SmartValves für die Schifffahrt – das schmutzigste Gewerbe der Welt

„Die 15 größten Seeschiffe der Welt stoßen jährlich mehr schädliche Schwefeloxide aus als alle 760 Millionen Autos weltweit!“

So ein Zitat von Dietmar Oeliger, Leiter Verkehrspolitik beim NABU. Ebenfalls an der Emission von Stickoxiden und Feinstaub durch Verbrennungsmotoren ist die Schifffahrt erheblich beteiligt. Auch hier emittieren weltweit Schiffe weit mehr als die Automobileund dies nicht zuletzt deswegen, weil weltweit über den Seeweg das höchste Frachtvolumen bewegt wird (siehe Bild unten). Auch die stark wachsende Anzahl von Kreuzfahrtschiffen trägt zur Verschärfung der Situation bei. In den Hafenstädten sind die Schadstoffemissionen der Schiffe besonders problematisch

Bild: Weltweites Frachtvolumen im Vergleich der Jahre 2010 und 2050 nach Verkehrsträgern (in Billionen Tonnenkilometer; Quelle: Statista)

Es besteht dringender Handlungsbedarf die Schadstoffemissionen von Schiffen zu reduzieren. Technische Lösungen des Problems sind gefragt und sollten insbesondere auch wirtschaftliche Vorteile bringen, um die Umsetzung zu erleichtern, zumal Umweltauflagen in der Schifffahrt wegen jeweiliger nationaler Besonderheiten weltweit nur schleppend greifen. Wichtige Umweltschutzvorgaben für die Schifffahrt: 

 IMO (Internationale Maritime Organization) ist eine Sonderorganisation der Vereinten Nationen, welche für die Sicherheit und die Verhütung der Meeresverschmutzung zuständig ist. Die von IMO erlassenen Regeln über die Abgasemissionen sind allgemein bekannt als die „Tier I … III“ Normen. Diese Normen definieren insbesondere den NOx- und SOxAusstoss bei Dieselmotoren. Die Tier I und Tier II sind global geltende Richtlinien, während Tier III nur in sogenannten „NECAS“, (NOx-Emission Control Areas) benötigt wird. In den „NOx-Emission Control Areas“ gilt eine verschärfte Regel was den NOx-Ausstoß betrifft.

Die United States Environmental Protection Agency (EPA) ist eine unabhängige Behörde der Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika zum Umweltschutz und zum Schutz der menschlichen Gesundheit. EPA Tier 4f gilt für alle Schiffe, die unter amerikanischer Flagge fahren. EPA fordert schärfere Grenzwerte für Schiffe als IMO Tier III in den NECA Zonen (NOx Emission Control Areas). Diese Grenzwerte werden in EPA Regelwerken beschrieben.

Die Schiffbauindustrie muss ihren Teil zum globalen Umweltschutz beitragen. Ziel von Schiffbauern, Ausrüstern und Reedern muss eine „Maritime Energiewende“ sein, welche die Schifffahrt langfristig CO2-neutral und darüber hinaus frei von schädlichen Emissionen macht.

Im Verbrennungsprozess bei Dieselmotoren bilden sich auch Stickoxide, deren Eliminierung sehr aufwendig und kostenintensiv im Abgasstrom erfolgt. Bestehende Technologien, wie z.B. die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden mit Ammoniak (über Harnstofflösung) oder NOx-Speicherkatalysatoren sind problematisch, da kompliziert, teuer oder in der Wirkung begrenzt.

Der Dieselmotor dominiert den Antrieb von Schiffen und ist hier wegen seines hohen thermodynamischen Wirkungsgrads und der damit verbunden Wirtschaftlichkeit und Ressourcenschonung nicht leicht zu ersetzen. Leider emittieren Schiffsdieselmotoren erhebliche Mengen an Schadstoffen wie Schwefeldioxid, Stickstoffoxide und Feinstaub. Der Druck wächst, auch Schiffsdieselmotoren umweltverträglich zu betreiben. Hier besteht Handlungsbedarf. Der Schifffahrt müssen geeignete technische Lösung für den Umweltschutz zur Verfügung gestellt werden.

SmartWaterInjection von KTW reduziert Verbrauch und Schadstoffe

Die generell positive Wirkung der Wassereinspritzung in Bezug auf Schadstoffemissionen und Wirkungsgrad des Dieselmotors wurde nachgewiesen.Wenn Wasser direkt in den Brennraum gespritzt wird, hat dies den Vorteil, dass die Flamme im Brennraum auch erst nach der Zündung der Flamme durch Wasser beeinflussbar wird, es ist insbesondere auch eine geschichtete Wassereinspritzung möglich. 

Erst die voneinander unabhängige Einspritzung von Kraftstoff und Wasser erlaubt eine optimale Beeinflussung der Verbrennung und der Verbrennungstemperatur durch Wasser (R. Plöntzke und H. Zellbeck ( MTZ Motorentechnische Zeitschrift 77 (2016) 4 S.28) und damit die Überwindung der immanenten Prozeßinstabilität. Die Ingenieure von KTW haben diese Technologie bereits vor Jahrzehnten im Rennsport eingesetzt.

Hier liefert die von KTW entwickelte SmartValve-Technologie die zukunftsweisende Lösung. Am Wissenschaftlichen-Technischen Zentrum für Motoren- und Maschinenforschung Roßlau gGmbH (WTZ) wurden mit einem Magnetventil der KTW Technology eine Reihe von Tests durchgeführt. Das WTZ verfügt über entsprechende Technikumseinrichtungen wie einen Motorenprüfstand mit Schiffsdiesel. Das Ventil wurde im Ansaugkanal platziert (siehe nachfolgende Bilder).

Die ersten Tests sind vielversprechend: Wassereinspritz-Ventilsysteme können die Ansaugluft abkühlen und helfen durch eine bessere Verdichtung mehr Luft in die Zylinder der Motoren zu pressen. Für Dieselmotoren kann so der Stickoxid-Ausstoß um 50 bis 60% und der Verbrauch von Kraftstoff um 5 bis 10% reduziert werden. Damit werden Feinstaub- und CO2-Emission signifikant vermindert. Die Investition, bspw. für das Nachrüsten eines Schiffsmotors, beträgt wenige tausend Euro. Ein neuer Schiffsmotor kostet hingegen einige hunderttausend Euro – konzipiert sind sie für eine unbegrenzte Laufzeit. Im Gegensatz zum Automotor lohnt sich bei Meeresgiganten im Fall eines Defekts das Auswechseln von Einzelteilen.

Bild: Ergebnisdiagramme Wassereinspritzung im WTZ Roßlau

Ab einem Wasseranteil von 30% wurde der International Maritime Organisation (IMO) Tier-II-Stickoxidgrenzwert unterschritten. Je nach Zündstrahlmenge sind dabei Stickoxidminderungsraten von bis zu 50% möglich (60%H2O).

Die Kombination der vielen Eigenschaften des KTW Ventils weisen seine Einzigartigkeit aus und ermöglichen eine weitere Reduzierung der Umweltbelastung durch die sonst sehr effizienten Dieselmotoren. Das Ventil ist sehr schnell schaltbar, hoch präzise, extrem verschleißfest und im Prinzip nicht aufwendig in der Fertigung. Es ist für das geplante Verfahren sehr geeignet, weil es durch die elektromagnetische Konstruktion sehr langlebig und zuverlässig ist, es ermöglicht erstmals die benötigte Standzeit und ist direkt schaltend. Die Fertigung des Ventils erfolgt aus nicht rostendem Stahl und das einzige bewegliche Teil im Ventil ist ein Kaliber. Damit treten keine Korrosions- und Schmierungsprobleme auf, die alle bekannten Ventile, wie Nadelventile bzw. Piezoventile frühzeitig versagen lassen. Das Ventil deckt in verschiedenen Ausführungen ein Hubvolumen von 0,5 l pro Zylinder bis 13 l pro Zylinder und dadurch kann erstmals der nötige Durchfluß generiert werden kann, um signifikante Wassermengen in Großdiesel einzuspritzen. Bisher bekannte Ventile erreichen NOx-Reduzierungen um 5% und müssten zudem in größerer Zahl eingesetzt werden.

Erhebliches Umsatz- und Einsparpotenzial

Auch wenn Diesel-Motoren in Deutschland zum Auslaufmodell erklärt wurden, die Industrie muss über die Grenzen hinaus blicken und kann dazu beitragen, dass vorhandene Diesel-Großmotoren umweltfreundlicher genutzt werden können. Hier geht es immerhin um einen jährlichen Verbrauch von 44 Mrd. Litern Diesel p.a. und 3 – 6 Mrd. kg NOx weltweit im Schiffssektor. Und allein die in Deutschland zugelassenen LKW verbrauchen 14 Mrd. Litern Diesel p.a.

Der Weg hin zu alternativen Antriebssystemen ist unvermeidbar. Wenn vorhandene Einsparpotenziale genutzt werden können, sollte diese Chance im Sinne des Klimaschutz ergriffen werden, statt allein auf den langwierigen Umstellungsprozess zu setzen.

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