DOSSIER

 

Tweeslag-kruishoofdmotoren en alternatieve brandstoffen (2)


Door K. Kuiken

 

Verschillende uitvoeringen van tweeslag-kruishoofd motoren

Bij de indeling van de dieselmotoren voor de scheepvaart vallen de tweeslag-kruishoofdmotoren 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-cilinderlijnmotoren – hebben een lengte van ongeveer 30 meter, een hoogte van 14 meter en een totaalgewicht boven de 2600 ton.

Alle drie de producenten – MAN Diesel, Wärtsilä en Mitsubishi – hebben hun eigen ideeën hoe ze de markt kunnen voorzien van hun motoren. Als het bijvoorbeeld gaat om het vermogensgebied, dan is het mogelijk met verschillende groottes van cilinderdiameters en verschillende aantallen cilinders te werken om het door de klant gevraagde voortstuwingsvermogen “af te dekken”. Hoe meer cilinderdiameters en aantal cilinders beschikbaar zijn, hoe beter de specifieke eisen van de klant kunnen worden afgedekt. Bij een bepaalde cilinderdiameter hoort ook een bepaalde slag-diameterverhouding. Daarbij behoort ook weer een bepaalde maximale zuigersnelheid en dus een bepaald toerental. Het minimale aantal cilinders wordt meestal bepaald door het aanzetsysteem. Standaard worden deze motoren gestart op lucht van 30 bar en wordt er over een bepaalde aanzetboog lucht toegelaten. Meestal is de regel dat een vijf cilinder-tweeslag-kruishoofdmotor in iedere stand van de krukas kan worden aangezet.


Nokkenas

Traditioneel diende de nokkenas om de uitlaatkleppen en de brandstofpompen aan te drijven. Een nokkenas is vaak niet meer aanwezig bij de allernieuwste ontwerpen. De krukas drijft bijvoorbeeld een hydraulische eenheid aan voor het bedienen van de uitlaatkleppen en de brandstofpompen worden bij de krukas geplaatst of worden hydraulisch aangedreven of zitten nog bij de cilinders (MAN Diesel) en worden daar ook hydraulisch aangedreven.


Geschikt voor zware olie

Na de Tweede Wereldoorlog nam de vraag naar lichtere brandstoffen zoals dieselolie en kerosine sterk toe. Het wegverkeer, de luchtvaart en de industrie zorgden voor een sterke toename van het ruwe-olieverbruik en raffinaderijen hielden steeds meer residuen over na de verschillende processen.

Door deze residuen te bewerken en te mengen met lichtere brandstoffen, kwam er een nieuwe brandstof op de markt voor de industrie en de scheepvaart, vooral voor stoomketels. Vaak wordt 2 tot 4 procent lichtere dieselolie aan de zware brandstof toegevoegd. De kosten van deze “zware olie” waren toen ongeveer de helft van die van dieselolie.

Ook de met stoominstallaties – stoomturbines/stoomketels – aangedreven schepen gebruikten toen al “zware olie” voor de stoomketels, al is dit niet te vergelijken met de huidige zware olie zoals IFO 380 of IFO 700.

Tijdens de jaren vijftig werden steeds meer tweeslag-kruishoofdmotoren uitgerust voor het gebruik van “zware olie”. Bij deze relatief langzaam verlopende processen is er na de inspuiting van de brandstof voldoende tijd om deze min of meer redelijk te verbranden.

De installaties aan boord werden natuurlijk gecompliceerder. Het verwarmen van de voorraadtanks en bunkers en het gebruik van separatoren en speciale filters werden de standaard. Na diverse aanpassingen konden deze motoren ook de steeds zwaardere residuale brandstoffen gebruiken die bovendien relatief goedkoper waren in aanschaf. Dat maakte ze aantrekkelijk want de brandstofkosten zijn bij de meeste schepen immers de grootste kostenpost; tot wel 70 procent van alle kosten.

In de jaren tachtig kreeg Wärtsilä het voor elkaar een vierslag- middelsnellopende motor op zware olie te laten draaien. Later volgden bijna alle grotere vierslag-motorenfabrikanten zoals MAN Diesel, Mak, Bergen Diesel en Pielstick.

Tegenwoordig is de zware olie, meestal IFO 380, dit wil zeggen 380 Centistokes, dé brandstof voor de middelsnellopende vierslag- en langzaamlopende tweeslag-dieselmotoren.


Schadelijke emissies in de uitlaatgassen

De schadelijke stoffen die deze motoren uitstoten, zoals CO2, NOX, SOX en fijnstof, zijn hoog. Het beperken van de uitstoot van schadelijke stoffen bij de verbranding van fossiele brandstoffen op het land, eerst vooral in dichtbevolkte gebieden, veroorzaakt door onder andere de industrie, het wegverkeer en de binnenvaart, is tegenwoordig een dagelijks discussiepunt. De opwarming van de aarde door menselijke activiteiten wordt door steeds meer wetenschappers toegeschreven aan onder andere het sinds 1750 (de eerste industriële revolutie in Engeland) toegenomen gebruik van fossiele brandstoffen.

Ook voor de scheepvaart komen er steeds meer gebieden op de wereld waar emissie-eisen van kracht worden. Dit geldt natuurlijk ook voor het gebruik van de zware brandstof HFO, welke eigenlijk een afvalproduct is van de raffinaderijen. De gehalten aan zwavel zijn hoog, tussen de 2 en 5 procent en de brandstof bevat nog zeer veel andere schadelijke stoffen, onder andere metalen.


IMO 2020

Wat betreft de uitstoot van zwavel in de vorm van zwaveldioxide, SO2, zijn de eisen zoals vastgesteld door de International Maritime Organization (IMO) streng. Er mag in de meeste gebieden een brandstof worden gebruikt met maximaal 0,5 procent zwavel en in bepaalde gebieden zelfs maar 0,1 procent. We hebben het dan over de NECA’s en SECA’s: NOX Emission Control Areas en SOX Emission Control Areas.


NECA’s

Op 1 januari 2016 ging de IMO Tier III-regelgeving in voor alle NECA’s, zo besloot de IMO. De IMO Tier III emissie-eis op gebied van stikstofoxiden (NOX) geldt voor alle schepen in een NECA langer dan 24 meter waarvan de kiel na 1 januari 2016 is gelegd, het motorvermogen meer dan 130 kW (177 pk) bedraagt en het totale volume van het schip groter is dan 500 Gross Tonnage (GT). De regelgeving geldt ook als er bij een retrofitproject een motor wordt geplaatst groter dan 130 kW.

Zwavelgehalten in brandstof per 01-01-2020. Het maximale zwavelgehalte in procenten van HFO wereldwijd en in de aangewezen SECA’s, respectieve- lijk 0,5 en 0,1 procent. Verder de zwavelgehalten in MGO (Marine Gas Oil) en MDO (Marine Diesel Oil). Vooral het zwavelgehalte in zware olie, HFO, is sinds 2012 teruggebracht (van 3,5 naar 0,5 procent); een drastische, maar noodzakelijke maatregel.

 

          

Het principe van MAN Diesel ME-GI. In de cilinderkop zijn twee gasinjectiekleppen geplaatst en twee vloeibare “pilot”-brandstofverstuivers. Bij de opgaande slag wordt alleen lucht gecomprimeerd en vlak voor top wordt onder een druk van ongeveer 350 bar gas ingespoten direct gevolgd door het inspuiten van zeer weinig MDO of FO via twee pilot-brandstofkleppen met een druk van 1000 bar. Dit is dus een Diesel-proces (luchtcompressie).

                  

De maximaal toegestane uitstoot van stikstofoxiden, NOX in gram per kWh in 2000, 2011 en 2016 gerelateerd aan het toerental van de motor. Het toerental van de tweeslagkruishoofdmotoren ligt tussen 50-250 omw/min en de uitstoot van NOX is drastisch teruggebracht van 17 naar 3,5 gram per kWh in 2016. Opvallend is het sterk  afgenomen verschil tussen de langzaamlopende tweeslag-kruishoofdmotoren en de middelsnel- lopende vierslag-trunkzuigermotoren. Tussen 100 en 600 omw/min in het jaar 2000 is er nog een verschil van 17 en 10 gram per kWh en in 2016 nog een verschil van 3,5 en 2,5 gram per kWh. Sinds 2016 is de reductie van NOX ongeveer 80 procent ten opzichte van 2000.

Onder een NECA-eis valt op dit moment alleen de kust van Noord-Amerika en de Caribische eilanden die deel uitmaken van Amerika. Voor deze gebieden is de IMO Tier III-regelgeving per 1 januari 2016 ingegaan. Verder heeft de IMO tijdens de 71ste bijeenkomst (MEPC71) besloten dat er met ingang van 1 januari 2021 ook voor de Noordzee en de Oostzee een NECA van kracht zal zijn.

Een omslag in het denken over de te gebruiken brandstof De langzaamlopende tweeslag-kruishoofdmotor is, naast de middelsnellopende vierslagmotor, de grote gebruiker van zware brandstof in de scheepvaart. Soms lijkt de scheepvaart wel het afvalputje van de olieraffinaderijen; de residuen zijn zo immers nog mooi te verkopen. Door echter te kiezen voor dual-fuel, wordt het gebruik van zware olie teruggedrongen.


Dual-fuel met Diesel-principe

Er zijn bij de drie motorenbouwers twee systemen in omloop. MAN Diesel en Mitsubishi werken volgens het Diesel-principe; luchtcompressie met op het einde van de compressieslag het inspuiten van het brandstofgas bij hoge druk, ongeveer 350 bar, direct gevolgd door de ontsteking van het brandstof-luchtmengsel met het inspuiten van vloeibare brandstof onder zeer hoge druk, MDO of HFO met ongeveer 1000 bar inspuitdruk.

Hierbij wordt het opgeslagen vloeibare gas, LNG, verdampt en met een meertraps hogedrukcompressor met tussenkoeling gecomprimeerd tot ongeveer 350 bar en via twee gasinjectiekleppen in de cilinderkop ingespoten. Vlak daarna wordt vloeibare brandstof, MDO of HFO, via twee pilot-injectiekleppen ingespoten, waardoor het mengsel van lucht en gas wordt ontstoken.

De hoeveelheid ingespoten brandstof is ongeveer 1 tot 2 procent van de totaal ingespoten hoeveelheid energie van de brandstof, MDO/HFO en LNG. Dit Diesel-proces voldoet aan de emissie-eisen Tier II. Nareinigen van de uitlaatgassen is soms nodig.

Bij de MAN B&W ME-GI-motor is de gemiddelde effectieve druk maximaal 20 bar en de gemiddelde maximale zuigersnelheid 10 m/ sec. Het belastingkengetal is het product en dus wel 200 bar/m/ sec. De hoeveelheid pilot fuel gerekend naar de totale calorische waarde van de ingespoten hoeveelheid brandstof is maximaal 3 procent.
Bij het ontwerp van deze diesel- en dual-fuel-motoren wordt uitgegaan van fuel flexibility. De brandstof is daarbij standaard MDO/ HFO en daarnaast geschikt voor verschillende gassen, onder andere LNG, methanol, LPG (Liquid Petroleum Gas), DME (dimethyl- ether), ethanol, ethaan en op aanvraag andere brandstoffen zoals biobrandstoffen. De motoren kunnen worden uitgerust met selective catalytic reduction (SCR) of exhaust gas recirculation (EGR). Ook online monitoring is mogelijk.


Motorentypen MAN B&W

- ME-S: elektronisch geregeld verbrandingsproces waarbij onder andere tijdstip van brandstofinjectie, uitlaatklepbediening, de aanzetkleppen en cilindersmering automatisch gestuurd worden. Deze motoren draaien alleen op vloeibare brandstof.

- ME-GI-S: dit zijn dual-fuel-motoren voor gasvormige brandstof met een hoog vlampunt en met vloeibare brandstof als pilot- injectie. Deze motoren draaien op elk hoog calorisch brandstofgas, welke kan worden gecomprimeerd tot 300-400 bar bij 45°C en in één keer kan worden ingespoten in de verbrandingskamer.

- ME-LGI-S: dit zijn dual-fuel-motoren voor vloeibare brandstof met een laag vlampunt en pilot-injectie met vloeibare brandstof. Voor methanol is de inlaatspuitdruk 8 bar en voor LPG is dit 50 bar. Voor andere vloeibare brandstoffen zoals ethaan, LPG, methanol, biofuel of andere brandstoffen zijn verschillende technieken ontworpen.


Otto-proces van Wärtsilä voldoet aan Tier III

Tegenwoordig wordt de Wärtsilä-uitvoering van de tweeslag-kruishoofdmotor ondergebracht in een apart bedrijf: WIN-GD-Winterthur Gas & Diesel Ltd. De cilinderdiameters variëren van 50 tot 92 centimeter. De zuigerslag varieert van 2,05 tot 3,468 meter en het toerental van 70 tot 124 omw/min. De gemiddelde effectieve druk van alle typen is 17,3 bar en de gemiddelde zuigersnelheid ongeveer maximaal 9,3 meter per seconde. Het belastingkengetal is het product hiervan en dus 160 bar/m/sec.

Dit systeem werkt volgens het Otto-principe (mengselcompressie). Hierbij wordt bij de opgaande compressieslag, direct nadat de zuiger de inlaatpoorten is gepasseerd en de compressieslag begint, via twee tegenover elkaar staande gaskleppen gemonteerd in de cilindervoering, de gasvormige brandstof onder lage druk in de cilinder gespoten. Op het einde van de compressieslag wordt het mengsel ontstoken via drie in het cilinderdeksel aangebrachte brandstofkleppen met voorkamer. De brandstof kan MDO of HFO zijn. Dit Otto-proces voldoet aan de emissie-eisen Tier III. Dit systeem werkt met een lage gasdruk tot maximaal 8-10 bar. Hiervoor is dus geen hogedrukcompressor noodzakelijk.

Zowel de Diesel- als Otto-systemen worden momenteel al op een behoorlijke schaal gebruikt. MAN Diesel heeft al meer dan honderd motoren op schepen in gebruik en ook Wärtsilä eist nu duidelijk een behoorlijk marktaandeel op.
Aandeel LNG-motoren in de zeescheepvaart

Er varen momenteel ongeveer 250 schepen op LNG met zowel vier- slag- als tweeslag-dual-fuel-motoren en er zijn ongeveer 250 schepen in opdracht of in aanbouw met LNG-dual-fuel-motoren. De toe-name van het aantal bestelde schepen met LNG is behoorlijk, maar vergeleken met het aantal schepen dat wereldwijd vaart met HFO, ongeveer 60.000, is dit natuurlijk zeer bescheiden. Belangrijke voorwaarden voor het gebruik van LNG zijn:
- de kosten van de gehele LNG-installatie op schepen ten op- zichte van HFO-installaties;
- de beschikbaarheid van LNG-bunkerstations, LNG-terminals en LNG-bunkerschepen; en
- de brandstofkosten van LNG ten opzichte van HFO en LSFO.


Het principe van Wärtsilä genaamd WIN-GD. Bij de opgaande slag wordt het brandstofgas door twee tegenover elkaar geplaatste gaskleppen in de cilindervoering bij lage gasdruk in de cilinder gespoten. Het brandstofgas en de lucht, die via de tangentiaal geplaatste inlaatpoorten een rondgaande beweging door de cilinder maakt, worden intensief gemengd en het mengsel wordt vlak voor de topstand van de zuiger door drie, rondom de centrale uitlaatklep geplaatste, pilot-brandstofverstuivers via een voorkamer ontstoken. Dit is dus een Otto-proces (mengselcompressie).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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