Special
Inleiding
Aardgas als brandstof voor dieselmotoren.
Aardgas is de ideale fossiele brandstof om de uitstoot van schadelijke emissies van uitlaatgassen sterk te beperken en ook om de onderhouds - en reparatiekosten aanzienlijk te doen verminderen.
Onder druk van de milieueisen die tegenwoordig gesteld worden aan de uitstoot van schadelijke stoffen in uitlaatgassen van dieselmotoren is men op zoek naar brandstoffen die het gehalte aan schadelijke emissies sterk reduceren.
Gebruik van meerdere brandstoffen in combinatie
Dual-Fuel (DF)
Bij dit dieselproces wordt een zeer klein percentage, tussen de 1 en 5%, vloeibare zware brandstof of dieselolie ingespoten.
Bij de inlaatslag wordt vlak vóór de inlaatkleppen gas toegelaten. De vloeibare ingespoten brandstof doet het gas/luchtmengsel ontsteken.
Het grote voordeel is dat de uitlaatgassen veel schoner zijn dan bij het gebruik van zware olie of dieselolie. Er wordt veel minder CO2 geproduceerd, omdat een gasvormige brandstof minder koolstof bevat dan een vloeibare brandstof en ook de uitstoot van roetdeeltjes en zwavel is aanzienlijk minder. Uiteraard neemt hierdoor ook de vervuiling van de motor sterk af, en dus het onderhoud.
Het principe van dual-fuel.
De motor kan automatisch van zware olie op gas overgaan beneden 80% belasting. Dit duurt ongeveer één minuut. Bij de onderbreking in de gastoevoer gaat de motor automatisch over op zware olie.
Het brandstofsysteem voor het brandstofgas.
Het gele gedeelte, de ‘gas valve unit' is de ‘gasstraat' die ervoor zorgt dat er onder alle omstandigheden op een veilige manier gas wordt toegelaten tot de motor.
Een handafsluiter, een filter, een drukregelaar en twee magneetkleppen zijn standaard onderdelen. Bij storingen aan de motor en het activeren van de noodstop worden de beide magneetkleppen zeer snel gesloten en stopt de motor.
Het ‘Engine Control System' stuurt de magneetkleppen aan die het gas in de beide luchtkanalen voor de beide inlaatkleppen spuiten.
Het vloeibare zware-oliesysteem van deze dual-fuel dieselmotor.
De brandstof voor de verstuivers wordt normaal als 1% zware olie en 99% gas aangevoerd door een aparte ‘Pilot' hogedruk pompeenheid die via een common, rail systeem de verstuivers van voldoende brandstof voorziet. Bij de overgang naar 100% zware-oliegebruik, zorgen de grote hogedruk brandstofpompen voor voldoende brandstof.
De verstuivers hebben dan ook twee verstuivertips: de pilot- en hoofdverstuiver.
Het verschil tussen het voortstuwingsrendement van de conventionele stoominstallatie ten opzichte van de dual-fuel dieselmotor.
Horizontaal: asvermogen in MW.
Verticaal: totaal voortstuwingsrendement in procenten.
Rood: stoomturbinevoortstuwing.
Blauw: dual-fuel voortstuwing.
In dit geval zijn voor deze tanker dual-fuel dieselmotoren gekozen die elektrische generatoren aandrijven. Bij verminderde vaarsnelheid worden meerdere sets afgeschakeld. Hierdoor blijft ook bij deellast het voortstuwingsrendement hoog. Het rendement van een voortstuwingsinstallatie met een stoomturbine is bij vollast ook aanzienlijk lager dan bij dual-fuelmotoren. Bij deellast daalt het rendement snel.
Een voorbeeld van een dual-fuel voortstuwingsinstallatie met elektromotoren.
De vier DF-dieselmotoren wekken elektriciteit op met generatoren en brengen deze op de elektrische hoofdrail. Van hieruit worden de elektromotoren gevoed via een transformator en wordt het toerental geregeld met een frequentieregeling.
De elektromotoren zijn geschikt voor twee draairichtingen. Hierdoor is een vaste schroef voldoende.
Eenzelfde type voortstuwing voor een ontwerp van Wärtsilä voor een zeer snelle roll-on roll-off ferry.
Let op de tweede schroefaandrijving. Deze POD kan in iedere richting worden gestuurd voor maximale manoeuvreerbaarheid.
Dual-fuel motoren voor lagere emissies en minder onderhoud.
Het aantal bestelde dieselmotoren met als hoofdbrandstof aardgas en als ontstekingsbron een klein percentage vloeibare brandstof neemt de laatste jaren sterk toe.
Vooral Wärtsilä en MAN nemen hierbij de leiding in de ontwikkeling van ‘dual-fuel' motoren, zowel voor de middelsnellopende vierslagtrunkzuigermotoren als voor de langzaamlopende tweeslagkruishoofdmotoren.
Bij de voortstuwingsmotoren zijn het vooral de gastankers die geschikt zijn voor ‘dual-fuel' motoren; immers het vloeibare ladinggas kan hiervoor goed worden gebruikt waardoor de lading ook op de vereiste lage temperatuur van minstens -160 °C blijft.
Bij motoren voor dieselcentrales dient het gas door leidingen te kunnen worden aangevoerd. Aangezien het gasleidingnet wereldwijd nog zeer sterk groeit, zijn er voor de ‘dual-fuel' motoren steeds meer mogelijkheden.
Lagere emissies van vooral CO2, roet en fijnstof zijn doorslaggevend. Ook de verminderde opslag van vloeibare brandstoffen met kans op vervuiling van bodem en water, speelt een rol.
In de praktijk blijkt het onderhoud van de dieselmotoren sterk af te nemen: de standtijden van de meeste onderdelen gaan bij ‘dual-fuel' motoren met een factor 2-3 omhoog vergeleken met motoren met als brandstof zware olie.
Een zescilinder tweeslag langzaamlopende kruishoofdmotor van MAN Diesel voor de voortstuwing van een gastanker. Op dit soort motoren kan men een gastoevoersysteem op de cilinderkop plaatsen voor een dual fuel uitvoering. Het gas wordt via een aparte toevoer in de brandstofverstuiver met een zeer hoge druk in de cilinder gespoten.
De dual-fuel eenheid aan de zijkant van de cilinderkop van een langzaamlopende tweeslagkruishoofdmotor van MAN Diesel.
Een twaalfcilinder vierslag middelsnellopende V-motor 42/30 MAN Diesel volgens het dual-fuel principe. De extra leidingen links en rechts (2) boven de luchtinlaatmanifold voeren het gas naar een magneetklep (2) die het gas op het juiste tijdstip net voor de inlaatkleppen toelaat.
Het principe van een dual-fuel (twee brandstoffen) motor. Het dieselproces blijft hier behouden.
Links: aanzuigslag.
Door de neergaande zuiger stroomt een mengsel van lucht en gas in de cilinder. Het gas wordt in het inlaatkanaal ingespoten via een magneetklep.
Midden: compressieslag.
Door de opgaande zuiger wordt het mengsel gecomprimeerd. Het mengsel is arm, dat wil zeggen, de luchtovermaat is groot (ongeveer 2). Hierdoor ontsteekt het mengsel niet spontaan.
Rechts: arbeidslag.
Vlak voor de topstand van de zuiger wordt met hoge druk brandstof ingespoten. Deze ontsteekt direct waarna ook het gas/luchtmengsel ontsteekt. Daarna volgt een normaal arbeidsproces.
Het principe van het dual-fuel systeem.
De ene brandstof, gas, wordt vlak voor de inlaatkleppen toegelaten tijdens de aanzuigslag van de motor. Gas en lucht worden intensief gemengd. De luchtfactor,lambda, is tussen 1,5 en 2,0. Dit noemt men een ‘arm' mengsel. Er is hier 50 tot 100% meer lucht aanwezig dat dan nodig is om alle brandstof chemisch volledig te verbranden. Op het einde van de compressieslag wordt een zeer kleine hoeveelheid brandstof ingespoten die onmiddellijk ontsteekt en zeer snel het gas/luchtmengsel ook ontsteekt. De ‘Pilot'-verstuiver vervangt hier de traditionele bougie. Het proces is volgens het dieselprincipe dat een hoger rendement heeft dan het Otto-principe.
Gebruik voor LNG-tankers
Ook een aantal LNG-tankers zijn nu uitgerust met een voortstuwingsmotor die hoofdzakelijk draait op het gas uit de lading. Om de lading, het vloeibare gas, op een voldoende lage temperatuur te houden, wordt een zeer klein deel van de lading verdampt. Voor dit verdampen is warmte nodig, die wordt onttrokken aan de lading. Op deze wijze wordt het vloeibare gas op de gewenste lage temperatuur van zo'n 163 °C onder nul gehouden en komt gasvormige brandstof ter beschikking van de voortstuwing. Voorheen werd dit ladinggas ook al gebruikt als brandstof voor de stoomketel van de stoomturbine-voortstuwingsinstallatie. Het rendement van een dergelijke voortstuwingsinstallatie is echter beduidend lager dan die van de dual-fuel- motor.
Afhankelijk van het afgelegde traject gebruikt de voortstuwing maximaal ongeveer 10% van het ladinggas. Bij een ongeladen tanker kan de hoofdmotor via de hoofdverstuiver normaal op 100% zware brandstof draaien. De aparte ‘pilot' verstuiver(tip) wordt dan uitgeschakeld.
Liquified Natural Gas (LNG) tankers werden tot ongeveer 2004 voortgestuwd met een stoominstallatie bestaande uit een hogedruk waterpijpketel, een stoomturbine en een condensorbedrijf.
De benodigde brandstof wordt gehaald uit de ladingtanks waarin het vloeibare gas op een temperatuur van 163 °C onder nul wordt gehouden. Door het vloeibare brandstofgas te verdampen, onttrekt de verdampende vloeistof warmte aan de lading, die daardoor goed op een constante lage temperatuur wordt gehouden. Per reis wordt, afhankelijk van de duur, tussen de 2 en 10% van de lading gebruikt.
Bij storingen kan de stoomketel worden gestookt met zware olie. Tegenwoordig is de dual-fuelmotor sterk in opkomst; de in 2006 en daarna bestelde LNG-tankers worden allemaal voorzien van deze motoren.
Gas-diesel (GD)
Dit lijkt sterk op het vorige principe: de toevoer van zeer weinig vloeibare brandstof, vaak minder dan 1% van het vollast brandstofverbruik en zeer veel gasvormige brandstof.
Er wordt nu tijdens de zuigslag alleen lucht aangezogen en gecomprimeerd en vlak voor top wordt eerst een beetje vloeibare brandstof ingespoten direct gevolgd door het inspuiten van de gasvormige brandstof.
Indien er geen gasvormige brandstof aanwezig is, kan ook met deze motor volledig op vloeibare brandstof worden overgegaan. Een nadeel van dit gas/diesel-systeem ten opzichte van het dual-fuel systeem is, dat het gas tot een zeer hoge druk van ongeveer 350 bar moet worden gecomprimeerd om het te kunnen inspuiten op het einde van de compressieslag. Hiervoor is zeer veel gascompressorvermogen benodigd.
Het principe van de gas-diesel (GD)-motor.
blauw: zware-olie brandstof
groen: gasvormige brandstof
Het werkingsprincipe van de gas-diesel (GD)-motor.
wit: aangezogen lucht
blauw: lucht die wordt gecomprimeerd
rood: zware-olie brandstof
groen: gasvormige brandstof
Een doorsnede van een Wärtsilä 32 GD-motor.
In principe is de bouwwijze gelijk aan die van de dieselmotor. Alleen het brandstofsysteem is verschillend. Let op de horizontaal aangebrachte pilot-brandstofpomp op de zijkant van de nokkenas. Linksboven is de (rode) toevoer van het gas. De normale zware-olie brandstofpomp recht boven de nokkenas laat brandstof circuleren zonder dat de hoofdverstuiver wordt geactiveerd.
De LNG tanker Ras Laffan, een nieuwe generatie gastankers met een capaciteit van 260.000 kubieke meter. Eigenaar Qatar Gas Transport Company.
Een doorsnede van een middelsnellopende vierslag MAN Diesel motor in V vorm, type V 51/60 DF. Linksboven de hier geel gekleurde toevoergasleiding boven op het luchtinlaatmanifold.
