DOSSIER

 

ALTERNATIEVE BRANDSTOFFEN VOOR DIESELMOTOREN

 


Deel 1 – Methanol

De meest veelbelovende oplossingen voor toekomstige scheepsbrandstoffen zijn op dit moment LNG, LPG, methanol, biobrandstof, waterstof en wellicht ammonia. Afhankelijk van de manier waarop deze brandstoffen worden geproduceerd, kunnen zij een grotere of minder grote rol spelen bij het reduceren van de GHG-voetprint van de scheepvaart. In het eerste deel van dit artikel wordt ingegaan op de mogelijkheden van methanol. Volgende maand wordt ammonia besproken.

Sinds de introductie van inwendige verbrandingsmotoren, aan het eind van de negentiende eeuw, werden verschillende brandstoffen gebruikt.

Nicolaas Otto ontwikkelde samen met Carl Langen in 1867 de viertakt-mengselcompressiemotor. In het begin werden voor deze motoren spiritus en benzine als brandstof gebruikt. De vloeibare brandstof wordt voor het in de cilinder komt verstoven en gemengd met lucht. Later werden ook gasvormige brandstoffen als mijngas en aardgas gebruikt. Het rendement was heel laag, ongeveer twaalf procent.

In 1892 kwam Rudolf Diesel met de inwendige verbrandingsmotor volgens het principe van de luchtcompressie, waarbij vlak voor de top van de zuiger vloeibare brandstof wordt ingespoten. Aanvankelijk met brandstoffen als pindaolie en andere plantaardige oliën. Het rendement was veel beter, in de orde van 25 procent. Veel beter dan stoommachines (circa tien procent) en de Ottomotor (twaalf procent). Later werden ook mijngas en aardgas gebruikt voor deze dieselmotoren, waarvan er omstreeks 1912 al 70.000 in gebruik waren wereldwijd. De door Otto ontwikkelde viertaktmotor draaide op gasoline.

Na de Tweede Wereldoorlog nam het gebruik van dieselmotoren geweldig toe: in de industrie, voor spoorwegen, vrachtverkeer over de weg en de scheepvaart. Na 1970 waren voor de meeste scheepstypes de stoomaandrijvingen verdreven door de veel efficientere dieselmotor, die toen al een rendement van 35 tot veertig procent hadden.

De brandstoffen welke in de loop van de jaren voor inwendige verbrandingsmotoren werden gebruikt, waren onder meer petroleum, benzine, gasolie en dieselolie. Soms ook stadsgas, propaan en acetyleen. Voor schepen werd dit steeds meer dieselolie. Nadat in de jaren vijftig in Nederland aardgas werd gevonden, werd het al aanwezige leidingnet voor stadsgas (gewonnen uit het verhitten van cokes zonder toevoeging van lucht) uitgebreid en ontstond er een fijnmazig gasnet. In de jaren zeventig kwamen de warmtekracht-installaties met gasmotoren tot ontwikkeling en die draaiden hoofdzakelijk op aardgas. Soms op andere gassen, zoals rioolgas, stortgas en biogas, geproduceerd door mestinstallaties en het composteren van plantrestanten.

De scheepvaart gebruikte tot na de Tweede Wereldoorlog dieselolie voor zowel de tweeslag-kruishoofdmotoren als de vierslag-trunkzuigermotoren. In de jaren vijftig begon de scheepvaart zware olie te gebruiken voor de langzaam lopende tweeslag-kruishoofdmotoren en in de jaren tachtig ook voor de middelsnel lopende vierslagtrunkzuigermotoren.


Stand van zaken in 2022
In de loop van de jaren is men zich bewust geworden van de schadelijke emissies van inwendige verbrandingsmotoren. Emissies zoals van stikstofoxides (NOX), zwaveldioxide (SO2), fijne roetdeeltjes (PM10) en vluchtige organische stoffen (VOS) welke het schadelijke ozon (O3) kunnen veroorzaken. Als gevolg van de bekende klimaatproblematiek is daar meer recent kooldioxide (CO2) bij gekomen. De brandstoffen zijn in de loop van de jaren aan steeds strengere regels gebonden; voor de scheepvaart zijn dat de regels van de IMO, de International Maritime Organization. Voor zware olie (HFO) geldt nu een maximum zwavelgehalte van 0,5 procent buiten de Emission Control Areas (ECA’s) en 0,1 procent in ECA’s. Voor schepen met een scrubberinstallatie waarmee de zwavel uit de uitlaatgassen wordt gehaald, geldt een maximum zwavelgehalte voor de olie van 3,5 procent. ECA’s liggen bij dichtbevolkte kusten. Het aantal ECA’s neemt geleidelijk toe. De voornaamste zijn de Baltische Zee, Noordzee, oost- en westkust van de Verenigde Staten, Canada en delen van Azië. Emissies van NOX zijn op soortgelijke manier aan regelgeving gebonden.

De huidige IMO-strategie voor het reduceren van CO2-emissies kan als volgt worden omschreven: verplichte reductie van ten minste veertig procent in 2030 ten opzichte van 2008, streven naar reductie van zeventig procent in 2050 ten opzichte van 2008 en voor wat betreft het totaal aan broeikasgassen (GHG-emissies) een verplichte reductie van vijftig procent eveneens ten opzichte van de emissies in 2008. De verwachting is dat deze doelen in 2023 zullen worden aangescherpt.

Momenteel, begin 2022, varen er meer dan 50.000 schepen met voortstuwingsvermogens van 2 tot ongeveer 85 MW per schip. Veruit de meeste van deze schepen varen met één of meer dieselmotoren voor de voortstuwing en met laagzwavelige zware olie (LSFO), dieselolie (MGO) of hoogzwavelige zware olie (HFO met een scrubber) als brandstof.

Een beperkt aantal schepen vaart met andere brandstoffen zoals:
- vloeibaar aardgas (LNG): circa 350 schepen in de vaart, waaronder uiteraard veel LNG-tankers, en in opdracht circa 150,
- methanol: ongeveer vijftig in de vaart en twintig in opdracht,
- LPG (liquid petroleum gas): circa 100 in de vaart, nagenoeg uitsluitend LPG-tankers.
Daarnaast varen er schepen die gedeeltelijk gebruikmaken van biobrandstoffen voor de voortstuwing.
Ammonia is een brandstof waar in de scheepvaart belangstelling voor begint te komen. Binnenkort worden de eerste motoren getest met ammonia; het is de bedoeling dat in 2023/2024 een paar inmiddels bestelde schepen op ammonia gaan varen.


Eigenschappen van methanol

Methanol, ook wel bekend als methyl alcohol, is de eenvoudigste alcohol met chemische formule CH3OH. Bij verbranding ontstaat er CO2 en water. De vlam van methanol is onzichtbaar. Het is bij normale omgevingscondities een lichte, kleurloze en giftige vloeistof en mag uitsluitend gebruikt worden in een goed geventileerde ruimte. Bij contact met de huid afspoelen met water en bij inslikken of contact met de ogen onmiddellijk een arts waarschuwen. De dodelijke dosis van methanol is ongeveer 25 gram. Het is brand- en explosiegevaarlijk, dus moet worden weggehouden van warmte en ontstekingsbronnen. Methanol is biologisch afbreekbaar en mengt goed met water. Damp van methanol is zwaarder dan lucht en kan zich verzamelen op vloeren en in bilges. De eigenschappen van methanol zijn:
- dichtheid: 791,4 kg/m3,
- smeltpunt: -93,9 graden Celsius,
- kookpunt: 64,96 graden Celsius,
- vlampunt: 12 graden Celsius
- zelfontbrandingstemperatuur: 470 graden Celsius,
- energiedichtheid: 15,6 MJ/liter (ter vergelijking: MGO 35 MJ/liter en waterstof 11 MJ/liter).

Afhankelijk van de productiemethode kunnen we spreken van black, grey, green of blue methanol. Green methanol wordt zodanig geproduceerd dat het in gebruik CO2-neutraal is, dat wil zeggen dat er evenveel CO2 uit de atmosfeer voor wordt gebruikt als er bij verbranding, bij voorbeeld in een diesel Green methanol      motor, aan CO2 wordt gewordt zodanig produceerd. In Denemarken is een fabriek in aangeproduceerd dat    bouw welke met een elektrolyse-installatie van het in gebruik      70 MW per jaar 50.000 ton “groene” methanol kan CO2-neutraal is produceren. Lloyd’s Register en DNV hebben inmiddels klasse-eisen voor het gebruik van brandstoffen zoals methanol. Ten opzichte van waterstof heeft methanol het voordeel dat het veel gemakkelijker en veiliger te transporteren en op te slaan is. Het kan worden gebruikt in brandstofcellen of in verbrandingsmotoren.


Gebruik in scheepsmotoren

Enkele rederijen gebruiken methanol al als brandstof voor dieselmotoren. Er wordt veel onderzoek gedaan naar het toepassen van methanol als brandstof zoals in Nederland door het consortium Green Maritime Methanol (greenmaritimemethanol.nl), ondersteund door het Maritiem Kenniscentrum. Dit consortium van achttien bedrijven heeft inmiddels een aantal rapporten gepubliceerd.

De havenbedrijven van Amsterdam en Rotterdam participeren met methanolleveranciers en de brancheorganisatie The Methanol Institute in een onderzoek naar de noodzakelijke bunkerinfrastructuur. Rederij Wagenborg onderzoekt of het aantrekkelijk is de Eemsborg om te bouwen naar methanol als brandstof. Dit schip van de E-serie, een 11.600 dwt vrachtschip, heeft een Wärtsilä 9L 32C-motor van 4500 kW.

Pon Power heeft proeven uitgevoerd aan een G3508-A-aardgas-motor (NG) van Caterpillar met turbocompressor, vonkontsteking (S1) met acht cilinders en een nominaal vermogen van 500 KWe bij 1500 omwentelingen/minuut en brandstofinjectie met methanol (100 procent methanol bij 25 procent, vijftig procent en 75 procent belasting). Bij een belasting van vijftig procent verbeterde het rendement ten opzichte van LNG met 2,25 procent en 0,9 procent bij 75 procent. De NOX-emissies bleven gelijk.

De N LDA (Netherlands Defence Academy) bereidt een test voor met een MAN-motor, type 4L20/27. Methanol wordt samen met dieselolie, bedoeld om het mengsel te ontsteken, in de cilinder gespoten. Men wil eerst het mengsel als een emulsie inspuiten en daarna een test uitvoeren met methanolinspuiting via de luchtinlaat en de dieselolie voor de ontsteking direct in de cilinder.

In België werken de Rijksrederij en de Universiteit van Gent samen om methanol te testen in een Volvo Penta D7C-B-TA snellopende dieselmotor volgens dual-fuel-bedrijf met methanol en dieselolie.

De figuur hieronder geeft een overzicht van de prijsontwikkeling van methanol ten opzichte van MGO (marine gas oil). De betreffende methanol in dit prijsoverzicht is de normale commerciële methanol en zeker niet de groene methanol. Om groene methanol concurrerend te maken, zal er eerst een flinke CO2-prijs op de fossiele brand-stoffen moeten worden gelegd.

Rederij Maersk heeft inmiddels een aantal schepen besteld voor dual-fuel, methanol of MGO, waaronder acht containerschepen met een capaciteit van 16.000 TEU met tweeslag -kruishoofd motoren van MAN ES. Door de methanol te “blenden” met een klein beetje water blijft de temperatuur in het verbrandingsproces laag waardoor voor wat betreft de hoeveelheid stikstofoxides zonder rookgasreiniging aan Tier III-eisen kan worden voldaan. Het rendement van zo’n motor met methanol is iets hoger dan met conventionele brandstoffen. Rederij Stena Line heeft sinds 2015 de RoPax ferry Stena Germanica varen op methanol met als back-up MGO. Dit resulteert in een reductie van zwaveloxide met 99 procent, van stikstofoxide met zestig procent, van fijnstof met 95 procent en van CO2 met 25 procent. Dit schip heeft vier Sulzer 8 ZAL 40S middelsnellopende vierslagmotoren die zijn uitgerust met dual-fuel-verstuivers en elke motor heeft een extra hogedrukpomp voor methanol voor een inspuitdruk van 600 bar.

Technisch is dit project uitstekend verlopen, maar door de relatief hoge methanolprijs commercieel minder. Stena was van plan 25 schepen om te bouwen naar methanol, maar tot op heden zijn er zover als bekend geen vervolgopdrachten geplaatst.


Beschikbaarheid en ombouw

Methanol is beschikbaar in 88 van de 100 grootste havens ter wereld. Als methanol geproduceerd kan worden met “groene” energie voldoet het als brandstof aan de toekomstige CO2-regelgeving. Dat is de bedoeling van Maersk en die rederij is zelf betrokken bij een paar bedrijven welke groene methanol willen gaan leveren. Methanol wordt nu geproduceerd uit aardgas (CH4 , methaan).

Het installeren van een methanolbrandstofsysteem is goedkoper dan een brandstofsysteem voor LNG. Bij ombouw van MGO naar methanol moet rekening worden gehouden met kosten voor de meer ruimte vragende bunkertanks, leidingsystemen, pompen en regel-apparatuur.

Alfa Laval heeft speciaal voor methanol een brandstofbehandelingsinstallatie ontworpen. Voor methanol is een gesloten brand-stofsysteem met stabiele aanvoer van methanol naar de motor zeer belangrijk. Het heeft een veel lager vlampunt dan MGO of HFO. Bij 12 graden Celsius geeft het al genoeg gas om bij aanwezigheid van een vonk of ontstekingsbron te ontbranden. Het is dus duidelijk explosiegevaarlijk en dat is een groot verschil met de gebruikelijke fossiele brandstoffen waar we in de scheepvaart aan gewend zijn.


Overige voorzieningen bij gebruik van methanol

  

Afhankelijk van het watergehalte in methanol kan het nodig zijn de tanks te voorzien van een coating op zinkbasis. Door de lagere energiedichtheid ten opzichte van dieselolie wordt de bunkertank-inhoud 2 tot 2,5 maal zo groot bij een overeenkomstige actieradius. De figuur hieronder toont bunkertanks voor methanol en laagzwavelige gasolie. De tank voor methanol heeft grenzend aan de huid geen kofferdam nodig omdat methanol niet giftig is voor het zeemilieu. Boven het zeewaterniveau is een kofferdam nodig in verband met explosiegevaar bij een aanvaring. De druk in de leidingen naar de brandstofpompen is ongeveer 13 bar. In het recirculatie-systeem is een verhitter/koeler opgenomen voor het handhaven van de juiste temperatuur. De nozzle van de pilotverstuiver is van roestvrij staal. Alle afdichtingen in het leidingensysteem moeten heel goed dicht zijn in verband met giftige en explosieve gasvorming. Omdat methanol als emulsie met water wordt ingespoten om de stikstofproductie laag te houden, is een emulsiesysteem noodzakelijk. Alternatief kan de stikstof in het uitlaatsysteem worden beperkt.

 

 

 

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