Es gibt gute Alternativen zu Mineralöl-Kraftstoffen
Batteriebetriebene Autofähren
Die umweltpolitische Diskussion der letzten Jahrzehnte hat bei Anwendungen von Grossmotoren wie Hochseeschiffen und stationären Kraftwerken, die Suche nach alternativen, klimafreundlichen Antrieben und Treibstoffen und beschleunigt. Die Krise im Iran und die Sperrung der Strasse von Hormus verleiht dem Thema weiteren Schub.
Wo ökonomisch sinnvoll und technisch möglich, stehen elektrische Lösungen im Vordergrund.
Bei Fährschiffen, die verhältnismässig kurze Strecken zurücklegen und regelmässig im Hafen anlegen, um neben Fahrzeugen und Fracht auch Elektrizität zu laden, ist ein batteriebasierter Antrieb sinnvoll. Ein Beispiel ist die Fähre China Zorrilla eines australischen Herstellers, die Städte in Argentinien und Uruguay verbindet (https://www.shippax.com/en/news/incat-launched-china-zorrilla-the-worlds-largest-battery-electric-ship.aspx). Weitere Beispiele findet man es in Skandinavien (rechtes Bild).
Für andere Einsatzbereiche, wie landgebundene Energiezentralen für die Energieversorgung auf Inseln und in entlegenen Regionen oder für den Abtrieb von Hochseeschiffen, halten Hersteller und Betreiber an der Nutzung von Verbrennungsmotoren fest. Um diese zukünftig nachhaltiger betreiben zu können, steht hier die Suche nach alternativen Kraftstoffen zu den gebräuchlichen Schweröl- und Dieseltreibstoffen im Vordergrund.
Man unterscheidet zwei Kategorien: Die kohlenstoffärmeren und die kohlenstofffreien Treibstoffe. Die kohlenstofffreien Treibstoffe erlauben, je nach Herkunft des Treibstoffs, den netto-Null Betrieb eines Verbrennungsmotors. Beispiele hierzu sind grüner Wasserstoff oder Ammoniak. Kohlenstoffärmere Treibstoffe wie Erdgas oder Methanol, ermöglichen eine Reduktion des CO₂ Ausstosses, aber keinen netto-Null Betrieb.
Brennstoffzellen für entlegene Regionen
Ein Zwischending zwischen Batterieantrieb und Verbrennungsmotor ist der brennstoffzellenbasierte Antrieb. In diesem Fall wird mit Hilfe eines elektrochemischen Prozesses in der Brennstoffzelle Elektrizität erzeugt. Diese lädt wiederum eine Batterie und treibt einen Elektromotor. Als Treibstoff dient in der Regel Wasserstoff. Brennstoffzellen werden für Fähren, Binnenschiffe, U-Boote und Blockheizkraftwerke genutzt. Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass sie neben Strom auch Heizwärme produzieren. Zur Bereitstellung von kleineren Mengen Elektrizität und dem Bedarf nach Heizwärme, machen Blockheizkraftwerke Sinn. In der Hochseeschifffahrt wird diese Antriebsart, wegen den relativ hohen Kosten und dem Bedarf an hochreinem Wasserstoff, wenig Anwendung finden. Dasselbe gilt, wenn es in erster Linie um grössere Mengen an Elektrizität geht. Insgesamt liegt der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen aber höher als bei einem Verbrennungsmotor mit demselben Treibstoff.
Erdgas statt Schweröl
In den grossen Verbrennungsmotoren der Schifffahrt sind die vorherrschenden Treibstoffe immer noch vorwiegend Schweröl und Diesel. Bei deren Verbrennung entstehen, neben CO2, grosse Mengen an Schwefeldioxid (SO2), Stickoxide (NOx) und Feinstaub. Erdgas ist in diesem Bereich der seit Jahrzehnten am häufigsten verwendete alternative Kraftstoff (linkes Bild: Erdgas Tankerschiff). Moderne Erdgasmotoren erbringen fast die gleiche Leistung wie Dieselmotoren, haben aber einen geringeren CO₂-Ausstoss und verursachen massiv weniger NOx und Partikel Emissionen. Erdgas besteht vorwiegend aus Methan und wird meist in flüssiger Form (LNG) in Tanks gelagert. Obwohl Erdgas betriebene Motoren teurer sind in der Anschaffung, lohnt sich deren Nutzung vor allem im Dauerbetrieb, da Erdgas pro Energieeinheit günstiger ist als Diesel. Eine andere Bilanz hat Schweröl, ein Rückstandsprodukt bei der Raffinierung von Diesel und Benzin. Schweröl ist 30 - 50% billiger als Diesel und somit auch massiv billiger als Erdgas. Entsprechend verwenden die meisten grossen Hochseeschiffe auch heute noch Schweröl (HFO). Die Schwerölverbrennung erzeugt grosse Mengen an Russ, SO2 und anderen Umweltgiften. Um strengere Auflagen in Küstennähe oder in Häfen (IMO 2020) einhalten zu können, sind Abgas-Nachbehandlungssysteme oder sogenannte Dual-Fuel Motoren nötig. Letztere können mit zwei verschiedenen Brennstoffen betrieben werden, zum Beispiel mit Diesel auf offener See und mit Erdgas in Küstennähe oder im Hafen, vergleichbar mit einem Automotor, der Wahlweise mit Diesel oder Benzin betrieben werden kann.
Erdgas-Injektoren und Zündsysteme von DUAP
DUAP hat in den letzten Jahren diverse Systeme und Produkte entwickelt, die den umweltfreundlicheren Betrieb von Grossmotoren ermöglichen. Für erdgasbetriebene Grossmotoren stellt DUAP komplette Gas-Injektoren oder Injektorteile wie Gas-Vorkammern und Zündstrahlsysteme her. Diese Produkte sind technisch komplex, da sehr hohe Anforderungen an die Verbrennungsphysik, Zündstabilität und Präzisionsdosierung des Kraftstoffs gestellt werden. Die Gas-Einspritzkomponenten sind extrem hohen thermischen Dauer-Belastungen ausgesetzt. Dabei ist wichtig, dass die motorspezifische Dimensionierung und Auslegung der Einspritzkomponenten optimal aufeinander abgestimmt sind und die produktionstechnische Ausführung in höchster Präzision erfolgt. Unsere Firma DUAP hat die Fähigkeit, ein funktionierendes System aus einer Hand und mit allen wichtigen Komponenten anzubieten: Entwicklung, Produktion und Service, über die gesamte Lebensdauer des Motors.
Da Erdgas im Zylinder nicht wie Diesel von selbst zündet, und da Erdgas ein relativ schwer entzündliches Gas ist, braucht es im Brennraum eine Zündhilfe. Bei kleineren Motoren ist das eine Zündkerze, in grossen Motoren hat sich eine kleine Menge Diesel oder Biodiesel als Zündhilfe bewährt, als sogenanntes Mikropilot- oder Zündstrahl-System (MPI). Der Mikropilot wird über ein Mikropilot-Einspritzsystem, parallel wie das Erdgas, in den Zylinder eingespritzt. Diesel ist selbstzündend und entzündet sich bei der Komprimierung im Brennraum, simultan mit dem eigentlichen Treibstoff, dem Erdgas. DUAP hat ein eigenes Common Rail (CR) Mikro-Pilot-Einspritzsystem (CR-MPI) für Neubaumotoren und Nachrüstsysteme entwickelt. Bei hohem Druck wird über ein separates Pumpe-, Hochdruckleitungs- und Injektor-System der Diesel-Mikropilot in die Zylinder des Motors einspritzt, parallel mit dem Erdgas. Dank diesem Zündsystem, ist es weltweit unzähligen Hochseeschiffen, dezentralen Kraftwerksmotoren und DualFuel-Anwendungen möglich, Erdgas als Treibstoff zu nutzen und damit täglich bedeutende Mengen an Emissionen einzusparen.
Unser nächster Blogbeitrag wird andere alternative Kraftstoffe wie Methanol, Ammoniak und Wasserstoff beleuchten, letzte zwei erlauben gar den netto-Null Betrieb eines Verbrennungsmotors. Kraftstoffe also, die eine noch deutlich bessere Umweltbilanz haben als Erdgas, das somit eine Übergangslösung darstellt. Die Nutzung von Wasserstoff und Co. in Grossmotoren ist heute noch weitestgehend Zukunftsmusik, denn sie stellt sehr hohe Anforderungen an Technik und Material. Was aber morgen zum Einsatz kommt, wird heute durch die Ingenieure und Techniker der Motorenhersteller rund um den Globus entwickelt. Und wir bei der Firma DUAP freuen uns, dass wir auf diesem Gebiet ebenfalls einen kleinen, aber vielleicht entscheidenden Betrag, leisten dürfen.
Wir hoffen, dass Ihnen der Beitrag über die Verwendung von Erdgas in Grossmotoren gefallen hat und freuen uns über Themenwünsche, Inputs oder Fragen von Ihnen.
