Aanbod maritieme LNG-motoren groeit

Het aantal motorenbouwers dat geheel of gedeeltelijk op aardgas lopende scheepsmotoren levert neemt gestaag toe. Wärtsilä heeft al enkele jaren dual-fuelmotoren, evenals MAN Diesel, die deze zomer een nieuw variant op de markt bracht, de ‘multi fuel’ motor. Sandfirden in Den Oever bouwt op basis van Scania-blokken pure aardgasmotoren voor de maritieme sector en Pon Power werkt aan de uitlevering van de eerste dual-fuel motoren voor de binnenvaart.

De eerste 51/60DF multi fuel-motor van MAN Diesel afgelopen zomer op de testsite in Augsburg. (Foto MAN Diesel)

1/2

Gerelateerd nieuws

Greenstream Tanker superschoon

Binnenvaart moet technisch vernieuwen

14.000 teu containerschip op LNG

Argonon mag op LNG de Rijn op

Meer over

Techniek

Door Hans Heynen

Het systeem van Pon Power kan ook op bestaande dieselmotoren worden geplaatst. Die kunnen dan voor zestig tot zeventig procent op aardgas draaien. ‘We meten nu de emissies van de dual-fuelmotoren die voor het pilotproject op de binnenvaarttanker Argonon van Deen Shipping komen te staan’, zei Martijn Keppel van Pon Power op de beurs Europort 2009. ‘We meten de emissies met verschillende belastingen en mengverhoudingen, zoals 305 diesel en 705 aardgas en 40% diesel en 60% aardgas.’

• Wachten op regelgeving binnenvaart en distributienetwerk

• Meningen verdeeld over NOx-uitstoot

Als het pilotproject succesvol verloopt, kan dat leiden tot breder gebruik van aardgas in de binnenvaart. De uitstoot van NOx zou dan zo’n 50% kunnen dalen, de roetuitstoot 80% en de CO2-uitstoot 15%. Of die percentages in de praktijk kloppen wordt nu dus getest bij Pon Power.

Kritisch verhaal
Over de NOx-uitstoot van kleinere dual-fuelmotoren lijken de meningen verdeeld. ‘Zolang je diesel gebruikt heb je hoge drukken nodig voor de ontbranding en dan blijf je stikstofoxide (NOx) produceren. De temperaturen kunnen tijdens de verbranding van LNG zelfs hoger liggen en meer dan zeventig procent van de lucht bestaat uit stikstof. De NOx-uitstoot blijft dus een kritisch verhaal’, zegt verkoopdirecteur Jean Pierre Props van motorenbouwer ABC. De Gentse motorenbouwer levert al dual-fuelmotoren voor elektriciteitscentrales en kan deze in principe ook leveren aan de binnen- en kustvaart. Props wijst er wel op dat varen op aardgas in de binnenvaart nog niet is toegestaan. In de zeevaart en offshore is dat wel het geval en het lijkt een kwestie van tijd voor er ook regelgeving voor de binnenvaart komt, zeker wanneer de test met het mts Argonon succesvol verloopt.

De mediumspeed-motoren van ABC kunnen voor ruim negentig procent op aardgas draaien. ‘Zeven procent diesel is voldoende’, zegt Props. ‘Een verdere verlaging van het percentage is lastig. De dieselinspuiting is ook essentieel om de motor snel genoeg te laten accelereren als plotseling vol vermogen nodig is, bijvoorbeeld voor een noodstop.’

Dan moet snel extra dieselolie kunnen worden ingespoten, omdat het toerental op aardgas alleen niet snel genoeg stijgt. Wanneer de motor op het hoge toerental is, kan de dieselinspuiting weer omlaag, want het aardgas kan de motor wel goed op toeren houden. Door het hogere toerental stroomt er vanzelf meer aardgas mee met de inlaatlucht.

Arm gasmengsel
MAN Diesel en Wärtsilä lossen het NOx-probleem in hun grote mediumspeed-motoren op door zeer arme gasmengsels te gebruiken. Dan is het wel nodig het gas met een grote overmaat aan lucht de cilinders in te blazen. ‘De grote hoeveelheid lucht zorgt voor de nodige koeling, waardoor de verbranding minder heet verloopt’, zegt Kees Kuiken, auteur van ‘Dieselmotoren’, een standaardwerk over scheeps- en industriemotoren. ‘Bovendien is het verdampte LNG dat als aardgas de cilinders instroomt ook nog koud, zodat er een koeler mengsel de cilinders in stroomt.’ Zo’n arm mengsel kan worden ontstoken dankzij de pilotinjectie van dieselolie of stookolie. ‘Dat zorgt in feite voor een gigantische bougievonk.’

Bij de grote dual-fuelmotoren ligt het percentage gasolie of stookolie dat nodig is met één tot twee procent weer lager dan bij ABC-motoren.

MAN Diesel haalt er NOx-waarden van 1,5 gram per kilowattuur mee in de recent op de markt gekomen A 51/60DF multi-fuelmotor. Die voldoet daarmee ruimschoots aan de IMO Tier-3 emissienorm.

De multi-fuelmotor is ontwikkeld voor de zeevaart en met name voor LNG-tankers. Hij levert 1000 kW per cilinder en kan op een mix van LNG en gasolie of een mix van LNG en zware olie draaien. Mocht er op een gastanker onvoldoende LNG beschikbaar zijn dan kan naar believen meer vloeibare brandstof worden ingespoten of volledig worden overgeschakeld op vloeibare brandstof. Voor het dual-fuel elektrisch voortstuwen van een grote LNG-carrier (150.000 tot 215.000 ton) zijn vier tot vijf motoren nodig. Voordeel van meer voortstuwingsmotoren is volgens MAN Diesel dat tijdens de vaart makkelijk een motor voor onderhoud kan worden stilgezet. De nieuwe multi-fuelmotor kan ook zeer laag belast (15%) nog op gas draaien, bijvoorbeeld tijdens laden of lossen aan een terminal.

Verstopte katalysator
Concurrent Wärtsilä heeft inmiddels rond vier miljoen kilowatt aan dual-fuelvermogen geïnstalleerd. Het betreft vooral de in 2005 geïntroduceerde 50DF. Volgens verkoopdirecteur Alexander Eykerman zijn de motoren in dual-fuel-elelektrische voortstuwingen (DF-E) een stuk zuiniger dan verwacht. ‘Daarnaast biedt de flexibiliteit van het DF-E-systeem grote voordelen. Slow steaming (langzaam varen - red.) heeft bijvoorbeeld geen effect op de efficiëntie van de motoren.’

Naast een dual-fuel-elelektrische heeft Wärtsilä een dual-fuel-directe voortstuwing voor deze motoren ontwikkeld. Volgens Wärtsilä stoten de motoren 85 procent minder NOx uit dan nu is toegestaan in de zeevaart en ligt de uitstoot van fijnstof negentig procent lager. ‘De CO2-uitstoot ligt 25 tot 30% lager dan met gasolie’, zegt Eykerman. Daar komt dan nog wel een soort bijtelling bij voor de uitstoot van onverbrand aardgas (CH4), die neemt bij lagere belastingen toe. Toch ligt ook de gezamenlijke uitstoot van broeikasgas tien tot twintig procent lager bij deze motoren. ‘Daar komt bij dat aardgas geen zwavel bevat. Dual-fuelmotoren zijn als enigen in staat om zonder modificaties aan de IMO Tier-3 emissie eisen te voldoen. Zware olie-motoren hebben straks SCR-katalysatoren nodig om de NOx-normen te halen en met een SCR-katalysator kun je de motor niet laag belast laten draaien. Bij te lage uitlaatgastemperaturen kunnen ureum en zwavelzuur worden omgezet in ammonia bisulfaat (ABS), een kleverige substantie die de katalysator verstopt.’

LNG-terminals
De ontwikkeling van LNG-motoren in de scheepvaart wordt geremd door het ontbreken van een goede regelgeving voor de binnenvaart en een tekort aan LNG-terminals waar schepen kunnen bunkeren. De komende jaren stijgt het aantal terminals echter snel en verdubbelt het aantal LNG-tankers van 200 naar 400’, aldus Kuiken. Dat betekent dat de infrastructuur voor LNG verbetert. Dat, en de schone verbranding, maken LNG steeds interessanter.

Pure aardgasmotor wel zo eenvoudig

Sandfirden Technics in Den Oever toonde op de beurs in Rotterdam een volledig op LNG (vloeibaar aardgas) draaiende aangepaste zescilinder Scania voor de maritieme sector. Het gasmengsel in de cilinders wordt ontstoken met behulp van gasbougies die de plek innemen van de verstuivers.

‘De motor heeft een lagere compressie gekregen, wat voor een lage NOx-uitstoot zorgt. De verbrandingstemperatuur is nagenoeg gelijk aan die van een dieselmotor’, zegt gasmotorenspecialist Roland Louwsma van Sandfirden. Voordeel van een pure gasmotor boven een dual-fuelmotor is volgens Louwsma dat je maar één soort brandstof nodig hebt. ‘Dat is wel zo eenvoudig.’

Het opslaan van het voor deze motor benodigde aardgas in gekoelde vloeibare vorm is volgens Louwsma geen probleem. ‘Als de motor draait, komt bij het verdampen van het vloeibare gas genoeg kou vrij om de rest van het LNG in de tank op de benodigde lage temperatuur te houden. Een geïsoleerde LNG-tank kan bovendien best een paar dagen zonder afname van gas. ‘Alleen de druk loopt dan wat op.’

De door Sandfirden met Scania ontwikkelde aardgasmotoren draaien sinds 2004. Het zijn arme-mengselmotoren. De mengverhouding tussen aardgas en lucht is zodanig dat er een groot overschot aan lucht is. Dat zorgt ook voor een koelere verbranding met weinig NOx-vorming. Voor de turbo zit een elektronisch gestuurde gasmixer. Daar vindt de vermenging van aardgas en lucht plaats. Dat mengsel stroomt dan via turbo en inlaatspruitstuk de cilinders in.

De elektronische aansturing zorgt voor een stabiele lucht/brandstof-verhouding door de hoeveelheid toegevoerd gas snel aan de vermogensvraag aan te passen. De elektronisch geregelde gasmixer kan de venturi-openingen variëren, waardoor een ‘closed-loop'-regeling voor de brandstof/luchtverhouding mogelijk is.

De gasmotoren zijn geoptimaliseerd voor stationaire toepassingen. ‘De acceleratie verloopt bij aardgasmotoren wat langzamer dan bij dieselmotoren. Ze zijn geschikter voor stationair gebruik. De motor draait dan altijd op zijn optimale werkpunt. De generatoren van een elektrisch aangedreven schip kunnen bijvoorbeeld door aardgasmotoren worden aangedreven. Met een gas-elektrische aandrijving is het bovendien mogelijk een motor uit te schakelen als de vermogensvraag klein is. Dit resulteert weer in een lager brandstofgebruik. De motoren kunnen ook op biogas draaien, in dat geval daalt de CO2-uitstoot nog verder.’ (HH)