3 Konzept
22Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Dual Fuel (DF) SchiffsdieselmotorLNG-basiertes IMO Tier 3 Konzept
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
LNG-basiertes Konzept
Motorintern, ohne Abgas-nachbehand-
lung
Innerhalb ECA• Kraftstoff: Erdgas + Destillat• Einspritzsystem: PLD (CR)
+ Gas-Dosiersystem + CR-System für Pilotein-spritzung (Zündstrahl)
• Ladeluftsystem: 1-stufig• NOx-Reduzierung: IMO III
über Gas-Mager-Betrieb• SOx-Reduktion: über Kraft-
stoff
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+ CO2-Vorteil ggü. Diesel− Komplexe Funktionalitäten − Zusätzliches Piloteinspritz-
system + Gasdosiersystem− Geringere Leistungsdichte− Platzbedarf für LNG-Speicher− Sicherheit und Versorgungs-
struktur
23Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept
1-Zylinder Dual Fuel (DF) Forschungsgroßmotor
Kraftstoffe:− Erdgas/LNG, EN590 Diesel, − Marine Destillate, Schweröl
*) Low Emission Dual Fuel Konzepte (LEDF)
Bohrung 250-350 mm
Hub 350-500 mm
Leistung 850 kW
Gewicht 43 t
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
24Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept
Vergleich Motor M43 (Diesel-Mode) versus M46 DF (Gas-Mode)
CH4-Schlupf mit dem Faktor 23 gegenüber CO2 bei der Treibhausgas-wirkung (GHG) berücksichtigt.
Quelle: CAT
Ergebnis: Realisierung der IMO TIER 3 Grenzwerte mit LNG ohne weitere
Abgasnachbehandlung möglich
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
25Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
LNG-basiertes IMO TIER 3 Konzept
Quelle: MAN
IMO TIER 1: 12,9 g/KWh
IMO TIER 2: 10,3 g/KWh
IMO TIER 3: 2,0 g/KWh
Ergebnis: Realisierung der IMO TIER 3 Grenzwerte mit LNG ohne AGN (SCR) Komplexere Motorentechnologie und Infrastrukturmaßnahmen für
Dual-Fuel Betrieb erforderlich.
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
26Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Inhalt
Gliederung
1. Status Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung− Erdgasbetrieb (LNG) mit Zündstrahlverfahren
Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung)− Einschränkungen bei AGN
27Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw
Ausgangssituation Abgasnachbehandlungssystem Nkw (Euro VI)
DOC + SCRDOC + DPF
HWLHC-DV
Oxidationskatalysator (DOC)− HC- und CO-Oxidation; NO2-Bildung− Thermische Regeneration durch HC-Nachdosierung
Dieselpartikelfilter (DPF)− NO2-getragene passive Regeneration (CRT-
Regeneration)
NOx-Katalysator (SCR)− Ammoniak(NH3)-Bildung über
Harnstoff-H2O-Lösung− NOx-Umsatz eingeschränkt
(S↑, NO2↓, TAbg↓)
Diesel Oxi-Kat (DOC)4 HC + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O2 CO + O2 → 2 CO22 NO + O2 → 2 NO2
Passive CRT-RegenerationC + 2 NO2 → CO2 + 2 NO
Reaktionen SCR-Katalysator4 NH3 + 4 NO + O2 → 4 N2 + 6 H2O Standard SCR2 NH3 + NO + NO2 → 2 N2 + 3 H2O Schnelle SCR (NO2)8 NH3 + 6 NO2 → 7 N2 + 12 H2O Langsame SCR
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
28Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
DOC + SCRDOC + DPF
HWLHC-DV
Oxidationskatalysator (DOC)− DOC Einsatz wg. Kraftstoffschwefel nicht möglich
SCR-Katalysator4 NH3 + 4 NO + O2 → 4 N2 + 6 H2O Standard SCR2 NH3 + NO + NO2 → 2 N2 + 3 H2O Schnelle SCR (NO2)8 NH3 + 6 NO2 → 7 N2 + 12 H2O Langsame SCR
Dieselpartikelfilter (DPF)− wegen Kraftstoffschwefel am DOC keine NO2-
getragene CRT-Regeneration− Kein Einsatz geschlossener DPF-Systeme wegen
Kraftstoffschwefel (Veraschung)− Keine Zwangsregeneration eines DPF durch HC-
Nachdosierung vor DOC
NOx-Katalysator (SCR)− Keine schnelle (fast) SCR-
Reaktion, da kein NO2-Angebot− NOx-Umsatz eingeschränkt
(S↑, NO2↓, TAbg↓)
Diesel Oxi-Kat (DOC)4 HC + 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O2 CO + O2 → 2 CO22 NO + O2 → 2 NO2
Passive CRT-RegenerationC + 2 NO2 → CO2 + 2 NO
Abgasnachbehandlung (AGN) Schiffsdieselmotor vs. Nkw
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
Abgasnachbehandlung Großdieselmotor
29Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Inhalt
Gliederung
1. Status Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung− LNG mit Zündstrahlverfahren
Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung)− Einschränkungen bei AGN− Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR)
30Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit SCR
SchiffsdieselmotorSCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
0
20
40
60
80
100
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2Feedverhältnis α
0
10
20
30
40
50nMotor = konst.RG = 14600 h-1
TSCR-Kat = 355 °C
[Red.-mittel]ein[NOx]ein
α =
NH
3–Sc
hlup
f [pp
m]
NO
x–U
msa
tz [%
]
Dosiergrenze
RG: Raumgeschwindigkeit RG= VAbg / VKat [1/h].
31Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit SCR
Randbedingungen / Besonderheiten SCR-Einsatz bei Schiffsdieselmotoren− Vergleichsweise extrem niedrige Abgastemperaturen − Vorgeschaltete Abgaswäscher können die Temperaturproblematik noch
verschärfen
SchiffsdieselmotorSCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
32Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit 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
SchiffsdieselmotorSCR-basiertes IMO Tier 3 Konzept
Dosier-modul
HWL-Tank
ATL
Ladeluft-kühler
33Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Inhalt
Gliederung
1. Status Großdieselmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung− Erdgasbetrieb (LNG) mit Zündstrahlverfahren
Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung)− Einschränkungen bei AGN− Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR)− Partikelfilter (DPF)
35Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Partikelfilter für IMO Tier 3 ff.Konzeptstudie
Für erfolgreichen Einsatz der Partikelfilterung (DPF) am Schiffsdiesel sind zu klären:− Zuverlässige DPF-Regenerationsstrategie− Ausreichende Aschespeicherung bei geeigneten
Kraft- und Schmierstoffen
Herausforderungen− Geringes Abgastemperaturniveau− Kein NO2 (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
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit SCR
- Nachmotorischmit DPF
36Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Inhalt
Gliederung
1. Status Großmotor Emissionen Brennstoffe
2. Lösungsansätze zur NOx-/Partikelminimierung Innermotorische Strategien
− AGR mit CR-Höchstdruckeinspritzung− Erdgas (LNG) mit Zündstrahlverfahren
Nachmotorische Strategien (Abgasnachbehandlung)− Einschränkungen bei AGN− Selektive katalytische NOx-Reduktion (SCR)− Partikelfilter (DPF)
3. Zusammenfassung und Ausblick
37Lehrstuhl für Kolbenmaschinen und Verbrennungsmotoren, Universität Rostock
Zusammenfassung / Ausblick
Zusammenfassung / Ausblick Gestiegene gesellschaftlichen Erwartungen an ökologische Standards
werden mittelfristig auch bei Schiffsapplikationen zur einer drastischen Minderung der Schadstoffemissionen (NOx, SOx, PM, Feinstaub) zwingen.
Eine zZ wenig ambitionierte Abgasschadstoff- und CO2-Gesetzgebung für Großmotoren muss durch die Gesetzgebung verändert werden, um so die Marktakzeptanz erneuerbarer Kraftstoffe zu ermöglichen.
1. Status- Motor- Emissionen- Brennstoffe
2. Lösungsansätze /Strategien- Innermotorisch
mit AGR- Innermotorischmit LNG
- Nachmotorischmit SCR
- Nachmotorischmit DPF
3. Fazit
Im Vergleich zu konventionellen Schiffsbrennstoffen führt der Einsatz von LNG bereits zu einer drastischen Minderung/Vermeidung kritischer Emissionen wie NOx, SOx, Partikeln und begrenzt auch von CO2.
Bereits erfolgreich etablierte Technologien für den Nutzfahrzeugmotor können als Weiterentwicklung für den Großmotor herangezogen werden (zBCommon Rail-Höchstdruckeinspritzung, Abgasnachbehandlung, schwefelfreier Qualitätsbrennstoff).
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Die Leitveranstaltung der Energiewende in Deutschland fand 2019
vom 20. bis zum 22. Mai im Ludwig Erhard Haus in Berlin statt.
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