NOx-Reduzierungen mit Wassereinspritzung bei MAN ME-LGIM-Motoren

Bekannte Technik weiter verfeinert

Das Mischen von Kraftstoff und Wasser zur Verwendung in Verbrennungsmotoren, mit dem Ziel die Abgasemissionen positiv zu beeinflussen, ist eine bekannte Technik und wurde bereits in der Vergangenheit mit ausreichend guten Ergebnissen bestätigt. Es gibt eine Vielzahl von Gründen, zur Verwendung von Wasserzusatz im Kraftstoff Wasser kann verwendet werden um bestimmte Motorkomponenten zu kühlen, da sie aufgrund ihrer hohen Verdampfungswärme und hohen Wärmekapazität, die Wärme von Metalloberflächen reduziert. Wasser kann auch verwendet werden, um die abgegebene Leistung eines Motors zu erhöhen und in einigen Fällen wurde sie verwendet um die Kraftstoffeffizienz des Motors zu verbessern. Es ist einfach, Wasser mit Methanol zu mischen, diese beiden Substanzen sind in jedem Verhältnis mischbar.

Das Augsburger Unternehmen, MAN Energy Solutions, ist in der Vorbereitung, bestehenden Kunden seines Zweitakt-Dualfuel-Methanolmotors ME-LGIM, eine Methanol-Wasserlösung anzubieten. Die Entwicklungsarbeiten an der Lösung werden derzeit intensiv verfolgt, bestätigt das Unternehmen auf Anfrage. MAN plant, Anfang 2020 an Bord eines mit einem ME-LGIM-Motor ausgestatteten Schiffes entsprechende Versuche unter Praxisbedingungen mit dem ME-LGI Methanol + Wasser (ME-LGIM-W) Motor durchzuführen.

Stickstoffoxide

CO-Werte
Auch die CO-Werte liegen in einem sehr günstigen zulässigen Bereich. © MAN ES

Ziel der Entwicklungsarbeiten sind, neben der Reduzierung der gasförmigen Emissionen CO2, auch die Reduzierung der Feststoffemissionen (landläufig fälschlicherweise als Ruß bezeichnet), in der Fachsprache als „Particulate Matters“ mit dem Kürzel „PM“ bezeichnet, insbesondere die Reduzierung der NOx- (Stickstoffoxide) Emissionen. Stickstoffoxide, NOx, entstehen bei hohen Verbrennungstemperaturen im Motor. Sie werden während des Verbrennungsprozesses nicht gezielt, sondern als unerwünschtes Nebenprodukt erzeugt. Dabei gilt: Je besser die Verbrennung, desto höher die Verbrennungstemperatur und desto stärker die NOx-Bildung. Und diese gilt es zu reduzieren!

Das Unternehmen bestätigt, dass es vermehrte Anfragen von Kunden mit ME-LGIM angetriebenen Schiffen vor der Einführung von NOx-ECA Zonen in der Nord- und Ostsee im Jahr 2021, erhalten hat. Die NOx-Grenzwerte der Stufe III werden auf Schiffe angewendet, die nach dem 1. Januar 2021 auf Kiel gelegt werden.

Kraftstoff-Wasserlösung.

MAN forscht seit Jahren an Wassereinspritz- und Emulsionskraftstoffen als kostengünstigere Alternative zu bestehenden NOx-Minderungstechniken wie SCR und / oder AGR. Die Entwicklung der ME-LGIM-W-Lösung folgt auf der erfolgreichen Reduzierung der NOx-Emissionen eines Zweitakt-Dieselmotors von ME-LGIM entsprechend Tier-III im Jahr 2018, an einem Testmotor in Kopenhagen und Mitsui Motor in Japan.

Stefan Mayer, Leiter der Motorprozessforschung, bei MAN Energy Solutions, sagte:  “Eine der Herausforderungen bei der Verwendung von Kraftstoff-Wasser-Mischungen besteht darin, dass Wasser-Kraftstoff-Gemische eine geringere Zündfähigkeit aufweisen. Weitere Herausforderungen sind ein längerer Zündverzug, die Gefahr des Klopfens und sogar die Möglichkeit einer vollständigen Fehlzündung.” Die ME-LGI-Plattform mit ihrem Pilot-Einspritzkonzept ist in der Lage, Kraftstoffe unterhalb der Grenze der Selbstentzündung zu verarbeiten, wie beispielsweise Methanol mit einer Selbstentzündungstemperatur von 470 Grad Celsius.

NOx-Emissionen als Funktion des zugeführten Wasser in Prozent im Methanol.
NOx-Emissionen als Funktion des zugeführten Wasser in Prozent im Methanol. © MAN ES

Die erfolgreichen Tests wurden mit einem homogenen Methanol-Wasser-Gemisch und anschließend mit emulgiertem Dieselkraftstoff an einem Einzylinder-Testmotor in Kopenhagen sowie an einem Mehrzylinder-Testmotor im Forschungszentrum Tamano von Mitsui durchgeführt. Die Tests haben erfolgreich Wasser und Kraftstoffgemische von bis zu 1,7:1 Wasser zu Methanol bzw. 5:1 für Wasser und Kraftstoff verbrannt. Für die Vierzylinder-Testmotorvariante, NOx-Emissionen unter 3,4g/kWh, wurde der Grenzwert für die Stufe III eingehalten.

Testergebnisse

Der Kraftstoffmehrverbrauch bei der Verwendung von vermischtem Methanol betrug nur 2-6 g/kWh, und das Unternehmen ist der Ansicht, dass der SFOC (spezifischer Kraftstoffverbrauch) mit weiteren Entwicklungsarbeiten weiter verbessert werden könnte. Der Schlüssel zur Lösung bestand darin, dass der LGIM-W-Motor höhere Zylinderdrücke nutzt, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, und dann das Kraftstoffgemisch verwendet, um die Emissionen unter die Tier-III-Schwellenwerte zu senken.

Das optimierte Methanol-Wassergemisch ist eine sehr gute Möglichkeit die NOx-Emissionen zu reduzieren.
Das optimierte Methanol-Wassergemisch ist eine sehr gute Möglichkeit die NOx-Emissionen zu reduzieren. © MAN ES

Der Wasseranteil, der dem Methanol zugesetzt wurde, um den Motor unter die Grenzwerte der Stufe III zu bringen, war erfreulich niedrig: Nur 20-40% Wasser müssen dem Methanol zugesetzt werden, damit das Gemisch, abhängig von der Motorlast, die Stufe III erreicht. Der eher geringe Wasserzusatz ist auf die im Vergleich zu Dieselkraftstoff kältere Methanolflamme zurückzuführen, die die NOx-Emissionen, auch ohne Wasserzusatz um 30% reduziert. Dadurch kann der erforderliche Wassertank kleiner ausgeführt werden. Die Mischung von Methanol und Wasser erfodert keine Zugabe von Tensiden wie beim Diesel-Wasser-Prototypen der zusätzliche Kosten verursachte, wie MAN ES ausführte. Auch die Emissionen von Treibhausgasen, Partikeln und Kohlenmonoxid wurden gesenkt.

Systemmodifikationen

MAN ME-LGI Motor in einem Produktentanker.
Blick auf einen MAN ME-LGI Motor der in einem Produktentanker eingebaut ist. © MAN ES

Die technischen Änderungen, die bei der Einführung des Kraftstoff-Wasser-Gemisches für die Nutzung in LGIM-Motoren erforderlich sind, sind relativ begrenzt. Die bestehenden Zylinderkopf-, Kraftstoffblock- und Kraftstoffversorgungssysteme erfordern keine wesentlichen Änderungen. Nur die Einspritzdüsen werden modifiziert, um die Menge des Kraftstoffgemisches zu erhöhen, ohne den Einspritzzeitraum zu verlängern. Der begrenzte Anstieg der Methanolgemischmengen bedeutet auch, dass die Änderungen am LGIM-Layout relativ begrenzt sind, sowohl in Bezug auf das Verdichtungsvolumen als auch auf die Anpassung des Turboladers.

MAN erwartet, dass der geringere Platzbedarf des LGIM-W-Systems ein zusätzlicher Vorteil gegenüber SCR-Lösungen sein wird, während die Betriebskosten auch gegenüber AGR-Systemen wettbewerbsfähig sein dürften. Die Betriebskosten eines solchen Systems sind sehr wahrscheinlich niedriger als bei einem SCR-System und konkurrenzfähig mit AGR-Systemen für Methanol-Wasser-Gemische, die im Gegensatz zu Diesel-Wasser-Gemischen keine Emulgatoren benötigen.