Reduktion af NOX fra skibstransport ved hjælp af vand-i-olie emulsion
Tilsætning af vand til marin gasolie kan ved hjælp af en emulgator give en stabil vand/olie-emulsion, der kan fungere som brændsel i store to-takts skibsmotorer. Resultatet er en lavere forbrændingstemperatur og dermed mindre dannelse af NOX under forbrændingen. I projektet er opnået en NOX reduktion på op til 60 % afhængig af vandindholdet.
Faseadskilt emulsion, Billede udlånt af Danisco
Stabil emulsion, Billede udlånt af Danisco
Projektet er gennemført af MAN Diesel & Turbo København i samarbejde med Danisco A/S. Projektet har modtaget tilskud under Handlingsplan for miljøeffektiv teknologi og indgår som en del af aktiviteterne under Partnerskab for renere skibsfart.
Baggrunden for projektet er lovgivningen under den Internationale Maritime Organisation (IMO). IMO har vedtaget international regulering af udledning af svovldioxid (SO2) og kvælstofoxider (NOX) fra skibsfart.
Reguleringen af SO2-udledning betyder, at skibe, der sejler i SECA områder (Sulphur Emission Control Area), fra 2010 kun må bruge brændstof med maximalt indhold af svovl på 1 % og fra 2015 kun må bruge 0,1 % svovl eller skal etablere tilsvarende rensning af røggassen.
Skibe bygget i perioden 2011 – 2015 skal overholde TIER II krav for udledning af NOX, hvilket svarer til 15%’s reduktion i forhold til Tier I. Skibe bygget i 2016 og frem skal overholde TIER III krav, svarende til 80%’s reduktion i forhold til Tier I, i SECA områderne – som ventes at blive til ECA områder (Emission Control Area).
Teknologien med vand-i-olie emulsion er kendt fra heavy fuel olie (som typisk har et højt svovlindhold), hvor emulsionen kan være tilstrækkeligt stabil uden tilsætning af en emulgator. Dette kan ikke lade sig gøre med marin gas olie, som forventes anvendt i SECA-områder efter 2015 pga. et lavt svovlindhold. Projektets ide var derfor, at finde en emulgator der muliggør at bruge vand-i-olie emulsion til marin gasolie.
Projektet er således baseret på viden og kompetencer fra to meget forskellige virksomhedsområder: Danisco, med viden og udviklingsaktiviteter indenfor emulgatorer til mange forskellige anvendelser, og MAN Diesel & Turbo, med viden og udviklingsaktiviteter indenfor store to-takts skibsmotorer.
Projektet er startet i oktober 2009 og afsluttet i starten af 2011. Det har omfattet to hovedaktiviteter 1) Identifikation af en egnet emulgator samt 2) Afprøvning af vand/olie emulsion på en testmotor.
En række emulgatorer blev afprøvet og testet blandt andet med henblik på stabilitet af emulsionen over tid. Forsøgene blev udført ved temperaturer op til 55°C og ved varierende vandindhold, op til 50%. Viskositeten af emulsionen, emulsionens sejhed, var også en parameter, der havde betydning for valg af emulgator. Ud fra flere parametre valgtes den bedst egnede kandidat, som blev yderligere optimeret på konsistensen for at lette håndteringen ombord på skibet.. Denne optimerede emulgator blev derefter afprøvet i testmotoren hos MAN Diesel & Turbo. I motoren testes vand-olie-emulsionen bl.a. i forhold til motorperformance og -stabilitet. Det testes også, om motoren kan stoppes over kortere perioder og startes igen uden vanskeligheder. Den valgte emulgator viste gode driftsresultater for motoren.
Den samlede løsning kan give op til 60 % NOX reduktion afhængig af vandindholdet. Dvs. at denne teknologi kan leve op til IMO’s TIER II krav, som svarer til ca. 15%’s reduktion i forhold til TIER I, men ikke til TIER III kravene, som svarer til 80 % reduktion i forhold til TIER I. Dvs. at metoden har et potentiale i områder, hvor lokal lovgivning foreskriver eller belønner en reduktion af NOx til under TIER II. Andre positive gevinster er lavere udledning af kulilte (CO) og sod. På den negative side er der et lidt større brændstofforbrug i størrelsesordenen 2-3 % samt en mindre stigning i udledning af uforbrændte kulbrinter. Dette gør sig gældende, når teknologien betragtes isoleret. I kombination med EGR er der andre forhold, der gør sig gældende.
Hvis der er tale om at skibet altid skal sejle på et destillat brændstof, skal der installeres en såkaldt ”WIF” – enhed, som blander vand og emulgator i brændstoffet og homogenisere dette til en homogen blanding . Allerede eksisterende brændstofkomponenter kan fortsat anvendes, men motoren vil ofte ikke kunne opretholde sin ydelse. Det bliver mere kompliceret og dyrere, hvis motoren også skal kunne køre på vand og heavy fuel olie. I den situation vil der skulle udskiftes mange komponenter i brændstofsystemet, da det vil blive nødvendigt at hæve både tryk og temperatur. I praksis vurderes det kun at være interessant for nybygninger pga. de store omkostninger.
MAN Diesel & Turbo arbejder også med andre løsninger til reduktion af NOX-dannelse for at nye skibsmotorer kan overholde TIER III krav fra 2016. En af løsningerne er EGR-teknologi (Exhaust Gas Recirkulation), som kan reducere NOX udledning med omkring 80 % og samtidigt reducere emissionen af uforbrændte kulbrinter moderat. På den negative side giver teknologien en stigning i udledning af CO og sod. MAN Diesel & Turbo har derfor forsøgsvist afprøvet vand-i-olie emulsionen i kombination med EGR-teknologi. En første forsøgsrunde peger på, at der er perspektiver i en kombination af de to teknologier, som kan bidrage til optimering af brændstofforbrug, dvs. en mindre stigning i forbrug end det forventes ved hver af løsningerne for sig, samtidig med at udledninger af NOX reduceres markant (under Tier III krav). Forsøgene peger på at udledning af CO og uforbrændte kulbrinter ikke stiger ved kombinationsløsningen.
Fakta om NO X -regulering
IMO kravene til NO X udledning er afhængig af motorens omdrejningstal ved max kontinuert ydelse (mcr) – se nedenstående figur. Tier I kravene til NOX gælder for skibe bygget efter år 2000. Tier II kravene gælder for skibe bygget efter 2010 og er 15% - 22 % lavere end Tier I krav. For store to-takts motorer svarer det til 14,4 g/kWh. Tier III kravene svarer til 3,4 g/kWh og er ca. 80 % lavere end TIER I krav, og gælder for nye skibe fra 2016 og kun i udvalgte områder – NECA områder (NO X Emissions Control Area). Danmark arbejder sammen med andre lande på at få udpeget hele SECA (Svovl Emissions Control Area) som NECA område
Illustration_af_NOx-krav_til_skibe
Fakta om MAN Diesel & Turbo
MAN Diesel & Turbo udvikler og leverer store dieselmotorer til brug i skibe og kraftværker. Firmaet beskæftiger 12.500 personer og har afdelinger i mere end 150 lande. Firmaet har hovedkontor i Augsburg i Tyskland. Udviklingsafdeling for 2-takts motorer er placeret i Danmark efter at B&W i 1981 blev en del af MAN-koncernen.
MAN Diesel & Turbo hjemmeside
Fakta om Danisco
Danisco er blandt verdens førende inden for fødevareingredienser, enzymer og biobaserede løsninger til en lang række af industriområder som bagerier, mejerier, vaskemidler og industriel bioteknologi. Danisco beskæftiger 6.800 medarbejdere. Hovedkontoret ligger i Danmark og aktiviteter foregår på mere end 80 forskellige steder fordelt på 40 lande. I maj 2011 opkøbte DuPont Danisco, der dermed blev en del af en global koncern inden for ernæring & sundhed og industriel biovidenskab.
Danisco hjemmeside