Gutachten Prof. Dr. Roy Douglas
Vorbemerkung:
Übersetzung aus dem Englischen – Übersetzungsunsicherheiten sind kursiv gedruckt
Verbesserte Wärmeeffizienz durch die Technologie der Enzymbehandlung des Kraftstoffs bei großen Schiffsdieselmotoren
Prof. Dr. Roy Douglas
Queen’s University, Belfast
Malcolm Crawford
Soltron Ltd.
Zusammenfassung
Das Ziel dieser Abhandlung ist es, die tatsächlichen Vorteile einer alternativen organisch mikrobiologischen Behandlung von Kraftstoff in Gestalt einer komplexen Enzym-Rezeptierung (formulation) wissenschaftlich nachzuweisen. Wenn diese Enzyme verflüssigten fossilen Brennstoffen beigemischt werden, ergibt sich eine signifikante Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und eine damit verbundene Verringerung der C02-Emissionen. Wenn die Enzymbehandlung im Verhältnis 1 : 10 000 dosiert wird, wirkt sie sich auf die Effizienz des Kraftstoffs, die Abgastemperatur und die Kohlenmonoxyd (CO)-Emissionen von Schiffsdieselmotoren aus, wie an zwei verschiedenen Beispielen von Schiffen gezeigt wird.
Im ersten Fall wurden der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen über einen Zeitraum von 65 Tagen, 742 Betriebsstunden beobachtet, und zwar auf einer Kanalfähre der Stena Line, die Marinedieselöl verbrennt. Diese Tests zeigten die klassischen „Aufbereitungs-(conditioning)“-Merkmale, bei denen über 21 Tage, 240 Betriebsstunden, keine Veränderung zu erkennen war. Dann wurde über 7 Tage, 80 Stunden eine „Reinigung“ mit verstärkten CO-Emissionen beobachtet, aber ohne Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Schließlich war nach 28 Tagen, 320 Stunden der Nachbereitung des Verfahrens (operation post treatment) eine Verbesserung von 10,8 % beim spezifischen Kraftstoffverbrauch (SFC, specific fuel consumption) zu sehen. Diese Ergebnisse wurden ein Jahr später in ungefähr 4 000 Betriebsstunden aufrechterhalten und bestätigt.
Im zweiten Fall wurden Motorenleistung, Kraftstoffersparnis und Emissionen über einen großen Bereich von Ladungspunkten (load points) auf der Insel-Texel-Fähre der Teso aufgezeichnet. Zwei Motoren wurden beobachtet: Einer mit Biodiesel und einer mit enzymbehandeltem Biodiesel, wobei beide unter den gleichen Ladebedingungen zusammenarbeiteten. Diese Tests zeigten einen deutlichen Unterschied in der Wärmeeffizienz zwischen den beiden Motoren bei einer durchschnittlichen Verbesserung von 7,4 % beim Kraftstoffverbrauch (und beim C02) und einer um 4,7 % geringeren Abgastemperatur bei dem Motor mit enzymbehandeltem Kraftstoff. Ein viermonatiger Beobachtungszeitraum (1 600 h) zeigte im Schnitt 7,9 % weniger Kraftstoffverbrauch bei Betrieb mit enzymbehandeltem Biodiesel. In beiden Fällen wurde die Verbesserung durch weitere Messungen gestützt, die eine verbesserte Wärmeeffizienz anzeigten.
Einleitung
Technologien der Kraftstoffbehandlung oder „chemische Zusatzpakete“ sind die Norm und werden von der petrochemischen Industrie in großem Umfang verwendet, um die Eigenschaften des Kraftstoffs zu verändern, die Leistung zu erhöhen und Kraftstoffe zu stabilisieren. Beispielsweise wurde jahrelang Tetraethylblei dem Benzin beigegeben, um die Oktanzahl zu erhöhen und das Klopfen zu unterdrücken [1]. Heutzutage ist eine breite Palette an Kraftstoff-Zusatzstoffen verfügbar (2), (3).
Die hier vorgestellten Arbeitsreihen mit Echtzeitbeobachtungen untersuchen, wie Mikrobiologie in Gestalt einer komplexen Enzym-Rezeptierung im Kraftstoff die Aufbereitung für eine optimale, nachhaltige Verbrennungseffizienz beeinflusst – bis hin zu SFC-Werten, die unter Herstellerangaben liegen. Während der letzten 15–20 Jahre verbesserte sich die Dieselmotorentechnologie deutlich: von > 250 g/kWh [4] auf < 200 g/kWh [5]. Die zwei Beispiele repräsentieren moderne, aktuelle Dieselmotorentechnik [6].
Fall 1 – Stena Line „Trader“ (Kanalfähre)
Die erste Versuchsreihe wurde auf einer Kanalfähre durchgeführt, die zwischen Hook of Holland und Killingholme (England) verkehrt. Eigner und Betreiber: Stena Line (7), Name: „Trader“ (Abb. 1). Das Schiff ist 212 m lang, 26,7 kt, gebaut bei FMV-Fossen (Norwegen). Hauptantrieb: zwei B&W MAN-Motoren, Gesamtleistung 21,6 MW.
Das Schiff besitzt außerdem zwei Hilfsmotoren, die mit Marinedieselöl (MGO) betrieben werden und die die Elektrizität liefern (Abb. 2). Es handelt sich um Motoren der 3600-Serie (Caterpillar), Achtzylinder-Reihenmotoren, je 2 460 kW bei 1 000 rpm (Abb. 3).
Testergebnisse „Trader“
Über 65 Tage wurden täglich der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch und Stichproben der Abgasemissionen der Caterpillar-Hilfsmotoren aufgezeichnet. Basisphase (14 Tage/160 h) mit unbehandeltem MGO: SFC 213 ± 5 g/kWh (Abb. 6), spezifisches CO 1,07 ± 0,15 g/kWh (Abb. 7).
Ab Tag 14: MGO mit Enzymbehandlung (1 : 10 000). Zunächst keine Veränderung; leichter SFC-Rückgang auf 212 g/kWh (nicht signifikant). Nach ~20 Tagen stabiler Leistung Anstieg des spezifischen CO auf 1,36 g/kWh über 7 Tage (Reinigungsphase). Danach fiel das spezifische CO deutlich auf 0,76 g/kWh; gleichzeitig SFC-Verbesserung auf 190 ± 3 g/kWh (−10,8 %). Bis Testende weitere leichte Verbesserung auf 186 g/kWh (−12,7 % vs. Herstellerwert 200 g/kWh [6]).
Darauf folgt ein stabiler Schlusszeitraum (274 h) mit verbesserter Effizienz und vermindertem Kraftstoffverbrauch. Die Roh-CO-Konzentration stabilisierte sich bei Ø 116 ppm (vs. 123 ppm in der Basisphase).
Fall 2 – Teso Texel-Fähre „Dr. Wagemaker“
Zweite Testreihe auf der Fähre zwischen Den Helder und Texel (Eigner: Teso, 8). Schiff: 130 m, 5,1 kt Verdrängung, 1,8 kt Ladekapazität; vier 8-Zyl. Caterpillar-Motoren der 3600-Serie, je 2 460 kW bei 1 000 rpm (Abb. 4/5).
Die Fähre nutzt ein elektrisches Antriebssystem; jeder Motor treibt einen Generator an, wodurch Leistung präzise in Echtzeit erfasst werden kann. Datenaufzeichnung computergesteuert.
Vergleichsmessungen & Tagesprofil
Langzeit: Zunächst Dieselbetrieb: Zwei Motoren mit normalem Diesel, zwei mit enzymbehandeltem Diesel (1 : 10 000). Über neun Monate (~3 000 h) verbrauchten die unbehandelten Motoren > 10 % mehr Kraftstoff.
Umstieg: Danach Wechsel auf Biodiesel (EN 14214). Stabilisierungsphase (~300 h). Parallelbetrieb: zwei Motoren mit unbehandeltem Biodiesel, zwei mit enzymbehandeltem Biodiesel. Die Strecke bietet Lastbereiche von ~10 % bis 100 % – ideal für SFC-Vergleiche.
Kurvenanpassung der Ergebnisse (Abb. 8) zeigt stets niedrigeren SFC für den Motor mit behandeltem Kraftstoff. Ø-Verbesserung 7,4 %, Standardabweichung 4,3 % (Abb. 9).
Die Effizienzsteigerung wird durch niedrigere Abgastemperaturen bestätigt: Ø −4,7 % (Stdabw. 1,4 %) (Abb. 10/11).
Statistische Betrachtung: Abb. 12 zeigt die Verteilung der SFC- und Abgastemperatur-Verbesserungen; SFC annähernd normalverteilt um Ø 7,4 %.
Abgasergebnisse
Manuelle Emissionsmessungen (Kane 250) über denselben Zeitraum. Spezifisches CO: ~0,5 % g/kWh (Roh-Volumenkonzentration ~60 ppm); spezifisches NOX: ~15 g/kWh (Roh ~1100) – ohne signifikanten Unterschied zwischen den Motoren (Abb. 13/14).
Viermonatige Verbrauchsauswertung
Vier Monate / 1 600 h: Jeder Motor besitzt einen separaten Tank; Verbräuche über Betankungen ermittelt (Tabelle 1, Abb. 15).
Die Motoren Nr. 1 und Nr. 2 (behandelter Biodiesel) weisen deutlich geringere SFC-Werte auf: Nr. 1 ist 6 % besser als Nr. 3 und 10 % besser als Nr. 4; Nr. 2 ist 6,8 % besser als Nr. 3 und 10,7 % besser als Nr. 4. Ø −7,9 % Kraftstoffverbrauch (behandelt vs. unbehandelt).
Schlussfolgerungen
Die Enzymbehandlung von Marinedieselöl und Biodiesel bewirkt bei den untersuchten Schiffen eine signifikante Verbesserung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs und damit der Wärmeeffizienz sowie eine korrespondierende Reduktion der C02-Emissionen.
- Stena Line „Trader“: −10,8 % SFC (über 742 h); nachhaltiger Effekt nach ~4 000 h bestätigt; ~7 % unter Hersteller-SFC (MDO).
- Teso „Dr. Wagemaker“: Ø −7,4 % (Tagesprofil), −7,9 % (4-Monats-Beobachtung) bei enzymbehandeltem Biodiesel; niedrigere Abgastemperaturen (−4,7 %).
Danksagungen
Marius Overbeeke (Direktor, Xmile) · Dick van der Ent (Energiespar-Ingenieur, Stena Line BV) · Willem Weitevrede (Chefingenieur, Stena Line „Trader“) · Cees de Waal (Director, Teso)
Literatur
- Bill Kovarik, „Charles F. Kettering … Tetraethylblei 1921 …“ (Vehicle Engineers, Fuel & Lubricants Conference, 1994). Link
- Roos, Grande, Hollrah, Cunningham, „Reformulating Gasoline … MMT …“, SAE 2002-01-2893 (10/2002).
- Pistillo, Grundle, Kirschner-Jean, „Counteracting harmful EGR effects …“, SAE 2003-01-1915 (05/2003).
- A. Govert, „Charakteristische Elemente … Dieselmotoren“, SAE 941730 (09/1994).
- Kiyoshi Suginuma, „J-Serie Dieselmotoren …“, SAE 2004-01-1314 (03/2004).
- Caterpillar Marine Website: marine.cat.com/propulsion
- Stena Line Website: stenalinefreight.com
- Teso Website: teso.nl
Autoren & Kontakt
Prof. Dr. Roy Douglas
Queen’s University, Belfast
Malcolm Crawford
Soltron Ltd.
Prof. Dr. Roy Douglas ist seit vielen Jahren ein international anerkannter Kraftstoff-Experte.
Auf Anfrage kann auch das Original in englischer Sprache zur Verfügung gestellt werden.
