DOSSIER

 

Tweeslag-kruishoofdmotoren en alternatieve brandstoffen (1)


Door K. Kuiken


Bij de indeling van de dieselmotoren voor de scheepvaart vallen de tweeslagkruishoofdmotoren met een toerental van maximaal 250 omwentelingen per minuut en een vermogen tussen 1500 en 100.000 kW in categorie IV. De motoren in deze categorie noemt men ook wel de “langzaamlopers” of cathedrals of the oceans. De afmetingen zijn dan ook erg groot; de grootste – veertien-cilinder-lijnmotoren – hebben een lengte van ongeveer 30 meter, een hoogte van 14 meter en een totaalgewicht boven de 2600 ton.

In de twintigste eeuw was er na de Tweede Wereldoorlog nog een behoorlijk aantal fabrikanten dat tweeslag-kruishoofdmotoren produceerde waaronder:
- B&W, Burmeister & Wain, Denemarken,
- Doxford, met de opposed piston-uitvoering, Engeland,
- GMT – Grande Motori Trieste, Italië,
- Götaverken, Zweden,
- MAN, Maschinenfabrik Augsburg und Maschinenbau-gesellschaft Nürnberg, Duitsland,
- Mitsubishi, Japan,
- Stork, Nederland,
- Sulzer, Zwitserland, en
- Werkspoor-Lugt, Nederland.

Iedere fabrikant had een eigen ontwerp zoals:
- Doxford – twee zuigers die naar elkaar toe werkten met één tussenliggende verbrandingskamer en twee krukassen, een onderliggende en een bovenliggende,
- Stork – die in het begin een dubbelwerkende zuiger had, zowel boven als onder de zuiger vond een verbranding plaats,
- Werkspoor-Lugt – met een speciale aandrijving van de uitlaatkleppen, geen nokkenas benodigd,
-Stork Werkspoor Diesel, SWD – met vier uitlaatkleppen in de cilinderkop, B&W – had al vrij snel één centrale uitlaatklep in de cilinderkop en onder in de voering rondom inlaatpoorten.

Veel ontwerpen hadden in- en uitlaatpoorten zoals Sulzer en MAN met dwars-, lus- en rondspoeling.

De gemiddelde effectieve druk van deze motoren was in 1980 on- geveer 10 tot 13 bar en de gemiddelde zuigersnelheid 7 m/sec. Het belastingkengetal was dan ook laag: 70 tot 90 bar/m/sec. Tegenwoordig hebben de Diesel-uitvoeringen (MAN en Mitsubishi) van dual-fuel-motoren een gemiddelde effectieve druk van 20 bar en een gemiddelde zuigersnelheid van 10 m/sec en dus een be- lastingkengetal van 200 bar/m/sec, wat voor dit type motoren zeer hoog is. Bij de Otto-uitvoering (Wärtsilä Win GI) is dit lager, ongeveer 160 bar/m/sec.

Belangrijke kenmerken van tweeslag-kruishoofdmotoren Jörn Dragsted, specialist op het gebied van tweeslag-kruishoofd- motoren, schreef veel over dit onderwerp en heeft alle verbeteringen tussen 1950-2000 uitvoerig besproken. Als we naar de huidige motoren kijken, valt op dat de drie motorenbouwers (MAN, Mitsubishi en Wärtsilä) vrijwel dezelfde ontwerpcriteria hebben waardoor de verschillende typen vaak tot in detail aan elkaar gelijk zijn.
- Langsspoeling – het zogenaamde uniflow-systeem. Dit betekent dat de inlaatpoorten rondom onder in de cilindervoering zijn aangebracht nét boven de top van de zuiger in de bodemstand, bottom dead center. De inlaatpoorten zijn tangentiaal geplaatst, zodat de inlaatlucht in een draaiende beweging de cilinder instroomt en alle restgassen meeneemt richting de centrale uitlaatklep in de cilinderkop.
- Centrale uitlaatklep – alle drie de ontwerpen hebben één centrale uitlaatklep die hydraulisch wordt aangedreven. De klep- speling wordt meestal automatisch bijgesteld.
- Cilindersmering – deze is instelbaar afhankelijk van de belasting en/of het toerental, zo is te kiezen voor het tijdstip van de toevoer in de cilinder en de hoeveelheid cilindersmeerolie.
- Drukvulling – de drukvulgroep is tegenwoordig zeer belangrijk geworden. Voldoende spoel- en verbrandingslucht zijn essentieel voor het verminderen van de uitstoot van schadelijke uitlaatgassen. De drukvulgroep bestaat uit een uitlaatgassenturbine met één wiel en een door de gasturbine aangedreven compressor met één compressorwiel. Er is bijzonder veel aandacht besteed aan de prestaties van de drukvulgroep; zowel de opvoer-hoogte als de capaciteit zijn sterk verbeterd.
- Brandstofinspuiting – alle drie de ontwerpen hebben een hogedruk-brandstofinspuiting met twee of drie verstuivers in de cilinderkop. MAN-Diesel en Mitsubishi maken gebruik van individuele hydraulisch aangedreven hogedruk-brandstofpompen en -uitlaatkleppen en Wärtsilä van het common-rail-systeem waarbij de inspuitdruk kan oplopen tot 1000 bar.
- Bore-cooling– de hete delen rondom de verbrandingsruimte zoals zuiger, cilindervoering, cilinderkop en uitlaatklepzitting worden gekoeld door middel van geboorde kanalen die dicht bij de hete verbrandingsruimte zijn aangebracht. Hierdoor wordt het materiaal goed gekoeld zonder dat de sterkte van de onderdelen wordt verminderd, zoals bij de traditionele koeling met grote gegoten koelruimten het geval was.
- Slow steaming– bij een lagere vaarsnelheid om bijvoorbeeld brandstof te besparen of bij verminderd vermogen bij het aan- lopen van een haven, worden voor de luchtvoorziening een of meerdere elektrisch aangedreven blowers (luchtpompen) geplaatst om voldoende spoeling van de cilinders te behouden. Bij verminderd vermogen is de hoeveelheid uitlaatgassen die voor de drukvulgroep(en) beschikbaar is ook minder, waardoor de spoeling van de cilinders in gevaar zou kunnen komen. Bij slow steaming zijn deze hulp-blowers continu in bedrijf.


Prestaties 2018

De gemiddelde effectieve druk is sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw langzaam maar zeker gestegen van 8 tot 20 bar of 0,8 tot 2,0 MPa. Vooral de steeds verbeterde drukvulling wat betreft opvoer-hoogte en capaciteit en de sterk verbeterde materialen rondom de verbrandingsruimte hebben daartoe bijgedragen. Ook de overstap van de traditionele poortenspoeling (rondspoeling, dwarsspoeling, lusspoeling) naar het langsspoelingssysteem (uniflow) met onder in de voering de inlaatpoorten en centraal in de cilinderkop de uitlaatklep, was een hele verbetering.

De gemiddelde zuigersnelheid is sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw zeer langzaam verhoogd van 6 m/sec tot 10 m/sec. Betere loopvlakken op de cilindervoeringen, hoogwaardigere zuigerveren, een instelbare cilindersmering wat betreft het tijdstip en de hoeveelheid én het gebruik van cilindersmeerolie met sterk verbeterde eigenschappen dragen daar ook aan bij.

Het belastingkengetal verbeterde met een toename van het product van de gemiddelde effectieve druk en de gemiddelde zuiger- snelheid: een toename van 8 x 6 = 48 bar/m/sec tot 20 x 10 = 200 bar/m/sec. Dit is een zeer grote stap.

Het thermisch of totaal rendement van de voortstuwingsmotor steeg in de loop der jaren van 40 tot ongeveer 50 procent. Vooral de motoren met grote cilinderdiameters komen boven de 50 procent thermisch rendement.
Na de Tweede Wereldoorlog werd gedacht dat de inwendige verbrandingsmotor en dan speciaal de toen opkomende tweeslag-kruishoofdmotoren snel vervangen zouden worden door gasturbines en stoomturbines. Dat bleek helemaal niet zo. Het rendement in dit vermogensgebied (2 tot ongeveer 100 MW) is voor deze roterende machines zeer veel lager, de gasturbine heeft een lichte brandstof nodig die veel duurder is en de stoomturbine wordt gevoed door een grote stoomketelinstallatie en beide roterende machines moeten worden uitgerust met een tandwielreductie om een acceptabel laag toerental te verkrijgen voor een grote schroefdiameter. Al gauw riepen de techneuten dan ook: ‘Er is niets beter dan een grote inwendige verbrandingsmotor. Deze gebruikt goedkope brandstof, heeft een hoog rendement en kan zonder overbrenging direct een schroef van grote diameter met een hoog rendement aan- drijven.’ Deze regel geldt ook in 2018 nog steeds. Het probleem is alleen dat de uitstoot van schadelijke stoffen drastisch omlaag moet waardoor de bedrijfskosten behoorlijk stijgen.


Brandstoffen voor tweeslag-kruishoofdmotoren

- Dieselolie, MDO (Marine Diesel Oil): deze relatief lichte, vloei- bare brandstof werd in het begin van de ontwikkeling van deze motoren gebruikt. Het zijn zeer grote motoren wat betreft het afgegeven vermogen en ze gebruiken dan ook grote hoeveel- heden brandstof. Om de brandstofkosten te verminderen, werd al gauw gezocht naar de goedkopere residuen van olie- raffinaderijen. Er werd vanaf het begin gemengd met dieselolie.
- Zware olie, HFO (Heavy Fuel Oil): dit is de meest gebruikte vloeibare brandstof en is ondanks de extra investeringskosten van de opslag en reiniging van de brandstof de goedkoopste.
- Alternatieve brandstoffen; zware olie, LSFO (Low Sulphur Fuel Oil): door de nieuwe regels van de International Maritime Organization (IMO) die per 1-1-2020 van kracht worden, is een van de alternatieven zware olie met een laag zwavelgehalte van maximaal 0,5 procent. Die mag dan in de meeste vaargebieden wor- den gebruikt. Het is de vraag of de raffinaderijen na 1 januari 2020 wel voldoende LSFO kunnen leveren, want de capaciteit is beperkt. De prijs van deze LSFO is behoorlijk hoger dan de standaard prijs van HFO; de prijs is einde 2018 in Rotterdam voor HFO IFO 380: $ 466 en voor LSFO: $ 651 (bron: Bunkerindex).
LSFO is dus ongeveer veertig procent duurder dan HFO. Bij containerrederij Maersk, met 700 schepen, heeft men uitgerekend dat vanaf 2020 de jaarlijkse brandstofkosten daardoor met $ 2 miljard zullen stijgen. Per te vervoeren container zouden de ver­voerskosten dan met $ 160 stijgen. Maersk gaat overigens de meeste schepen voorzien van laagzwavelige brandstof en ook proeven doen met scrubbers. Een aantal grote containerrederijen gaat over op de zwavelarme brandstof, want het is de snelste manier om aan de gestelde eisen te voldoen.


LNG en LPG

Enige voorbeelden van de momenteel meest gebruikte alternatieve brandstoffen:

- Vloeibaar aardgas – LNG (Liquid Natural Gas): in gasvorm wordt dit ook gebruikt en wordt dan CNG (Compressed Natural Gas) genoemd. Volgens vele kenners van de markt is vloeibaar aard­gas nu al wereldwijd beschikbaar en gemakkelijk toepasbaar als brandstof voor inwendige verbrandingsmotoren.

Grote rederijen die eerder weinig interesse hadden in LNG als brandstof voor de voortstuwing van hun schepen om aan de steeds strengere eisen te voldoen, denken nu serieus na over LNG en enkele grote rederijen, zoals CMA-CGM en Brittany Ferry’s, hebben al bestellingen geplaatst. Kleinere rederijen, vooral in Scandinavië, hebben al een redelijk aantal schepen in de vaart zonder al te veel problemen. De Hurtigruten in Noorwegen gaat negen schepen uitrusten met LNG.

LNG is een van de weinige gassen welke een soortelijke massa heeft die lichter is dan lucht, namelijk 0,833 kg/nm3 bij 1 bar en 0oC, een groot voordeel op een schip waarbij lekkage van gassen alleen naar boven kan worden afgevoerd. De relatieve dichtheid ten opzichte van lucht is ongeveer 0,65. De soortelijke massa van lucht is 1,276 kg/nm3 bij 1 bar en 0oC. De stookwaarde van LNG is ongeveer 35,88 MJ/kg.
- LPG (Liquid Petrol Gas): een aantal kenners in de markt vindt LPG een goedkoper alternatief dan LNG, dat in de praktijk eenvoudig kan worden toegepast. LPG heeft alleen nogal wat nadelen ten opzichte van LNG:
-– het meeste LPG is benodigd voor de industrie en niet beschik- baar voor de scheepvaart;
-– de uitstoot van schadelijke emissies zoals CO2 en NOX is hoger dan bij LNG;
-– de logistiek is niet alledaags en qua complexiteit en kosten gelijk aan die van LNG;
-– de soortelijke massa van LPG is hoger dan die van lucht; bij lekkage in de machinekamer, zakt LPG dus naar de toptank onder de vloerplaten.
Verder zijn de scheepsgasmotoren (meest dual-fuel) al goed geschikt voor de verbranding van LPG. LPG is een rijk gas; met een stookwaarde van 105,31 MJ/kg is de energie-inhoud ongeveer drie keer zo hoog als methaan, het hoofdbestanddeel van LNG.
Methanol Methanol, ook wel methylalcohol genoemd, lijkt nog steeds een potentieel alternatief te zijn voor LNG en LPG. Deze brandstof wordt hoofdzakelijk geproduceerd uit biomassa, wat betekent dat het in kleine hoeveelheden wordt geproduceerd en lang niet aan de wereldwijde vraag naar alternatieve brandstoffen kan voldoen. Methanol is giftig en in dampvorm zwaarder dan lucht en daardoor is de kans op vergiftiging bij inademen of contact met de huid groot. Inname kan resulteren in blindheid en kan eventueel dodelijk zijn. De dodelijke dosis is ongeveer 25 gram.

Brandend methanol is onzichtbaar wat een extra gevaar met zich meebrengt. Methanol heeft een lagere verbrandingswaarde dan conventionele brandstoffen en heeft dus meer opslagcapaciteit aan boord nodig. De plastic en aluminium onderdelen van het brandstofsysteem dienen te worden vervangen.
De prijs van methanol is nu ook hoger dan die van de andere brandstoffen. De stookwaarde is 14,3 MJ/kg en is dus ten opzichte van LNG zeer laag. De uitstoot van CO2 is veel lager dan bij LNG, maar het is op dit moment geen concurrent van LNG.

Methanol wordt momenteel wel gebruikt als scheepsbrandstof voor korte afstanden (shortsea vessels) binnen de ECA-gebieden. In 2015 werden de dieselmotoren van het in 2001 in de vaart gekomen RoPax- schip Stena Germanica (241 x 26 meter) van Stena Line omgebouwd tot dual-fuel-motoren die voor negentig tot 95 procent op methanol kunnen draaien. De tussen Göteborg en Kiel pendelende Stena Germanica heeft vier Wärtsilä-Sulzer 8ZAL 40S-vierslag-hoofdmotoren met een vermogen van 6000 kW, elk bij 500 toeren.

‘In eerste instantie werd één motor volledig klaargemaakt voor methanol, korte tijd later gevolgd door een tweede. Inmiddels is de derde motor volledig omgebouwd en de vierde volgt binnenkort,’ zegt directeur duurzaamheid Erik Lewenhaupt van Stena Line, die met technisch directeur Per Stefenson nauw betrokken is bij de omschakeling. Stena Line ziet methanol als een brandstof voor de toekomst. Het kan uit aardgas en biologische afvalproducten worden gewonnen, is schoner dan diesel en gemakkelijker op te slaan dan LNG in dubbele bodemtanks.

‘Onder vollast draaien de motoren voor 95 procent op methanol, in deellast daalt dat naar 90 procent. De motoren kunnen ook volledig op gasolie draaien. De ervaringen zijn tot nu toe goed. Wel duurt het wat langer dan verwacht om alle motoren omgebouwd en lopend te krijgen. Omdat er geen eerdere ervaringen waren met deze ombouw, was het een beetje moeilijk een nauwkeurige tijdsplanning te maken, maar daar waren we ons van bewust toen we eraan begonnen,’ aldus Lewenhaupt.


Schonere motor

Omdat methanol completer verbrandt, blijven motoren en uitlaat- systemen schoner. Lewenhaupt: ‘Omdat we nog regelmatig switchen tussen gasolie en methanol is nog niet honderd procent duidelijk hoeveel het scheelt, maar er ontstaat bij de verbranding geen roet en vettigheid.’ Op onderhoudsintervallen en revisietijden heeft dit nog geen invloed. ‘Die zijn nu hetzelfde.’

Berekend is dat de emissies van zwavel en fijnstof bij methanol 95 procent lager liggen dan bij diesel en die van NOX zestig procent lager. ‘De precieze CO2-emissie hangt af van de analyse die we over de totale levensduur maken en van berekeningen na metingen aan de pijp. We verwachten dat ze min of meer gelijk blijven, maar hebben nog geen metingen aan de uitlaat gedaan. We zijn dat wel van plan. Het zal er dan om hangen of we de Tier III-emissienormen zonder nabehandeling van uitlaatgassen halen. Wij houden er rekening mee dat dit niet het geval is.’

In de toekomst zal blijken of ook andere brandstoffen een belangrijke brandstof worden zoals ammoniak, mierenzuur en waterstof.

 

                                      

 

  LMB-BML 2007 Webmaster & designer: Cmdt. André Jehaes - email andre.jehaes@lmb-bml.be