EMISSIEMETING ‘M.S. SKYLGE’
Opleiding: Studiejaar: Studenten:
Begeleidend docent: Datum:
Maritiem Officier 3 S.M.J. Nicolai L. Bergsma M.D. van der Meer R. van der Meer 27-5-2014
Voorwoord Dit onderzoek is gedaan in het kader van het project ‘SAIL’ waarin gekeken wordt of Wind Assisted Propulsion Systems in de toekomst mogelijk zijn. In dit onderzoek is een nulmeting gedaan van de emissies in de uitlaatgassen van het m.s. Skylge, om in een later stadium van het project te kijken of de oplossingen waarin Wind Assisted Propulsion Systems zijn toegepast daadwerkelijk leiden tot een reductie van het brandstofverbruik en de schadelijke uitstoot. Dit onderzoek is mogelijk gemaakt door het Maritiem Instituut ‘Willem Barentsz’, Ameland Shipping B.V. en het Koninklijk Instituut van Ingenieurs.
2
Inhoudsopgave Voorwoord .............................................................................................................................................. 2 Inhoudsopgave ........................................................................................................................................ 3 Samenvatting........................................................................................................................................... 5 1.
Inleiding ........................................................................................................................................... 6 1.1 Achtergrond................................................................................................................................... 6 1.2 Project doelstelling ........................................................................................................................ 6 1.3 Samenstelling van de uitlaatgassen .............................................................................................. 6 1.4 Scheikundige benadering van de uitlaatgassenemissies............................................................. 11 1.5 Huidige & toekomstige emissie-eisen ......................................................................................... 13
2.
Meetplan ....................................................................................................................................... 16 2.1 Schip & Motor ............................................................................................................................. 16 2.2 Brandstof ..................................................................................................................................... 16 2.3 Meetcycli ..................................................................................................................................... 17 2.4 Emissie meting............................................................................................................................. 18 2.5 Correcties .................................................................................................................................... 18 2.6 Concentraties omrekenen ........................................................................................................... 18 2.7 Van input naar output ................................................................................................................. 19 2.8 Herleiding NOₓ naar ISO-condities .............................................................................................. 19 2.9 Uitlaatgassendebiet..................................................................................................................... 20 2.10 Specifiek verbruik lucht & brandstof ......................................................................................... 20
3.
Resultaten...................................................................................................................................... 22 3.1 Brandstofspecificaties ................................................................................................................. 22 3.2 Motor condities tijdens de meting .............................................................................................. 22 3.3 Directe meetresultaten ............................................................................................................... 22 3.4 Gecorrigeerde meetresultaten.................................................................................................... 22 3.5 Motorrendement ........................................................................................................................ 23 3.6 Massa uitlaatgassen .................................................................................................................... 24 3.7 Zwavelemissies ............................................................................................................................ 24 3.7 Schadelijke percentages .............................................................................................................. 24 3.8 Uitlaatgassendebiet..................................................................................................................... 24
4.
Discussie ........................................................................................................................................ 26 3
Literatuurlijst ......................................................................................................................................... 27 Appendix A: Meetproces ....................................................................................................................... 28 Appendix B: Variabele motorgegevens ................................................................................................. 29
4
Samenvatting Het Maritiem Instituut ‘Willem Barentsz’ heeft samen gewerkt met Ameland Shipping B.V. om de emissies in de uitlaatgassen van de hoofdmotor van een multi purpose containerschip te meten. Het onderzoek is gedaan in het kader van het ‘SAIL’ project waarin gekeken wordt of Wind Assisted Propulsion Systems in de toekomst mogelijk zijn. De brandstof waar de hoofdmotor van het betreffende schip gebruik van maakt is Heavy Fuel Oil (HFO). De emissie metingen zijn gedaan in een tijdsbestek van drie dagen tijdens een reis van Rotterdam (Nederland) naar Tornio (Finland) in mei 2014. De doelstellingen van het project zijn: 1. Berekenen van de emissies in de gemeten uitlaatgassen van de hoofdmotor bij verschillende belastingen. 2. Bepalen wat de invloed is van de nieuwe regelgeving wat betreft de emissies van de uitlaatgassen. 3. Bepalen van de verschillende schadelijke emissies en in welke hoeveelheden deze voorkomen in de uitlaatgassen van het gemeten schip volgens de nul metingen. 4. Bepalen of de belasting van de motor van invloed is op de hoeveelheid schadelijke emissies in de uitlaatgassen. De verschillende emissies welke zijn vastgesteld door het meten van de hoofdmotor van het m.s. Skylge zijn weergeven in tabel 1. Tabel 1 Emissiefactoren bij verschillende belastingen van de hoofdmotor. Koppel (%) 100 85 75 46
(g/kWh) 555,18 516,19 594,20 577,38
CO (g/kWh) 0,15 0,16 0,38 0,80
(g/kWh) 311,22 297,06 326,30 327,06
(g/kWh) 7,55 6,92 6,77 4,88
(g/kWh) 7,84 6,92 6,19 4,88
1. Inleiding 1.1 Achtergrond Werkzaamheden in havens over de gehele wereld zorgen voor een enorme input voor de welvaart en economie van de kustgebieden op aarde. Echter, de gevolgen van deze logistieke stijging en dus de stijging van het aantal dieselmotoren heeft, wanneer geen maatregelen worden genomen, een aanzienlijk negatief effect op de totale emissie uitstoot op aarde. Dit onderzoek, dat gedaan wordt in het kader van het ‘SAIL’ project, bekijkt een mogelijkheid voor de vereiste afname van deze emissies. In het ‘SAIL’ project wordt er gekeken naar de mogelijkheid om de emissie uitstoot te laten dalen door een natuurlijke vorm van extra voortstuwing toe te passen, Wind Assisted Propulsion Systems. In dit onderzoek is door middel van het uitvoeren van een nulmeting bekeken wat de samenstelling is van de huidige uitlaatgassen zodat dit de basis kan vormen voor een eventueel vervolg onderzoek wat betreft Wind Assisted Propulsion Systems.
1.2 Project doelstelling De verschillende doelstellingen van ons onderzoek zijn: 1. Berekenen van de emissies in de gemeten uitlaatgassen van de hoofdmotor bij verschillende belastingen. 2. Bepalen wat de invloed is van de nieuwe regelgeving wat betreft de emissies van de uitlaatgassen. 3. Bepalen van de verschillende schadelijke emissies en in welke hoeveelheden deze voorkomen in de uitlaatgassen van het gemeten schip volgens de nul metingen. 4. Bepalen of de belasting van de motor van invloed is op de hoeveelheid schadelijke emissies in de uitlaatgassen.
1.3 Samenstelling van de uitlaatgassen Om te kunnen bepalen welke emissies uit worden gestoten door het m.s. Skylge moeten we eerst een aantal factoren die hiervan afhankelijk zijn bepalen. Zo zijn de emissies afhankelijk van het type brandstof, de luchtovermaat, de setting van de brandstofpompen, de motor temperatuur, het vermogen en het type motor. Volgens K. Kuiken bestaat de samenstelling van de uitlaatgassen van een dieselmotor uit de volgende stoffen: - Stikstof - Zuurstof - Koolstofdioxide - Water - Stikstofoxide - Zwavel oxide - Koolstofmonoxide - Koolwaterstof - Roet
6
Niet al deze stoffen zijn schadelijk voor mens en milieu, sommige zijn zelfs compleet onschadelijk. In dit theoretisch kader hebben wij elk van deze stoffen apart behandeld om in theoretisch opzicht meer kennis te vergaren of deze stoffen schadelijk zijn of niet.
In figuur 1 is een overzicht gegeven van de samenstelling van de uitlaatgassen. Hierin is te zien dat de uitstoot schadelijke stoffen helemaal niet zo groot is en ongeveer 1% bedraagt.
Figuur 1: overzicht uitlaatgassensamenstelling
Stikstof Stikstof in molecuul vorm (N₂) is één van de bestanddelen die voor komt in de uitlaatgassen. De uitlaatgassen bestaan zelfs voor het grootste deel uit stikstof. Het bestandsdeel stikstof komt terecht in de uitlaatgassen doordat de lucht, die nodig is voor de verbranding, niet geheel gebruikt wordt. De stikstof gaat dus de verbrandingskamer in en komt er verwarmd weer uit. De vraag is of dit bestanddeel ook schadelijk is voor mens en milieu. Iedereen is snel geneigd te zeggen van niet omdat de lucht zoals we deze kennen op aarde grotendeels, namelijk voor 78%, uit stikstof bestaat. Dit is echter niet geheel juist, stikstofemissies hebben gevolgen voor zowel de kwaliteit van de lucht, het water en de kwaliteit van de bodem. Gevolgen hiervan kunnen zijn dat het ecosysteem veranderd en dat de menselijke gezondheid achteruit gaat. Deze gevolgen treden op wanneer het stikstof gehalte té hoog wordt in de lucht. Het bestandsdeel stikstof kunnen we echter niet rekenen tot het rijtje schadelijke stoffen omdat deze al voorkwam in de lucht nog voordat de verbranding plaats vond, er worden dus geen extra stikstof bestandsdelen gevormd. Zuurstof Zuurstof (O₂) is het bestanddeel dat na stikstof het grootste massapercentage in de uitlaatgassen heeft. Net als bij stikstof komt het bestandsdeel zuurstof veelvuldig voor in de lucht, de lucht bestaat namelijk voor 21% uit zuurstof. Net als bij stikstof komt het zuurstof in de uitlaatgassen terecht doordat je altijd een zuurstofoverschot hebt, oftewel meer zuurstof dan dat je nodig hebt voor je verbranding in je verbrandingskamer. Deze hoeveelheid zuurstof die dus niet gebruikt wordt tijdens de verbranding en er bij de uitlaatgassen weer verwarmd uitkomt is dus wel een bestandsdeel van de uitlaatgassen maar is niet schadelijk voor mens en milieu. 7
Koolstofdioxide Koolstofdioxide (CO₂) is het op twee na meest voorkomende bestanddeel in de uitlaatgassen. Koolstofdioxide wordt gevormd doordat koolwaterstoffen uit de brandstof zich verbinden met zuurstof uit de lucht in de verbrandingskamer. Er zijn meerdere argumenten naar voren te brengen of koolstofdioxide nou een schadelijke stof is of niet. Teveel koolstofdioxide is niet goed, een teveel aan koolstofdioxide heeft meerdere nadelige gevolgen. Een eerste nadeel is dat koolstofdioxide de pH waarde van water doet dalen. Dit gebeurt doordat het koolstofdioxide reageert met water. Bij deze reactie worden de stoffen omgezet tot carbonzuur. Dit is een zwak zuur met een lagere pH waarde dan dat gemiddeld water heeft, hierdoor treedt er verzuring van de bodem op. Een tweede belangrijk nadeel is het broeikaseffect. Het broeikaseffect treedt op wanneer zonlicht de aarde bereikt en de resulterende infraroodstraling door de aarde wordt geabsorbeerd en vervolgens vast wordt gehouden door broeikassen. Hierdoor verwarmt de aarde. Koolstofdioxide is het belangrijkste broeikasgas en de uitstoot hiervan, en wat dus leidt tot een overmaat aan koolstofdioxide, is goed voor het broeikaseffect en dus niet goed voor mens en milieu. Echter, koolstofdioxide is een zogenaamd natuurlijk verbrandingsproduct en is een zeer belangrijk onderdeel van de koolstofcyclus. In de koolstofcyclus wordt koolstofdioxide opgenomen door planten en door een reactie, de zogenaamde fotosynthese, wordt deze koolstofdioxide omgezet in zuurstof. Deze zuurstof wordt door mensen ingeademt en weer uitgeademt, hier wordt de zuurstof weer omgezet naar koolstofdioxide, de zogenaamde omgekeerde fotosynthese. Koolstofdioxide heeft dus een cruciale rol voor het leven op aarde. Koolstofdioxide is niet schadelijk, het is een natuurlijk verbrandingsproduct en cruciaal voor het leven op aarde. Echter de uitstoot hiervan moet wel beperkt blijven en omtrent de uitstoot van koolstofdioxide zijn ook een aantal regels en wetten verbonden, later hier meer over. Water Water (H₂O) is een bestanddeel dat altijd voorkomt in je uitlaatgassen bij een ideale verbranding. Water ontstaat uit de reactie tussen een bepaalde koolwaterstof, je brandstof. En zuurstof, de lucht die je in je verbrandingskamer toevoegt. In de meest simpele reactie vergelijking ziet dit er als volgt uit:
Water is dus altijd een bestandsdeel van je uitlaatgassen en dit is een volkomen natuurlijk product en daarom niet schadelijk voor mens en milieu. Stikstofoxide Stikstofoxide (NOₓ) is een bestandsdeel in de uitlaatgassen die erg schadelijk is voor mens en milieu. NOₓ is een verzamelnaam voor verschillende stikstofoxiden namelijk stikstofmonoxide (NO), stikstofdioxide (NO₂) en stikstoftrioxide (NO₃). Stikstofoxide ontstaat in het verbrandingsproces van stikstof en zuurstof, welke in de lucht zit die je in je verbrandingskamer brengt. Stikstof is ook, in mindere mate, in je brandstof te vinden, ook dit heeft dus gevolgen voor de vorming van NOₓ. Diesel bevat minder stikstof dan HFO. Over het algemeen geldt: hoe zwaarder de olie, hoe meer stikstof
8
erin te vinden is. Wanneer deze twee stoffen onder hoge temperatuur bij elkaar worden gebracht ontstaat stikstofoxide. In een reactievergelijking ziet dit er als volgt uit.
Stikstofoxide is zeer schadelijk voor mens en milieu, dit komt doordat stikstofoxide erg makkelijk reageert met water. Wanneer de stikstofoxide uit je uitlaatgassen mengt met het water in een regenwolk ontstaat er salpeterzuur. Salpeterzuur is één van de belangrijke oorzaken van zure regen. Zure regen is zeer schadelijk voor zowel mens als natuur omdat een direct gevolg hiervan is dat er verzuring van de bodem optreedt. Verzuring van de bodem heeft als direct gevolg dat de bodem zowel een andere samenstelling krijgt als verarmt. Wanneer de bodem een andere samenstelling van mineralen krijgt is dit schadelijk voor de hiervoor gevoelige flora wat er toe kan leiden dat deze verdwijnt. Verarming van de bodem ontstaat uit zure regen wanneer de zure regen reageert met magnesium, calcium en kalium zouten uit het bodemoppervlak. Hierdoor spoelen bepaalde noodzakelijke voedingsstoffen voor de flora weg waardoor deze verdwijnt. Buiten de nadelen voor de natuur heeft zure regen ook nadelige gevolgen voor de gezondheid en de ademhaling van de mens. Zwaveloxide Zwaveloxide (SOₓ) is een tweede schadelijk bestandsdeel in de uitlaatgassen. De meest voorkomende vorm van zwaveloxide in de uitlaatgassen is zwaveldioxide. Buiten de zwaveldioxide zijn er ook bestandsdelen van zwaveltrioxide in de uitlaatgassen terug te vinden. Het ontstaan van zwaveloxide komt voort uit de volledige verbranding van zwavel met zuurstof. In een reactie vergelijking ziet dit er als volgt uit.
Zwaveloxide is samen met stikstofoxide de hoofdoorzaak van zure regen. Wat de gevolgen en de nadelen van zure regen zijn is terug te lezen in de theoretische benadering over de stikstofoxide. Verder kan een hoog zwaveloxide gehalte in de lucht zorgen voor lokale klachten zoals problemen met de longen, irritatie aan de ogen en het kan zelfs leiden tot het overlijden van mensen. Uit onderzoek is gebleken dat bij een concentratie van 3 ppm iemand al na 30 seconden kan overlijden. Koolstofmonoxide Koolstofmonoxide (CO) bestaat uit één koolstof en uit één zuurstofmolecuul. Koolstofmonoxide ontstaat wanneer er een onvolledige verbranding van een fossiele brandstof plaatsvind. Een onvolledige verbranding houdt in dat er té weinig zuurstof aanwezig is om alle ingespoten brandstof te kunnen laten ontbranden. Dat er koolstofmonoxide in de uitlaatgassen zit wilt niet perse zeggen dat er te weinig lucht is toegelaten in de verbrandingskamer. In iedere dieselmotor wordt er veel meer lucht dan nodig toegelaten, de zogenaamde luchtovermaat. Toch is er koolstofmonoxide te vinden, dit komt doordat er op sommige plaatsen in de verbrandingskamer niet voldoende lucht aanwezig is, dit is vaak het geval tegen de wanden van de verbrandingskamer aan. Een tweede oorzaak van koolstofmonoxide en dus een deels onvolledige verbranding kan zijn dat de brandstof niet goed genoeg wordt gemengd met de beschikbare lucht in de cilinder.
9
Koolstofmonoxide is een schadelijk bestandsdeel in de uitlaatgassen, het is erg slecht voor het milieu. Wanneer koolstofmonoxide in de atmosfeer terecht komt reageert het namelijk met zuurstof. Dit resulteert in een situatie waarbij het koolstof wordt gescheden van het zuurstof. Dit is weergeven in de onderstaande reactievergelijking. Meer informatie over wat het broeikaseffect is, hoe het ontstaat en wat de gevolgen hiervan zijn is te lezen in de theoretische benadering over koolstofdioxide.
Het koolstof zal vervolgens opnieuw reageren, nu met zuurstof. Zie onderstaande reactievergelijking.
Zo wordt uit het koolstofmonoxide koolstofdioxide gevormd wat erg slecht is voor mens en milieu omdat deze stof het broeikaseffect bevorderd. Meer informatie over koolstofdioxide en de gevolgen hiervan is te lezen in de theoretische benadering wat betreft koolstofdioxide. Buiten de vergroting van het broeikaseffect draagt koolstofmonoxide ook bij aan de vorming van ozon. Ozon (O₃) ontstaat wanneer koolstofmonoxide (CO) onder invloed van de zon wordt gescheden en vervolgens reageert met zuurstof (O₂) . Dit is op te maken uit de volgende reactievergelijking.
Ozon is in ruime mate te vinden in de vorm van de ozonlaag, deze beschermt ons van de gevaarlijke ultraviolette straling van de zon. Echter, ozon dat op lagere hoogtes wordt gevormd en dus niet te vinden is in de ozonlaag is schadelijk. Ozon is bij inademing schadelijk voor de gezondheid van de mens. Na de vorming van ozon en de bijdrage aan het broeikaseffect draagt koolstofmonoxide net als stikstofoxide en als zwaveloxide bij aan zure regen, echter wel in mindere mate. Koolwaterstof Koolwaterstof (HC) ontstaat wanneer een koolstof atoom zich bindt aan een waterstof atoom. Dit komt hoofdzakelijk voor bij een onvolledige verbranding. Dus hoe meer koolstofdioxide in de uitlaatgassen hoe minder koolwaterstof. Via een oxidatie proces worden de koolwaterstof moleculen omgezet in koolstofdioxide en in water. In een reactievergelijking ziet dit er als volgt uit.
Dit gebeurt echter niet in alle gevallen, een klein percentage koolwaterstof is terug te vinden in de uitlaatgassen. Koolwaterstoffen zijn slecht voor mens en milieu. Het percentage koolwaterstof is echter zo laag dat het in vergelijking met andere stoffen een kleine boosdoener is voor het milieu. Koolwaterstof is echter zeer kankerverwekkend en dus zeer slecht voor de gezondheid. In de uitlaatgassen vinden we dus drie stoffen terug die direct schadelijk zijn voor mens of milieu. Dit is stikstofoxide, zwaveloxide en koolwaterstof. Een andere stof is koolstofdioxide, dit is een natuurlijk verbrandingsproduct en niet direct schadelijk, echter draagt het wel bij aan de vorming van het broeikaseffect en moet dus tóch worden beschouwd als een schadelijk bestandsdeel in de uitlaatgassen. 10
1.4 Scheikundige benadering van de uitlaatgassenemissies Wij gaan meten aan een 4-slagmotor met een toerental van 600 rpm. Dit betekend dat er per seconde 3600 krukgraden doorlopen worden, we komen hierop door het aantal omwentelingen per seconde (
) te vermenigvuldigen met de duur van één omwenteling (360°).
De theoretische duur van het verbrandingsproces van een 4-slagmotor inclusief expansie duurt ongeveer 140 krukgraden, zie het onderstaande diagram afkomstig uit het boek van Maanen, P. (2000). Scheepsdieselmotoren.
In het proces zijn belangrijke punten aangegeven met een nummer. De betekenis van de punten is als volgt: 1 inlaatklep open 2 inlaatklep dicht 3 uitlaatklep open 4 uitlaatklep dicht 5 begin brandstofinspuiting 6 einde brandstofinspuiting
Figuur 2: indicateurdiagram 4slagproces
De theoretische duur van de verbranding inclusief expansie duurt bij een 4 slagmotor ongeveer 140 krukgraden en begint min of meer bij het BDP (Bovenste Dode Punt) tussen punt 5 en 6. De expansie eindigt in punt 3 wanneer de uitlaatklep open gaat. In deze 140 krukgraden hebben de emissies, met name de stikstofoxiden, de tijd om zich te vormen. Hierbij duurt het totale verbrandingsproces
seconden, dus ongeveer
seconde.
Voordat we kijken naar de stoffen die deelnemen aan een verbrandingsproces moeten we eerst weten wat nou eigenlijk een verbranding precies is. Scholte, Besselink, Kruidhof & Zwanenburg (2011) definiëren een verbrandingsproces als ‘het verbinden van een stof met zuurstof met vuurverschijnselen’. De voldoende zuurstofmaat wordt verkregen door lucht toe te voeren in de cilinder met behulp van de drukvulgroep. De stof die met zuurstof samen een verbranding vormt is de zware olie. Chemische reacties De hoofdbestanddelen van de brandstof zijn koolstof (C), zwavel (S) en waterstof (H). Als deze hoofdbestanddelen reageren met zuurstof ( ) ontstaan de volgende scheikundige reacties. (zwaveldioxide) 11
(koolstofdioxide) (waterdamp) +
Deze resulterende reactievergelijking ontstaat bij volledige verbranding van de brandstof. Indien er niet genoeg zuurstof in de cilinder aanwezig is of kan reageren met de brandstof in verband met plaatsen in je verbrandingskamer met minder zuurstof, kan er een onvolledige verbranding optreden waarbij 2 koolstofmoleculen reageren met 1 zuurstofmolecuul. In plaats van de scheikundige reactie waarbij koolstofdioxide ontstaat zal er koolstofmonoxide ontstaan volgens de reactie: (koolstofmonoxide) De zwaveldioxide die ontstaat bij de reactie van zwavel met zuurstof kan in de cilinder nogmaals reageren met zuurstof, dit zal leiden tot het ontstaan van zwaveltrioxide volgens de volgende reactie: (zwaveltrioxide) Tot nu toe zijn we er alleen van uitgegaan dat de bestanddelen uit de brandstof reageren met zuurstof (O₂). Deze zuurstof wordt echter toegevoerd door middel van lucht en die lucht bestaat naast 21% zuurstof ook uit 78% stikstof (N₂) . De overige 1% wordt gevuld met andere stoffen waaronder argon (Ar), koolstofdioxide (CO₂), Helium (He) en Neon (Ne). Vooral stikstof is van zodanige omvang dat we hier niet omheen kunnen. In eerste instantie doet stikstof niet mee aan de verbranding en verlaat dit gas de cilinder opgewarmd. Dit komt omdat stikstof niet met zuurstof reageert. Als de temperatuur in de cilinder zover stijgt dat de temperatuur van de verbranding boven de 1200°C komt geldt dit niet meer en neemt de stikstof deel aan de reactie. De volgende reacties kunnen dan optreden: (stikstofmonoxide) (stikstofdioxide) Doordat er een luchtovermaat aanwezig is in de cilinder om een zo goed mogelijke verbranding te laten ontstaan zal in de uitlaatgassen ook O₂ en N₂ te vinden zijn die niet deelgenomen hebben aan de verbranding. Tot slot zijn er in de uitlaatgassen onverbrande brandstofdeeltjes te vinden, ondanks de voldoende luchtovermaat. Deze onverbrande brandstofdeeltjes uiten zich in de vorm van roet (CH). Wet behoud van massa Volgens de wet van behoud van massa zal de massa van de stoffen die bij het proces betrokken zijn ongewijzigd blijven. Dit betekent dat de massa van de brandstof en de toegevoerde hoeveelheid lucht hetzelfde is als de massa van de uitlaatgassen. Ook kan gezegd worden dat de massastroom hetzelfde moet zijn zoals in de formule hieronder blijkt.
12
1.5 Huidige & toekomstige emissie-eisen Er wordt tegenwoordig steeds meer rekening gehouden met het milieu en daarom is er voor de scheepvaart belangrijke regelgeving vastgesteld betreffende de emissies van de dieselmotoren. De IMO (International Maritime Organisation) heeft dit vastgelegd in Annex 13 van Marpol 73/78. In 2005 zijn deze nieuwe regels aangenomen door het MEPC (Maritime Environment Protection Committee), vervolgens is het naar drie jaar examinatie geaccepteerd en sinds 1 juli 2010 ook daadwerkelijk van kracht. (IMO) Wij zijn echter alleen geïnteresseerd in de uitstoot van SOx en NOx van de dieselmotoren. Wij zullen daarom niet praten over de rest wat in dit Annex is opgenomen, zoals de emissies van vluchtige organische stoffen en afval verbranding. SOx De eisen voor de zwaveloxides gelden voor elke brandstof die wordt gebruikt aan boord van schepen. Het zwavelgehalte in de brandstoffen wereldwijd mocht voor 1 januari 2012 niet hoger zijn dan 4,5%. Na deze datum werd dit verlaagt naar 3,5% procent wat nu nog steeds de huidige eis is voor het zwavelgehalte in de brandstof. In de toekomst (1 januari 2020) zou dit percentage moeten zakken naar 0,5%. De eisen voor zwavelgehalte zijn weergeven in tabel 2. Tabel 2 Eisen zwavelgehalte Voor 1 januari 2012
4,5%
Na 1 januari 2012
3,5%
Na 1 januari 2020
0,5%
Dan zijn er ook nog speciale gebieden, de zogeheten ECA’s (Emission Control Area’s). In deze gebieden zijn de eisen voor het zwavelgehalte nog strenger. Voor 1 juli 2010 mocht het zwavelgehalte in de brandstoffen maar een percentage hebben van 1,5%, na 1 juli 2010 werd dit verlaagt tot 1,0%. Straks na 1 januari 2015 moeten het zwavelgehalte in de brandstoffen voor de dieselmotoren verlaagd worden tot 0,1%. De eisen voor zwavelgehaltes in ECA’s zijn weergeven in tabel 3. (MARPOL) Tabel 3 Eisen zwavelgehalte in ECA’s Voor 1 juli 2010
1,5%
Na 1 juli 2010
1,0%
Na 1 juli 2015
0,1%
NOₓ De emissie eisen voor de stikstofoxiden geldt alleen voor nieuwbouw schepen die zijn gebouwd op of na 1 januari 2000 of voor schepen die na 1 januari 2000 een motormodificatie zijn ondergaan. Verder moet het minimale afgegeven vermogen groter zijn dan 130 kW. Dit houdt dus in dat het m.s. Skylge onder de emissie eisen wat betreft de NOₓ valt. Het m.s. Skylge voldoet namelijk aan deze eisen met haar bouwjaar van 2009 en een vermogen van 4000 kW. Er zijn drie verschillende categorieën waar
13
een schip in kan vallen afhankelijk van wanneer het schip gebouwd is. De maximale uitstoot voor de stikstofoxides zijn gebaseerd op de toerentallen van de dieselmotor. (MARPOL) Categorie 1: Een schip valt in deze categorie wanneer zij is gebouwd na 1 januari 2000 en nog voor 1 januari 2011. Bij een toerental lager dan 130 rpm wordt de maximale uitstoot 17,0 g/kWh. Zit het toerental van je dieselmotor tussen de 130 en 2000 rpm dan is de maximale uitstoot te berekenen d.m.v. de formule:
Als het toerental hoger is dan 2000 rpm dan is de maximale uitstoot 9,8 g/kWh Categorie 2: Is het schip gebouwd na 1 januari 2011 dan gelden de volgende emissie eisen. Bij een toerental lager dan 130 rpm is de maximale uitstoot 14,4 g/kWh. Bevindt het toerental van je motor zich tussen de 130 en 2000 rpm dan is de maximale uitstoot te bepalen volgens de volgend formule:
Draait de motor met een toerental hoger dan 2000 rpm dan is de maximale uitstoot 7,7 g/kWh. Categorie 3: Deze categorie is voor de toekomst en is voor schepen die straks gebouwd worden op of na 1 januari 2016. Voor een toerental lager dan 130 rpm geldt dan een maximale uitstoot van 3,4 g/kWh. Een toerental tussen de 130 en 2000 rpm is dan te bepalen met de formule:
Bij een toerental hoger dan 2000 rpm zal de maximale uitstoot voor een dieselmotor nog maar 2,00 g/kWh zijn. Alle categorieën zijn schematisch weergeven in tabel 4. Tabel 4 Eisen stikstofoxiden
x<130 rpm 130>x<2000 x>2000
Categorie 1 (na 01-01-2000 en voor 01-01-2011) 17,0 g/kWh
Categorie 2 (na 01-01-2011) 14,4 g/kWh
Categorie 3 (na 01-01-2016) 3,4 g/kWh
9,8 g/kWh
7,7 g/kWh
2,00 g/kWh
Deze emissie eisen voor de stikstofoxiden gelden in elke ECA- en havengebieden. Onder de ECA gebieden vallen de Baltisch zee gebied, Noordzee gebied, Noord Amerikaans zee gebied, Verenigde Staten zee gebied en het Caribisch zee gebied. (IMO) NOₓ eisen die betrekking hebben tot het m.s. Skylge Het schip is gebouwd tussen januari 2000 en januari 2011, dit betekent dat het m.s. Skylge in categorie 1 valt. Het toerental zit tussen de 130 rpm en 2000 rpm. Het schip heeft namelijk een 414
slag motor met een constant toerental van 600 rpm. De maximale NOₓ uitstoot is nu te berekenen met de volgende formule.
Wanneer we n (toerental) invullen in de formule is de maximale NOₓ uitstoot van het m.s. Skylge;
15
2. Meetplan Voor aanvang van de meting is met de kapitein besproken wanneer er tijd en gelegenheid zou zijn voor een betrouwbare meting. Aan boord is met de HWTK overlegd hoe we omstandigheden konden creëren die zo dicht mogelijk bij de normen liggen en hoe we metingen konden verrichten voor een zo betrouwbaar mogelijke meting. De metingen met 100%, 85% en 75% koppel vonden plaats in de Oostzee op ruim water zodat de veiligheid van het schip niet in het geding kon komen door de omliggende scheepvaart. De meting met een vermogen van 46% (stationair) is gedaan in de haven van Tornio.
2.1 Schip & Motor Het m.s. Skylge is een modern multi purpose container schip dat momenteel een lijndienst onderhoud tussen Tornio (Finland), Terneuzen (Nederland) en Rotterdam (Nederland) onder charter bij Wagenborg. Gegevens van het schip zijn te vinden in tabel 5. Tabel 5 Geselecteerde gegevens van het gemeten schip Vessel type: Werf: Bouwjaar: Lengte: Breedte: Zomerdiepgang: Gross Tonnage: Deadweight:
Multi Purpose Container Schip Zhejiang Hongxin Shipbuilding Co. 2009 122,10 meter 16,60 meter 7,20 meter 6120 registerton 7610 ton
De specificaties van de motor in het m.s. Skylge zijn gegeven in tabel 6. Tabel 6 Geselecteerde gegevens van de gemeten motor Fabrikant: Type: Serienummer: Vermogen: Toerental: Diameter: Slag: Verbrandingsvolgorde:
Machine Aus Kiel (MaK) 8 M 32 C 38757 4000 kW 600 rpm 320 mm 480 mm 1-3-5-7-8-6-4-2
Volgens de MaK Project Guide van de M32C voortstuwingsmotoren voldoen alle motoren in deze serie aan de NOₓ emissie eisen gesteld door de IMO, beschreven in de Annex VI van het Marpol 73/78. Bij het meten van deze NOₓ eisen wordt echter Marine Diesel Oil als brandstof gebruikt en is gemeten volgens de ISO 8178 test cycli.
2.2 Brandstof Tijdens het verlaten van het Noordoostzeekanaal bij Kiel op 03-05-2014 is er overgegaan op de brandstof RMG380, gebunkerd op 01-05-2014 in Rotterdam. Bij deze bunkering is een sample genomen die is geanalyseerd door een onafhankelijk laboratorium voor de benodigde brandstofspecificaties. 16
2.3 Meetcycli Emissies zijn afhankelijk van de beproevingsomstandigheden van de motor, bijvoorbeeld belasting, toerental etc. De metingen zijn zoveel mogelijk gedaan volgens de ISO 8178 – E2 modes. De beproevingscyclus E2 geldt voor ‘hoog belaste dieselmotor met een constant toerental voor voortstuwing van schepen’. Onze motor valt onder deze categorie omdat er vrijwel altijd gevaren wordt met een constant toerental om te zorgen dat er gevaren kan worden op een asgenerator. De beproevingscyclus E2 is gegeven in tabel 7. Tabel 7 Motor Beproevingsomstandigheden volgens de ISO 8178 E-2 Cyclus Modusnummer Toerental Koppel
1 Nominaal 100%
2 Nominaal 75%
3 Nominaal 50%
4 Nominaal 25%
Normaal gesproken worden emissies van dieselmotoren gemeten als de motor is opgesteld op een testbank bij de fabrikant en gekoppeld is aan een dynamometer om nauwkeurig de belasting te bepalen en zo goed mogelijk de gestelde standaard beproevingsomstandigheden te bereiken. Dit project is echter niet uitgevoerd op een testbank, maar tijdens een zeereis. Dit resulteert tot een complexe situatie, het is immers praktisch niet haalbaar om tijdens een gemiddelde zeereis de standaard beproevingsomstandigheden te behalen bij een motor die al enige tijd in bedrijf is. We streven er echter naar tijdens dit onderzoek zo dicht mogelijk bij deze situatie te komen. Het liefst zouden we exact volgens de cyclus meten zoals beschreven in de ISO norm, in de praktijk blijkt dit niet haalbaar. Het was niet mogelijk om te meten met een koppel van 25%. De motor levert een koppel van 46% als de motor stationair draait, dus met een spoed van 0%. Om deze reden hebben we de vierde modus vervangen door een modus met een koppel van 46%. Praktisch bleek het ook niet mogelijk om een koppel van 50% vast te houden. Als we dit in de haven zouden willen bereiken zou er ongeveer 25% pitch gegeven moeten worden, hierbij zou er teveel kracht op de trossen komen te staan. Op zee was het met betrekking tot de veiligheid niet mogelijk omdat het schip dan stuurloos raakt, op zee wordt er gevaren met asgenerator dus wordt er bij veel minder pitch al 50% koppel bereikt. We hebben besloten om een extra modus bij de metingen te betrekken, met 85% koppel. We hebben dit koppel genomen omdat het specifiek brandstofverbruik het laagst is bij dit vermogen en het motorrendement het hoogst. De door ons gebruikte beproevingscyclus is gegeven in tabel 8. Tabel 8 Motor Beproevingsomstandigheden zoals gemeten Modusnummer Toerental Koppel
1 Nominaal 100%
2 Nominaal 85%
3 Nominaal 75%
4 Nominaal 46%
17
2.4 Emissie meting Het meetplan is gemaakt om de variabelen O₂, CO, NOₓ en te meten. De variabele CO₂ wordt berekend door de meetapparatuur, de variabele SOₓ wordt naderhand teruggerekend aan de hand van de meetresultaten en brandstofspecificaties. Tijdens de metingen draait de hoofdmotor zo goed mogelijk als haalbaar volgens de eerder gespecificeerde cyclus. De emissiemeting zal gedurende 10 minuten plaatsvinden en mag niet beginnen voordat de motor is gestabiliseerd. De concentratiewaarden van de emissies zullen worden gemeten en vastgelegd gedurende de laatste 3 minuten van elke modus.
2.5 Correcties De meetwaarden moeten herleid worden naar een standaard zuurstofgehalte om te zorgen dat de luchtovermaat geen invloed uitoefent op de resultaten van de meting en verschillende metingen met elkaar vergeleken kunnen worden. Wij corrigeren onze metingen naar een zuurstofpercentage van 15% met de volgende formule.
met daarin
c.f. 21 Os Om
correctiefactor naar een standaard zuurstofconcentratie in droog rookgas zuurstofconcentratie in droge lucht de zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas waarnaar de herleiding moet plaatsvinden, bij ons dus 15% de actuele zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas dat is gemeten
Er is al droog rookgas gemeten, zoals beschreven in appendix A, dus er hoeft niet gecorrigeerd te worden voor een nat/droge meting. Ook hoeft in beginsel de druk en temperatuur niet gecorrigeerd te worden omdat we hebben gemeten met een extractief meetsysteem die ingeregeld wordt bij het opstarten van het systeem.
2.6 Concentraties omrekenen We hebben nu de gecorrigeerde meetwaarden in een percentage of ppm. We willen dit omrekenen naar een waarde in mg/m³. Dit doen we met de volgende formule.
met daarin
Cm M 22,4 Cv
concentratie (mg/m³) bij standaard druk en temperatuur in droog rookgas molecuulmassa (g/mol) van de betreffende component molair volume (l/mol) van een ideaal gas bij 273 K en 101,3 kPa concentratie (ppm)
Vermeld moet worden dat er bij de berekening van de NOₓ concentratie vanuit wordt gegaan dat het aandeel NO in de atmosfeer wordt omgezet in NO₂. Voor omrekening van de stikstofoxidenconcentratie wordt daarom gebruik gemaakt van de molecuulmassa van NO₂, te weten 46 g/mol.
18
Voor scheepsdieselmotoren zijn de NOₓ eisen gegeven in g/kWh. Dit krijgen we door met de volgende formule de relatieve emissie in g/kWh te berekenen.
met daarin
Erel 0,0036 Cm Vst H 21 Om
relatieve emissie (g/kWh) omrekenfactor van g/GJ naar g/kWh concentratie (mg/m³) bij standaard druk en temperatuur in droog rookgas stoichiometrisch droog rookgasvolume (m³/kg), te benaderen met de formule Vst = 0,929 + 0,221*H stookwaarde van de brandstof (MJ/kg) zuurstofconcentratie in droge lucht actuele zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas
2.7 Van input naar output We hebben nu de relatieve emissie berekend in g/kWh van het vermogen wat de motor in gaat. De emissie eisen zijn echter gegeven als relatieve emissie van het daadwerkelijke vermogen. Het volgende verband bestaat tussen de relatieve emissie van de input en de relatieve emissie van de output.
met daarin
Eoutput relatieve emissie van het uitgaande vermogen (g/kWh) Einput relatieve emissie van het ingaande vermogen (g/kWh) ηt totaal motorrendement
Om dit te berekenen moet eerst het motorrendement bij verschillende belastingen bepaald worden. Dit kan met behulp van de volgende formule.
met daarin
ηt H0 be
totaal motorrendement stookwaarde van de brandstof (MJ/kg) specifiek brandstofverbruik (kg/MJ)
De stookwaarde van de brandstof is gegeven in het onderzoeksrapport van de brandstof uit het laboratorium. Het specifiek brandstofverbruik is gegeven in de project guide bij verschillende vermogens.
2.8 Herleiding NOₓ naar ISO-condities De NOₓ emissie van dieselmotoren is afhankelijk van de verbrandingsluchtcondities. De gemeten emissies worden daarom eerst teruggerekend naar ISO condities. De ISO condities hebben een temperatuur van 288 K, een druk van 101,3 kPa en een relatieve vochtigheid van 60%. We gebruiken hier de volgende formule voor. √
(
)
19
met daarin
Enoₓ Erel Pm Tm Xn
emissie stikstofoxiden herleid tot ISO-condities (g/kWh) relatieve emissie stikstofoxiden (g/kWh) gemeten absolute atmosferische druk (kPa) inlaatluchttemperatuur (K) gemeten vochtgehalte van de inlaatlucht (kg/kg)
2.9 Uitlaatgassendebiet Met deze gegevens zijn we nu ook in staat het uitlaatgassendebiet te berekenen. Het debiet wordt berekend op basis van het brandstofverbruik met de volgende formule.
met daarin
Fs Fbr Vst 21 Os
gestandaardiseerd debiet (m³/u) van droog rookgas bij een standaard zuurstofconcentratie van 15% brandstofverbruik (kg/u) stoichiometrisch droog rookgasvolume (m³/kg) zuurstofconcentratie in droge lucht de zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas
Het SO₂ gehalte wordt teruggerekend met behulp van de brandstofgegevens en de onderstaande formule. Dit wordt gedaan omdat een directe SO₂ meting niet betrouwbaar genoeg is.
met daarin
Esoₓ Msoₓ AWs Fbr Gs P
emissie zwaveloxiden (g/kWh) molecuulmassa (g/mol) van SO₂ atoomgewicht (g/mol) van S brandstofverbruik (kg/u) zwavelgehalte (m%) in de brandstof vermogen (kW)
2.10 Specifiek verbruik lucht & brandstof Het SO₂ gehalte weten we nu in de eenheid g/kWh. De regelgeving geeft echter een waarde in een massa als deel van de brandstof, het is echter ook interessant om van de schadelijke stoffen een waarde in een massa als deel van de uitstoot te weten. We kunnen dit percentage berekenen als we de totale uitgestoten massa weten in de eenheid g/kWh. De totale massa uitlaatgassen is te verkrijgen met de volgende formule.
met daarin
Us be ls
specifiek verbruik uitlaatgassen (g/kWh) specifiek brandstofverbruik (g/kWh) specifiek luchtverbruik (g/kWh)
Het specifiek brandstofverbruik is gegeven in de projectguide van de motorfabrikant. Het specifiek luchtverbruik moet berekend worden met de volgende formule.
20
met daarin
ls t Lth be
specifiek luchtverbruik (g/kWh) totale luchtfactor theoretische luchthoeveelheid (kg/kg) specifiek brandstofverbruik (g/kWh)
De totale luchtfactor is berekend door de meetapparatuur tijdens de metingen aan boord. De theoretische luchthoeveelheid is te bepalen met behulp van de reactievergelijking van de verbranding. Voor de volledige verbranding van 1 kg brandstof is namelijk een exacte hoeveelheid zuurstof nodig, hierbij wordt uitgegaan dat de lucht 21 volume% zuurstof en 79 volume% stikstof bevat. Deze laatste component speelt echter geen rol in het verbrandingsproces. De verhoudingen van de basiscomponenten in lucht bij een volledige verbranding kunnen aan de hand van de volgende scheikundige berekening met behulp van molecuulmassa’s bepaald worden.
De theoretische hoeveelheid zuurstof benodigd voor de volledige verbranding van 1 kg brandstof kan dan als volgt bepaald worden. ( met daarin
Omin kg O₂ per kg brandstof (
met daarin
)
)
Lmin kg lucht per kg brandstof 1/21 lucht / zuurstofverhouding 1,314 soortelijk gewicht van zuurstof
De herleidde formule die we gebruiken voor de berekening van de theoretische luchthoeveelheid is als volgt.
21
3. Resultaten 3.1 Brandstofspecificaties De brandstofspecificaties vastgesteld door DNV Petroleum Services voor de gebunkerde brandstof (RMG380) zijn gegeven in tabel 9, ook is in deze tabel de vereisten opgenomen voor de brandstof RMG380. Het sample wat onderzocht is, is verkregen tijdens het bunkeren door het nemen van een drip sample. Tabel 9 Brandstofspecificaties Specificaties Dichtheid C Viscositeit 0C Zwavel As Koolstof Water Vloeipunt Vlampunt Stookwaarde
Eenheid kg/
Gebunkerde brandstof 989,8 182,6 1,04 0,03 10 0,1 24 70 40,83
%m/m %m/m %m/m %v/v °C °C Mg/kg
RMG380 991,0 380,0 3,50 0,15 18 0,5 30 60 -
3.2 Motor condities tijdens de meting Zoals in het meetplan aangegeven is hebben we metingen verricht bij verschillende belastingen van de motor. De metingen zijn verricht bij 100%, 85%, 75% en 46% koppel. De eerste drie metingen zijn achtereenvolgend gedaan op 03-05-2014, de laatste meting met 46% koppel is gedaan op 05-052014 in de haven van Tornio.
3.3 Directe meetresultaten De direct gemeten emissies zijn weergeven in tabel 10. Tabel 10 Direct gemeten emissies Koppel (%) 100 85 75 46
O₂ (%) 12,9 12,6 13,2 12,8
CO (ppm) 47,3 53,9 109,4 238,0
NO (ppm) 1393,2 1323,9 1179,8 881,1
NO₂ (ppm) 48,9 34,7 12,5 9,0
NOₓ (ppm) 1442,1 1358,4 1192,3 890,1
CO₂ (%) 5,9 6,2 5,8 6,0
3.4 Gecorrigeerde meetresultaten De meetresultaten worden gecorrigeerd met de correcties die beschreven zijn in het meetplan, de volgende gecorrigeerde meetwaarden gegeven in tabel 11 is het resultaat. Het O₂ percentage is onveranderd gebleven, deze hoeft immers niet gecorrigeerd te worden naar een ander O₂ percentage, dit is de enige correctie die we toepassen bij deze metingen. Wel moet vermeld worden dat alle andere emissies gecorrigeerd zijn naar een zuurstofpercentage van 15%.
22
Tabel 11 Gecorrigeerde emissies Koppel (%) 100 85 75 46
O₂ (%) 12,9 12,6 13,2 12,8
CO (ppm) 35,1 38,4 83,7 173,2
NO (ppm) 1033,1 942,4 902,9 641,1
NO₂ (ppm) 36,3 24,5 9,6 6,5
NOₓ (ppm) 1069,4 1026,6 912,5 647,7
CO₂ (%) 4,4 4,4 4,4 4,4
Deze emissies in ppm gaan we nu omrekenen naar de eenheid g/kWh, als vermogen wordt nu het uitgaande vermogen genomen, dus met een factor die gelijk is aan het totale motorrendement toegevoegd. De emissies in de eenheid g/kWh zijn gegeven in tabel 12. Voordat we dit kunnen berekenen hebben we het stoichiometrisch droog rookgasvolume nodig. Dit is berekend met behulp van de stookwaarde en bedraagt 9,95 m³/kg. Tabel 12 Gecorrigeerde emissies in g/kWh bij standaard condities Koppel (%) 100 85 75 46
O₂ (g/kWh) 742,17 693,81 780,86 719,53
CO (g/kWh) 0,20 0,21 0,51 1,06
NO (g/kWh) 6,36 5,54 5,83 4,19
NO₂ (g/kWh) 0,34 0,22 0,09 0,07
NOₓ (g/kWh) 10,10 9,25 9,04 6,50
CO₂ (g/kWh) 416,05 397,04 436,04 441,18
De in tabel 12 gegeven emissiewaarden zijn geldig voor een standaardconditie in droog rookgas bij een druk van 101,3 kPa, een temperatuur van 273 K en een standaard zuurstofconcentratie van 15%. De NOₓ eisen zijn echter niet gegeven bij deze standaardconditie maar bij de ISO condities in droog rookgas bij een druk van 101,3 kPa, een temperatuur van 288 K en een relatieve vochtigheid van 60%. Als we de emissies omrekenen naar deze condities komen we op de waarden die genoemd zijn in tabel 13. Tabel 13 Gecorrigeerde emissies in g/kWh bij ISO condities Koppel (%) 100 85 75 46
O₂ (g/kWh) 555,18 516,19 594,20 577,38
CO (g/kWh) 0,15 0,16 0,38 0,80
NO (g/kWh) 4,76 4,14 4,37 3,15
NO₂ (g/kWh) 0,26 0,17 0,07 0,05
NOₓ (g/kWh) 7,55 6,92 6,77 4,88
CO₂ (g/kWh) 311,22 297,06 326,30 327,06
3.5 Motorrendement De totale rendementen van de motor die gebruikt zijn bij de omrekening van input vermogens naar output vermogens zijn gegeven in tabel 14. Tabel 14 Totaal motorrendement bij verschillende koppels Koppel 100% 85% 75% 46%
Totaal rendement 49,5% 49,8% 48,7% 45,8%
23
3.6 Massa uitlaatgassen Om straks de zwaveluitstoot om te rekenen naar een percentage van de totale uitstoot hebben we de totale uitstoot van de uitlaatgassen nodig. De emissie eisen van zwavel zijn immers gegeven in een massapercentage. De totale massa uitlaatgassen bepalen we met behulp van het specifiek brandstofverbruik uit de project guide en het berekende specifiek luchtverbruik volgens de wet van massabehoud gegeven in de onderstaande formule. De gebruikte verbruiken zijn gegeven in tabel 15.
Tabel 15 Massa uitlaatgassen Koppel
100% 85% 75% 46%
Specifiek brandstofverbruik (g/kWh) 178,00 177,00 181,00 190,00
Specifiek luchtverbruik (g/kWh) 575,08 550,05 620,74 599,61
Specifieke uitstoot uitlaatgassen (g/kWh) 753,08 727,05 801,74 789,61
3.7 Zwavelemissies De teruggerekende zwavelemissies zijn weergeven in tabel 16. Tabel 16 Teruggerekende zwavelemissies Koppel 100% 85% 75% 46%
SOₓ (g/kWh) 7,84 6,92 6,19 4,88
3.7 Schadelijke percentages Het is interessant om te weten wat de schadelijke uitstoot is als deel van de totale uitstoot. Deze zijn uitgerekend en gegeven in tabel 17. Tabel 17 Schadelijke percentages Koppel 100% 85% 75% 46%
NOₓ (kg/kg) 1,00% 0,95% 0,84% 0,62%
SOₓ (kg/kg) 1,04% 0,95% 0,77% 0,62%
3.8 Uitlaatgassendebiet Tot slot kan ook nog het debiet uitlaatgassen berekend worden per vermogen. Deze zijn gegeven in tabel 18. Tabel 18 Uitlaatgassendebiet Koppel 100%
Debiet uitlaatgassen (m³/uur) 26030,8
24
85% 75% 46%
19652,2 15170,1 6888,7
In appendix B zijn diverse parameters gegeven die gebruikt zijn bij de bovenstaande berekeningen. De gebruikte formules en eenheden zijn uitgewerkt in het meetplan.
25
4. Discussie Zoals te zien is in de resultaten voldoen de schadelijke emissies van het m.s. Skylge aan de gestelde eisen. Het uitgestoten NOₓ gehalte ligt bij 100% belasting en ISO condities op 10,1 g/kWh en dus binnen de gesteld eis voor dit schip van 2, 2 g/kWh. Het SOₓ gehalte van de uitlaatgassen bedraagt een percentage van 1,04 bij een belasting van 100%. De maximale gestelde eis in de brandstof is 3, % en in de speciale ECA’s gebieden bedraagt dit ,0%. Er zijn geen eisen gesteld aan de uitstoot maar wat opvalt is dat het percentage zwavel in de brandstof min of meer gelijk ligt aan het SOₓ percentage in de uitlaatgassen bij nominaal vermogen. Met afname van de belasting op de motor neemt de NOₓ uitstoot en de SOₓ uitstoot af. Daar tegen neemt wel het koolstofmonoxide gehalte toe als gevolg van de belasting afname van de motor. Dit komt omdat bij een lagere belasting van de motor de verbranding onvollediger wordt. Verder moet opgemerkt worden dat bij de verbranding in de cilinders ook een klein beetje smeerolie verbrand wordt, dit is ook weergeven in figuur 3. In de uitlaatgassen bevinden zich ook water en koolwaterstoffen welke niet gemeten worden omdat de meetapparatuur droog rookgas meet in plaats van nat rookgas dat aangezogen wordt. Dit proces is verder uitgewerkt in appendix A.
Figuur 3: Ingaande en uitgaande bij verbranding
26
Literatuurlijst IMO. Opgehaald van http://www.imo.org/OurWork/Environment/PollutionPrevention/AirPollution/Pages/AirPollution.aspx IMO. Opgehaald van http://www.imo.org/OurWork/Environment/PollutionPrevention/SpecialAreasUnderMARPO L/Pages/Default.aspx Kenniscentrum Infomil, R. Opgehaald van http://www.infomil.nl/onderwerpen/klimaat-lucht/metenrapporteren/meten-luchtemissies/l40-handleiding/2/2-2-monsterneming/2-2-1-situ-versus/ Kuiken, K. (2011). Dieselmotoren II (p.143, 146). Onnen: Target Global Energy Training. Maanen, P. van (2000). Scheepsdieselmotoren. Harfsen: Nautech. MARPOL. Annex 13. Opgehaald van http://www.schonescheepvaart.nl/downloads/regelgeving/doc_1362409220.pdf Scholte, H., Besselink, B., Kruidhof, G. & Zwanenburg, G. (2011). Basisvaardigheden Toegepaste Scheikunde. Groningen: Noordhoff Uitgevers.
27
Appendix A: Meetproces De metingen zijn verricht met behulp van de draagbare meetkoffer ecom-J2KN. Tijdens het meten worden de gemeten waarden direct weergegeven op de draagbare module en kunnen de gegevens worden opgeslagen op een geheugenkaart. De meetkoffer stond tijdens de metingen ingesteld zodat hij elke 3 seconden een meting verrichtte. Het uiteinde van de sensor was tot zover in de uitlaatgassenpijp gestoken zodat hij de uitlaatgassen in het midden van de uitlaatgassenpijp aanzoog. Bij deze meting hebben we te maken met een continue extractieve meting. Hierbij wordt continue een hoeveelheid gas uit de uitlaatgassenleiding gezogen en vervolgens naar de meetkoffer gevoerd, vervolgens wordt continue de samenstelling van de uitlaatgassen gemeten. De uitlaatgassen worden eerst gekoeld in de gaskoeler voordat deze langs de sensoren stromen. Doordat het gas afkoelt treedt er condensatie op, dit zorgt ervoor dat de natte uitlaatgassen worden omgezet naar droge uitlaatgassen. De meetkoffer is in staat om het zwavelgehalte te meten in de uitlaatgassen, alleen wij hadden hiervoor niet de juiste meetslang. Het zwavelgehalte wordt teruggerekend vanaf de brandstofspecificaties, het ISO 8178 raad dit overigens ook aan omdat dit betrouwbaarder is dan het meten van het zwavelgehalte. (Kenniscentrum Infomil)
Figuur 4: Continue extractieve meting met gaskoeler
De meetkoffer is eind 2013 nog uitgebreid getest en gekalibreerd door Imbema Controls BV uit Haarlem. De hiervoor gebruikte testgassen zijn ook voorzien van een certificaat die herleidbaar zijn naar internationale standaarden. Ook tijdens het opstarten van de meetkoffer zal hij eerst gedurende 1 minuut kalibreren voordat hij automatisch overschakelt naar de modus dat er gemeten kan worden. De kalibratiegegevens zijn weergeven in tabel 19. Tabel 19 Kalibratie van 5-12-2013 Parameter O2 CO CO2 NO NO2 NOx
Meetbereik 0 – 25 %V/V 0 – 4000 ppm 0 – 2000 ppm 0 – 200 ppm -
Principe Elektrochemisch Elektrochemisch Berekening Elektrochemisch Elektrochemisch Berekening
Tolerantie 2% 5% 5% 5% -
28
Appendix B: Variabele motorgegevens Vermogen (%)
Toerental (rpm)
Fuel rack (mm)
Buitenlucht druk (kPa)
Spoellucht druk (kPa)
Inlaatlucht temperatuur (K)
Relatieve Luchtvochtigheid spoellucht (%) 37
itlaatgassen te erat r na de t rb harger ( C) 395
Brandstofverbruik (m3/s)
327
Absolute luchtvochtigheid spoellucht (kg/kg) 0,00152
100
600
41
102.35
250
85
600
34
102.35
170
327
0,00153
44
429
1,5833*10^-4
75
600
30
102.35
90
327
0,00154
40
471
1,2222*10^-4
46
600
17
102.11
10
322
0,00048
14
403
5,55*10^-5
2,0972*10^-4
