Onderzoeksrapport
Erik Jensma
Onderzoek naar de emissies aan boord van de ‘Holland’
Naam: Erik Jensma Klas: M4DP Begeleider: R. van der Meer School: Maritiem Instituut Willem Barentsz 29 December 2014 Versie: 2.3
Voorwoord
Dit onderzoeksrapport is geschreven als onderdeel van de module ‘Project Management and Thesis’. De thesis bestaat uit een praktijkgericht onderzoek en is tevens een eindwerk. Dit praktijkgerichte onderzoek is een onderdeel van de afstudeerfase. De thesis voor de ‘Dual Purpose’ minor mag zowel nautische als technische aspecten bevatten. In dit onderzoek zijn metingen gedaan van emissies in de uitlaatgassen aan boord van de iconische zeesleepboot de ‘Holland’. De metingen hebben een bepaalde tijd op ‘Vol’, ‘Half’ en ‘Langzaam’ vermogen plaatsgevonden. Vervolgens is gekeken naar het brandstofverbruik en de samenstelling van de uitlaatgassen. De metingen vonden plaats tijdens een reis van IJmuiden naar Harlingen op 6 oktober 2014. Dit onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door Stichting Zeesleepboot Holland, Maritiem Instituut ‘Willem Barentsz’ onderdeel van Noordelijke Hogeschool Leeuwarden.
1
Afkortingen: CO
Koolmonoxide
CO2
Koolstofdioxide
CPP
Controllable Pitch Propeller
ECA
Emission Control Area
EEDI
Energy Efficiency Design Index
EGR
Exhaust Gas Recirculation
g/kWh
Gram per kilowatt uur
GHG
Green House Gasses (broeikasgassen)
GT
Gross Tonnage
HC
Hydro Carbons
HFO
Heavy Fuel Oil
IMO
International Maritime Organization
ISO
International Organization for Standardization
MARPOL
International Convention for the Prevention of Pollution From Ships
n
Toerental
NO
Stikstofmonoxide
NO2
Stikstofdioxide
NOX
Stikstofoxiden
O2
Zuurstof
PM
Particulate matter
Ppm
Parts Per Million
RH
Relative Humidity
SCR
Selective Catalytic Reduction
SEEMP
Ship Energy Efficiency Management Plan
η
Rendement
2
Inhoudsopgave
I
2
Inleiding ........................................................................................................................................... 6 1.1
Achtergrond............................................................................................................................. 6
1.2
Centrale vraag ......................................................................................................................... 6
1.3
Deelvragen............................................................................................................................... 6
1.4
Uitlaatgassensamenstelling ..................................................................................................... 7
1.5
Huidige en toekomstige emissie-eisen .................................................................................... 9
Meetplan en methode................................................................................................................... 14 2.1
Schip & motor........................................................................................................................ 14
2.2
Brandstof ............................................................................................................................... 15
2.3
Onderzoeksopstelling ............................................................................................................ 16
2.4
Meetcycli ............................................................................................................................... 19
2.5
Methode emissiemeting........................................................................................................ 20
3
Resultaten...................................................................................................................................... 23
4
Discussie resultaten aan de hand van de deelvragen ................................................................... 25 4.1
Voldoet de Holland aan de huidige emissie-eisen ................................................................ 25
4.2
Vergelijking met een moderne scheepsdieselmotor ............................................................ 26
5
Conclusie ....................................................................................................................................... 28
6
Referenties .................................................................................................................................... 29
Appendix I: Gemeten waardes gebruikt bij de metingen ..................................................................... 30
3
Samenvatting Het doel van dit onderzoek is om meer inzicht te verkrijgen naar de emissies van de ‘Holland’, zodat men een goed beeld van de huidige uitstoot kan krijgen. Dit is gerealiseerd door een aantal metingen. De metingen vonden plaats tijdens een reis van IJmuiden naar Harlingen op 6 oktober 2014. De metingen zijn verricht met behulp van een draagbare meetkoffer en hebben voor een bepaalde tijd op ‘Vol’, ‘Half’ en ‘Langzaam’ vermogen plaatsgevonden. Het brandstofverbruik is bepaald met behulp van een ultrasone flowmeter. Vervolgens is er gekeken naar het brandstofverbruik en de samenstelling van de uitlaatgassen. Aan de hand van een meetplan zijn de emissies berekend. De volgende deelvragen zijn beantwoord in dit onderzoek, om meer inzicht te krijgen in de emissies van de ‘Holland’. -
Wat zijn de emissie-eisen voor een modern schip? Voldoet de motor aan de huidige emissie-eisen als deze van toepassing waren geweest? Is er verschil met betrekking tot emissies tussen een scheepsdieselmotor van meer dan 60 jaar oud (de ‘Holland’) en een scheepsdieselmotor van bijvoorbeeld 6 jaar?
De emissies welke zijn vastgesteld door het meten van de emissies van de hoofdmotor van de ‘Holland’ zijn weergeven in tabel 1. Tabel 1: Totaal rendement en emissies bij verschillende belastingen van de hoofdmotor
Belasting 60% 45% 30%
η totaal 36,8% 35,3% 33,3%
O2 (g/kWh ) 1653,0 2484,6 3704,1
CO (g/kWh ) 0,1570 0,2920 0,5241
NO (g/kWh ) 5,47 9,98 18,26
NO2 (g/kWh ) 0,48 0,99 2,45
NOX (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
CO2 (g/kWh ) 118,43 165,23 255,70
SOₓ (g/kWh) 0,376 0,385 0,324
4
Summary The purpose of this research is to gain insight into the emissions of seagoing tug the ‘Holland’, to get a good point of view for the current emissions. This was achieved through a number of measurements. The measurements were taken during a trip from IJmuiden to Harlingen on October 6, 2014. The measurements were made using a portable emission analyzer and found place at ‘Full’, ‘Half’ and ‘Slow’ speed. The fuel consumption was determined with the aid of an ultrasonic flow meter. Then a closer look was made of the composition of the exhaust gasses and the fuel consumption. The emissions were calculated using a measurement plan. The following questions were answered in this research to gain more insight into the emissions of seagoing tug the ‘Holland’. -
What are the emission regulations for a modern ship? Will the engine meet current emissions requirements if these would apply? Is there a difference regarding emissions between a marine diesel engine of more than 60 years old (the Holland) and, for example, a 6 year old marine diesel engine?
Table 2 shows the measured values of the emissions of the main engine of the ‘Holland’. Table 2: Total efficiency and emissions at different loads of the main engine
Load 60% 45% 30%
η total 36,8% 35,3% 33,3%
O2 (g/kWh ) 1653,0 2484,6 3704,1
CO (g/kWh ) 0,1570 0,2920 0,5241
NO (g/kWh ) 5,47 9,98 18,26
NO2 (g/kWh ) 0,48 0,99 2,45
NOX (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
CO2 (g/kWh ) 118,43 165,23 255,70
SOₓ (g/kWh) 0,376 0,385 0,324
5
I Inleiding 1.1 Achtergrond Het doel van dit onderzoek is meer inzicht te verkrijgen naar de emissies van de ‘Holland’. Zodat men een goed beeld van de huidige uitstoot krijgt en vergelijkingen met andere motoren/schepen kan maken en eventueel overtuigingen kan doen. Door dit onderzoek moet er meer duidelijkheid komen in de uitstoot van de ‘Holland’. De metingen worden verricht met behulp van een draagbare meetkoffer en zullen een bepaalde tijd plaats vinden op ‘Vol’, ‘Half’ en ‘Langzaam’ vermogen. Het brandstofverbruik wordt bepaald met behulp van een ultrasone flowmeter. Vervolgens wordt gekeken naar het brandstofverbruik en de samenstelling van de uitlaatgassen, zodat er een vergelijking kan worden gemaakt met een modern schip en de huidige emissie-eisen.
1.2 Centrale vraag: Wat stoot zeesleepboot de ‘Holland’ uit aan emissies? Dit onderzoek wordt gedaan om op deze manier meer inzicht te verkrijgen naar de uitstoot om zo te kijken of oude scheepsdieselmotoren daadwerkelijk zo slecht presteren betreft emissies, zoals veel mensen denken.
1.3 Deelvragen Met behulp van de onderstaande deelvragen is men in staat om antwoord te geven op de centrale vraag. -
Wat zijn de emissie-eisen voor een modern schip? Voldoet de motor aan de huidige emissie-eisen als deze van toepassing waren geweest? Is er verschil met betrekking tot emissies tussen een scheepsdieselmotor van meer dan 60 jaar oud (de ‘Holland’) en een scheepsdieselmotor van bijvoorbeeld 6 jaar?
6
1.4 Uitlaatgassensamenstelling Om meer te kunnen zeggen over de emissies in het algemeen kijkt men eerst naar de samenstelling van uitlaatgassen van een scheepsdieselmotor. Bepaalde gassen zijn schadelijk voor mens en milieu en bepaalde gassen behoren tot de niet-schadelijke gassen. De uitlaatgassen bestaan uit de volgende samenstelling (Kuiken, 2011):
-
Zuurstof Stikstof Koolstofdioxide Waterdamp Koolmonoxide Zwaveloxiden Stikstofoxiden Koolwaterstofverbindingen Stofdeeltjes (aërosolen)
Figuur 1: Samenstelling uitlaatgassen
1.4.1 Zuurstof In de uitlaatgassen van dieselmotoren is altijd zuurstof (O2) aanwezig. Lucht bestaat voor ongeveer 21 % volume uit zuurstof en is samen met stikstof het grootste bestanddeel van lucht. Zuurstof is noodzakelijk voor het verbrandingsproces. Lucht is niet alleen noodzakelijk voor het verbrandingsproces, maar ook voor het spoel- en koelproces van de motor. Door het lucht overschot (luchtovermaat) in de cilinders is er dus ook zuurstof te vinden in de uitlaatgassen. Het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen varieert tussen 13% en 16%. De luchtovermaat is vaak 3 of hoger. Zuurstof behoord vanzelfsprekend tot de niet-schadelijke gassen. 1.4.2 Stikstof Stikstof (N2) is het grootste bestanddeel van lucht met ongeveer 78% volume. Tevens is stikstof het grootste bestanddeel van de uitlaatgassen. Normaal gesproken is stikstof een inert gas en reageert het onder normale omstandigheden niet met andere stoffen, en is dus een niet-schadelijk gas. Echter wanneer er verbranding plaatsvindt reageert er een kleine hoeveelheid stikstof met andere stoffen. Op deze manier ontstaat ook NOX. 1.4.3 Koolstofdioxide Koolstofdioxide (CO2) is ook één van de hoofdbestanddelen van uitlaatgassen. Tijdens het verbrandingsproces treedt de volgende reactie op:
C + O2 → CO2
7
“Kooldioxide is een niet-giftig gas. Het is echter wel de grote boosdoener voor het broeikaseffect dat als gevolg heeft dat de aarde langzamerhand gemiddeld in temperatuur stijgt. Installaties met een zo hoog mogelijk rendement zijn dus gunstig om het broeikaseffect te beperken”. (van Maanen, 2000) Het is alleen mogelijk deze uitstoot te beperken door lichtere brandstoffen te gebruiken met relatief minder koolstof en dus met meer waterstof. Ook het ontwikkelen van een motor met een hoger rendement, en dus een kleiner specifiek brandstofverbruik, helpt mee aan de reductie van CO2 uitstoot. 1.4.4 Waterdamp Waterdamp (H2O) ontstaat bij de verbranding van koolwaterstoffen. De waterstoffen in de brandstof reageren tijdens de verbranding met zuurstof, daarbij ontstaat onder andere water(damp). Hieronder wordt de verbranding van ethaan weergeven:
2 C2H6 + 7 O2 → 4 CO2 + 6 H2O Waterdamp in de uitlaatgassen is niet schadelijk voor de gezondheid en voor het milieu. 1.4.5 Koolmonoxide Koolmonoxide (CO) ontstaat bij een onvolledige verbranding van de koolstoffen, dit is het gevolg van een gebrek aan voldoende zuurstof. Dit vindt onder andere dicht bij de wanden van de verbrandingskamer plaats. Ook een slechte menging van de brandstof met lucht is een oorzaak.
2 C + O2 → 2 CO Koolmonoxide zal in de atmosfeer binnen enkele uren worden omgezet in koolstofdioxide, en draagt dus bij aan het broeikaseffect. Bovendien is koolmonoxide een zeer giftig gas voor de mens. Bij het inademen van koolmoxide in een gesloten ruimte kan de dood onmiddellijk tot gevolg treden. CO behoort dus tot een schadelijk gas in de uitlaatgassen. 1.4.6 Zwaveloxiden Zwaveloxiden (SOX) zijn een product van de reactie van zwavel met zuurstof tijdens de verbranding. De zwavel bevindt zich in de brandstof en/of de smeerolie. Naast zwaveldioxide (SO2) wordt er ook een beetje zwaveltrioxide(SO3) gevormd, samengevoegd dus SOX.
S + O2 →SO2
en
2 SO2 + O2 → 2 SO3 Zwaveloxiden behoren tot de belangrijkste veroorzakers van ‘zure regen’. Dit is schadelijk voor zowel de mens als natuur. Tevens heeft het een destructieve werking op gebouwen, vooral het zachte kalksteen. Op de oceaan levert de uitstoot van SOx niet veel problemen op, omdat zeewater deze gassen makkelijk kan neutraliseren, zeewater is namelijk licht alkalisch. 1.4.7 Stikstofoxiden Stikstofoxiden (NOX) ontstaan bij het verbrandingsproces van stikstof met zuurstof op hoge temperaturen. Stikstofoxiden ontstaan onder drie voorwaarden: er dient een voldoende zuurstof overmaat aanwezig te zijn, de temperatuur moet minstens boven de 1200 ⁰C zijn en de reactietijd
8
moet voldoende zijn, zodat er NOX vormt. Bovendien zit er een kleine hoeveelheid stikstof in de brandstof, bij zware olie is dit meer dan in lichtere fracties. De volgende reacties treden op: N2 + 2 O2 → 2 NO2
en
N2 + O2 → 2 NO Stikstofoxiden dragen bij aan de ‘smog’ en veroorzaken zure regen. Ook bevorderen ze het broeikaseffect en behoren tot de veroorzakers van afbraak van de ozonlaag. Men kan dus wel stellen dat NOx nadelige gevolgen voor flora en fauna heeft. 1.4.8 Koolwaterstofverbindingen Bij de verbranding blijven er ook onverbrande deeltjes over, zoals roet. Maar ook koolwaterstofverbindingen(HC) in gasvorm komen voor. Deze HC-verbindingen bestaan uit een zeer grote diversiteit verbindingen en kunnen in veel chemisch mogelijke combinaties voorkomen. Vooral de aromatische verbindingen zijn slecht voor de gezondheid. Bij goed afgestelde motoren zijn deze HC-verbindingen zo weinig mogelijk aanwezig. 1.4.9 Fijnstofdeeltjes (aërosolen) Aërosolen, ook wel Particulate Matter(PM) genoemd, bestaan uit koolstof, vliegas, zware metalen, slijtagedeeltjes, etc. Naast de zware olie die verbrandt, wordt ook een deel van de smeerolie verbrand. Beide oliën bevatten de nodige metalen, waardoor metaaloxiden ontstaan. Vliegas bestaat uit asdeeltjes van zeer kleine afmeting (0,1 tot 1 μm) en is zeer schadelijk bij het inademen. (Rohr & Wyzga, 2012)
1.5 Huidige en toekomstige emissie-eisen Achtergrond De IMO-regels voor verontreiniging door schepen zijn opgenomen is het ‘International Convention on the Prevention of Pollution from Ships’ beter bekend als MARPOL 73/78. Op 27 september 1997 is het MARPOL-verdrag gewijzigd bij het ‘Protocol van 1997’. Sindsdien is Annex VI getiteld ‘Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships’ er bij gekomen. Annex VI van MARPOL stelt grenzen aan NOX en SOX-emissies van schepen, en verbiedt opzettelijke emissies van ozonafbrekende stoffen. (International: IMO marine engine regulations.) De emissie-eisen door de IMO worden aangeduid als Tier I, Tier II en Tier III-normen. De Tier Inormen werden in de versie van 1997 van Annex VI opgesteld, terwijl in 2008 de Tier II / III-normen opgesteld werden in MARPOL Annex VI: -
Tier I Het ‘1997 Protocol’ van MARPOL, dat Annex VI bevat, wordt van kracht 12 maanden nadat zij door 15 Staten worden aanvaard met niet minder dan 50% van het mondiale koopvaardijvloot tonnage. Op 18 mei 2004, nadat Samoa heeft ingestemd als de 15e staat (nadat de Bahama's, Bangladesh, Barbados, Denemarken, Duitsland, Griekenland, Liberia, 9
Marshal eilanden, Noorwegen, Panama, Singapore, Spanje, Zweden, en Vanuatu hadden ingestemd), is op die datum Annex VI geratificeerd, omdat die staten met 54,57% de mondiale koopvaardijvloot tonnage omvatten. Vervolgens is Annex VI pas echt in werking gesteld op 19 mei 2005. Het geldt met terugwerkende kracht op geïnstalleerde nieuwe motoren van meer dan 130 kW op schepen gebouwd op of na 1 januari 2000, of op schepen die een ingrijpende verbouwing na die datum hebben gehad. De eisen zijn ook van toepassing op vaste en drijvende platforms en ook op boorplatforms. In afwachting van de Annex VI-ratificatie hebben de meeste motorfabrikanten motoren gebouwd die voldoen aan de eisen die sinds 2000 van kracht zijn. -
Tier II / III De Annex VI amendments zijn in oktober 2008 aangenomen. Deze amandments hebben nieuwe eisen geïntroduceerd betreft de brandstof kwaliteitseisen, die ingaan vanaf juli 2010. Ook zijn er nieuwe Tier II en III NOx-emissienormen voor nieuwe motoren opgesteld, en Tier I NOx eisen voor bestaande pre-2000 motoren. De herziene Annex VI treedt in werking op 1 juli 2010. In oktober 2008 werd Annex VI geratificeerd door 53 landen (waaronder de Verenigde Staten), wat neerkomt op 81,88% van het tonnage.
Emission Control Areas (ECA’s) Er zijn twee soorten eisen betreft de emissie-eisen en brandstofkwaliteit eisen die zijn opgenomen in Annex VI: de wereldwijde eisen, en de strengere eisen die gelden voor schepen in Emission Control Area (ECA). Een Emission Control Area kan worden aangewezen voor SOx en PM, of NOx, of alle drie soorten emissies van schepen. Bestaande Emission Control Areas zijn onder andere: -
Oostzee (SOx, aangenomen: 1997 / in werking getreden: 2005) Noordzee (SOx, 2005/2006) Noord-Amerikaanse ECA, waaronder de meeste van de Amerikaanse en Canadese kust (NOx en SOx, 2010/2012). Amerikaanse Caribische ECA, inclusief Puerto Rico en de Amerikaanse Maagdeneilanden (NOx en SOx, 2011/2014).
Uitstoot van broeikasgassen De 2011 Amendments van Annex VI van het MARPOL hebben verplichte maatregelen om de uitstoot van broeikasgassen (GHG) te reduceren geïntroduceerd. In de Amendments is hoofdstuk 4 toegevoegd: ‘Regulations on energy efficiency for ships ‘.
10
NOx-emissienormen NOx-emissie grenswaarden voor dieselmotoren zijn afhankelijk van het maximale motor toerental (n, RPM), zoals getoond in tabel 3 en grafisch weergegeven in figuur 2. Tier I en Tier II grenswaarden zijn globaal, terwijl de Tier III eisen alleen NOx Emission Control Areas gelden. Tabel 3: Annex VI van MARPOL NOx emissie grenswaarden
Figuur 2: Annex VI van MARPOL NOx emissie grenswaarden
De Tier I-normen zijn van toepassing op bestaande motoren op schepen die gebouwd zijn tussen 1 januari 1990 tot 31 december 1999, met een cilinderinhoud ≥ 90 liter per cilinder en een nominaal vermogen ≥ 5000 kW. De Tier II-normen zullen naar verwachting worden voldaan door het verbrandingsproces te optimaliseren. De door motorfabrikanten onderzochte parameters zijn bijvoorbeeld: brandstofinjectie timing, druk, uitlaatklep timing, en de cilinder volume compressie. Van Tier III-normen wordt verwacht dat er speciale NOx-emissie reductie technologieën nodig zijn, zoals diverse vormen van water in het verbrandingsproces (met brandstof of spoellucht), extreme Miller-Timing, uitlaatgasrecirculatie (EGR) of selectieve katalytische reductie (SCR). 11
Emissies van motoren worden getest met verschillende ISO 8178 cycli (E2, E3 cycli van verschillende soorten voortstuwingsmotoren, D2 voor hulpmotoren met een constant toerental, C1 voor hulpmotoren met een variabele toerental en belasting). Motoren worden gemeten met schone dieselbrandstoffen, hoewel er in de praktijk gebruik van restbrandstoffen. Zwavelgehalte van de brandstof De Annex VI voorschriften bevatten grenswaarden op het zwavelgehalte van stookolie als een maatregel om de SOx-emissies en indirect de PM uitstoot te controleren (er zijn geen expliciete PM emissiegrenswaarden). Er bestaan bijzondere bepalingen voor de brandstofkwaliteit voor SOx Emission Control Areas (SOx ECA of SECA). De grenswaarden voor het zwavelgehalte en de data zijn weergegeven in tabel 4 en geïllustreerd in figuur 3. Tabel 4: Annex VI van MARPOL zwavelgrenswaarden
Figuur 3: Annex VI van MARPOL zwavelgrenswaarden
12
Stookolie (HFO) is toegestaan, mits het voldoet aan de toepasselijke grenswaarde voor zwavel (dat wil zeggen, er is geen mandaat om destillaat brandstoffen te gebruiken). Alternatieve maatregelen zijn ook toegestaan (in de SOx ECA's en wereldwijd) om zwavel uitstoot te reduceren, bijvoorbeeld door het gebruik van scrubbers. Schepen kunnen bijvoorbeeld gebruik maken van brandstof met 1,5% S in de brandstof in SOx ECA's, mits de schepen een reinigingssysteem voor uitlaatgassen installeren of gebruik maken van andere technologische methodes om SOx-emissies te beperken tot ≤ 6 g / kWh. De uitstoot van broeikasgassen MARPOL Annex VI, hoofdstuk 4 introduceert twee verplichte systemen bedoeld om aan de energieefficiëntie norm voor schepen te voldoen namelijk de Energy Efficiency Design Index (EEDI), voor nieuwe schepen, en het Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP) voor alle schepen. -
-
De EEDI is een ‘performance-based’ systeem dat een bepaalde minimale energie-efficiëntie vereist van nieuwe schepen. Scheepsontwerpers en -bouwers zijn vrij om de technologieën te kiezen om aan de EEDI eisen van een bepaald scheepsontwerp te voldoen. Het SEEMP wordt een systeem om de energie-efficiëntie van schepen te verbeteren.
De regeling geldt voor alle schepen van 400 GT of meer en is vanaf 1 januari 2013 van kracht.
13
2 Meetplan en methode Voordat de metingen werden verricht, is een duidelijk meetplan opgesteld voor een zo betrouwbaar mogelijke meting. Vooraf is met het hoofd technische dienst van de ‘Holland’ besproken waar en wanneer de meting plaats ging vinden. De metingen werden verricht op ‘Vol’, ‘Half’ en ‘Langzaam’ vermogen.
2.1 Schip & motor De ‘Holland’ is een bergingsjager dat door rederij Doeksen in 1951 in gebruik is genomen. In de zomerperiode fungeerde de ‘Holland’ ook wel als passagiersschip, en kon het wel meer dan 800 mensen vervoeren. Van 1976 tot 1998 is het schip gecharterd door Rijkswaterstaat. Toen in 1998 besloten werd het schip te slopen is een actie op touw gezet om het schip te behouden. Sindsdien is het schip in originele staat teruggebracht en is het een museumschip geworden. Tabel 5: Scheepsgegevens
Type schip: Werf: Kiel gelegd: Opgeleverd: Bouwwijze: Roepnaam: IMO-nummer: Lengte OA: Breedte OA: Diepgang: Snelheid: Actieradius: Bruto tonnage: Waterverplaatsing: Passagierscapaciteit (1951): Passagierscapaciteit (huidige eisen):
Motorbergingsjager/passagiersschip Ferus Smit, Foxhol April 1950 November 1951 Staal, geklonken met gelaste tanktops, houten dekken op staal PESK 515 34 62 57,35 meter 9,54 meter 3,70 meter (gemiddeld) 16 knopen 11.000 nautische mijl 570 ton Max. 853 ton 804 personen 80 personen
Tabel 6: Motorgegevens
Fabrikant: Type: Serienummer: Vermogen:
Toerental: Aantal cilinders: Type verbrandingsmotor: Boring: Slag: Drukvulgroep: Inspuit volgorde vooruit: Inspuit volgorde achteruit:
Werkspoor TMABS 3910 1354 2750 IPK (indicateur paardenkracht) 2100 APK (as paardenkracht) 1499 kW 275 RPM 10 stuks 4-slag Dieselmotor 390 mm 680 mm Brown-Boveri 1-6-2-8-4-10-5-9-3-7-1 1-7-3-9-5-10-4-8-2-6-1
14
2.2 Brandstof De gebunkerde brandstof is DIN IGO 1000ppm S, heating oil. Dit is laagzwavelige gasolie met een zwavelpercentage van nog geen 0.1%. Na het bunkeren is er een brandstofanalyse uitgevoerd door Shell Nederland Raffinaderij B.V. De specificaties van de gebunkerde brandstof zijn te vinden in tabel 7 en de zogenaamde vervuilingen in tabel 8. Tabel 7: Brandstofspecificaties
Property
Method
Result Units
Density at 15 ⁰C Colour Viscosity at 20 ⁰C Cloudpoint CFPP Distillation: recovered at 250 ⁰C Distillation: recovered at 350 ⁰C Sulpher Flashpoint PMcc Ash Carbon residue (on 10% distillation residue) Heat of Combustion
EN ISO 12185 Visual EN ISO 3104 ISO 3015 EN 115 ISO 3405 ISO 3405 EN ISO 8754 ISO 2719 ISO 6245 ISO 10370
0.8474 Red 5.083 -3 -19 29.7 91.3 989 61.0 <0.010 <0.30
DIN 51603
Kg/L mm2/s ⁰C ⁰C %(v/v) %(v/v) Mg/kg ⁰C %(m/m) %(m/m)
45.59 MJ/kg
Tabel 8: Vervuiling in de brandstof
Total contamination Clear and Bright at 15 ⁰C Free water at 15 ⁰C Particulates at 15 ⁰C Point of Haziness at room temperature Water Solvent yellow 124 Conductivity at 10 ⁰C Lubricity (wsd 1,4) at 60 ⁰C Copper corrosion (3h/50⁰C) FAME content EN 14078 Thermal Stability
ASTM D 4176 ASTM D 4176 ASTM D 4176 ASTM D 4176 ISO 12937 DIN 51426 ASTM D 2624 ISO 12156-1 ISO 2160 EN 14078
Pass Pass (absent) Pass (absent) <=2 60 6-9 66 408 Class 1 <0.05
Mg/kg Mg/L pS/m μm %(v/v)
15
2.3 Onderzoeksopstelling Voor de metingen van de emissies aan boord van de ‘Holland’ is gebruik gemaakt van verschillende meetinstrumenten en apparatuur. 2.3.1 Meetkoffer De metingen van de uitlaatgassen zijn verricht met een draagbare meetkoffer. Dit is een ecom-J2KN. Deze meetkoffer zal gedurende de meting elke seconde een meting doen naar O2, CO, NO, NO2, NOX en CO2. Deze gegevens worden direct weergegeven op het lcd-scherm en worden tevens opgeslagen op een SD-geheugenkaart, welke later kan worden uitgelezen op een laptop. De sonde moet zo in de uitlaatgassenpijp worden gestoken zodat het uiteinde van de sonde zich in het midden van de uitlaatgassenpijp bevindt. Vervolgens worden de uitlaatgassen uit de pijp aangezogen en komen zo in het gasanalyseapparaat terecht. Voor de bevestiging van de sonde moet eerst een adaptor worden gemaakt, omdat het de bedoeling is dat de sonde gedurende de meting op zijn plaats blijft. Deze ‘Probe-adaptor’ bestaat uit messing verloopstukjes en een snijring (Figuur 4 en figuur 5). De meetkoffer is eind 2013 uitgebreid getest en gekalibreerd door Imbema Controls BV. Ook tijdens het opstarten van de meetkoffer zal de meetkoffer eerst één minuut kalibreren er gemeten kan worden. De kalibratie gegevens zijn weergeven in tabel 9. Tabel 9: Specificaties meetkoffer 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% -
Figuur 4: Probe-adaptor
16
Figuur 5: Probe-adaptor
17
2.3.2 Temperatuur/relatieve luchtvochtigheid data logger Het is ook van belang om de temperatuur en de relatieve luchtvochtigheid van de spoellucht te weten. Daarvoor wordt gebruik gemaakt van de: Lascar EL-USB-2-LCD. Dit is een handzame data logger in USB-formaat die zowel de temperatuur alsook de relatieve luchtvochtigheid meet. De opgeslagen data kan vervolgens worden uitgelezen met behulp van een programma op de laptop en kan vervolgens in een overzichtelijke grafiek worden weergeven. Tabel 10: Specificaties temperatuur/rel. luchtvochtigheid datalogger
Bereik -35 ⁰C tot +80 ⁰C 0 tot 100 %RH
Temperatuur Relatieve luchtvochtigheid
1
Afwijking (gemiddeld) ±0.5 ⁰C ±3.0 %RH
Afwijking(max) ±2 ⁰C ±5.0 %RH
2.3.3 Flowmeter Om te bepalen hoeveel brandstof er door de motor wordt verbruikt, is er een flowmeter op de brandstofleiding geïnstalleerd. Deze gegevens zijn nodig bij de berekening van de emissies. De flowmeter betreft de ultrasone flowmeter FLUXUS® ADM 7407 van het merk Flexim in combinatie met CDM2N52 sensoren van Flexim. De sensoren worden bevestigd in de Variofix C houder voor het beste signaal, en vervolgens tegen de brandstofleiding gemonteerd. De sensoren moeten tegen een zo glad mogelijke buis gemonteerd worden met de bijbehorende ultrasonic coupling pasta. Zowel de transmitter als de sensoren zijn ISO-gecertificeerd. Tabel 11: Specificaties flowmeter
1 2
2
http://www.lascarelectronics.com/temperaturedatalogger.php?datalogger=375 http://www.flexim.com/nl/fluxus-adm-7407
18
2.4 Meetcycli De metingen zijn zoveel mogelijk gedaan volgens de ISO 8178 standaard. De emissies zijn afhankelijk van de beproeving omstandigheden van de motor, waaronder de belasting en het toerental. Voor de Werkspoor TMABS 3910 in de Holland geldt de E3-cycle. De E3-cycle is een test voor een ‘schroefwet aangedreven hoofdmotor’. Deze motor is direct omkeerbaar met een ‘direct aangedreven schroef’ en valt daarom dus onder deze categorie. De beproevingscyclus E3 is gegeven in tabel 12. (MARPOL. annex 13.2008) Tabel 12: Motor beproeving omstandigheden volgens de ISO 8178 E-3 Cycle
Speed Power Weighting factor
100% 100% 0,2
91% 75% 0,5
80% 50% 0,15
63% 25% 0,15
Bij nieuwbouw motoren worden de emissies van dieselmotoren gemeten als de motor is opgesteld op een testopstelling bij de fabrikant. Deze is gekoppeld aan een dynamometer om nauwkeurig de belasting te meten en om zo een zo goed mogelijke situatie te creëren voor de beproeving omstandigheden. Dit onderzoek is vanzelfsprekend niet uitgevoerd op een testbank, maar tijdens een zeereis van IJmuiden naar Harlingen. Het is dus praktisch onmogelijk om tijdens de reis van IJmuiden naar Harlingen deze beproeving omstandigheden te behalen, tevens is deze motor al 60 jaar in bedrijf waardoor dit waarschijnlijk ook onmogelijk is. Er is gestreefd om zo dicht mogelijk bij deze situatie te komen tijdens de metingen. Het was onmogelijk het exacte toerental van de motor vast te stellen omdat de toerenteller defect is. Ook was het niet mogelijk om de belasting van de motor vast te stellen. De volgende gegevens zijn dus tot stand gekomen volgens het deskundige oordeel van de hoofdwerktuigkundige. De gebruikte beproevingscyclus voor deze meting is gegeven in tabel 13. Tabel 13: Motor beproeving omstandigheden zoals gemeten
Speed (RPM) Power (%)
Vol 225 60
Half 140 45
Langzaam 100 30
19
2.5 Methode emissiemeting Dit meetplan is gemaakt om de variabelen O₂, CO en NOₓ te berekenen. De CO₂ uitstoot wordt direct berekend door de meetapparatuur. De SOₓ emissie wordt achteraf teruggerekend aan de hand van de meetresultaten, het brandstofverbruik en de brandstofspecificaties. De hoofdmotor zal zo goed als mogelijk volgens de bijbehorende beproevingsopstelling draaien. De emissiemetingen in de verschillende belastingstoestanden van de motor zal gedurende 15 minuten plaatsvinden, de metingen beginnen pas wanneer de motor is gestabiliseerd.
2.6 Correcties De meetwaarden worden omgezet naar een standaard zuurstofgehalte om ervoor te zorgen dat de luchtovermaat geen invloed uitoefent op de resultaten van de meting en zodat verschillende metingen met elkaar vergeleken kunnen worden. In deze meting is er gecorrigeerd naar een zuurstofpercentage van 20% met behulp van de volgende formule (Kenniscentrum InfoMil.2014) :
𝑐. 𝑓. = met:
c.f. 21 Os Om
21 − 𝑂𝑠 21 − 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, in dit geval dus 20% de actuele zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas dat is gemeten
Er is al droog rookgas gemeten door de meetkoffer, dus er hoeft niet gecorrigeerd te worden voor een nat/droge meting. Ook hoeft eerst de druk en temperatuur niet gecorrigeerd te worden omdat er is gemeten met een extractief meetsysteem dat ingeregeld wordt bij het opstarten van het systeem.
2.7 Concentraties omrekenen De gecorrigeerde meetwaarden zijn nu in een percentage of ppm. Dit moet worden omgerekend naar een waarde in mg/m³. Dit wordt berekend volgende formule:
𝐶𝑚 =
met:
Cm M 22,4 Cv
𝑀 ∗𝐶 22,4 𝑣
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)
Er moet worden gezegd dat 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 NOX wordt daarom gebruik gemaakt van de molecuulmassa van NO₂, welke 46 g/mol is.
20
De door de IMO vastgestelde NOX eisen voor scheepsdieselmotoren zijn in g/kWh gegeven. Deze worden verkregen door met de volgende formule de relatieve emissie in g/kWh te berekenen. 𝐸𝑟𝑒𝑙 = 0,0036 ∗ 𝐶𝑚 ∗
met:
𝑉𝑠𝑡 21 ∗ 𝐻 21 − 𝑂𝑚
Erel relatieve emissie (g/kWh) 0,0036 omrekenfactor van g/GJ naar g/kWh Cm concentratie (mg/m³) bij standaard druk en temperatuur in droog rookgas Vst stoichiometrisch droog rookgasvolume (m³/kg), te benaderen met de formule Vst = 0,929 + 0,221*H H stookwaarde van de brandstof (MJ/kg) 21 zuurstofconcentratie in droge lucht Om actuele zuurstofconcentratie (v%) betrokken op droog rookgas
2.8 Van input naar output De relatieve emissie is nu berekend in g/kWh van het vermogen wat de motor in gaat. De emissieeisen 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: 𝐸𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 = 𝐸𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 ∗ η𝑡
met:
Eoutput relatieve emissie van het uitgaande vermogen (g/kWh) Einput relatieve emissie van het ingaande vermogen (g/kWh) ηt totaal motorrendement
Om de relatieve emissie van het uitgaande vermogen te kunnen berekenen moet eerst het motorrendement bij de verschillende belastingen bepaald worden. Dit wordt gedaan met behulp van de volgende formule:
η𝑡 = met:
ηt H0 be
1 𝐻0 ∗ 𝑏𝑒
totaal motorrendement stookwaarde van de brandstof (MJ/kg) specifiek brandstofverbruik (kg/MJ)
De stookwaarde van de brandstof is gegeven in het laboratoriumonderzoek van de gebunkerde brandstof in hoofdstuk 2.2. Het specifiek brandstofverbruik bij verschillende belastingen wordt uit het beproeving certificaat gehaald.
2.9 Herleiding NOₓ naar ISO-condities De NOₓ emissie van dieselmotoren is afhankelijk van de verbrandingslucht condities, zoals temperatuur en luchtvochtigheid. 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%. Hier wordt de volgende formule voor gebruikt: 101,3 𝑇𝑚 −1,53 19(𝑥 −0,0063) 𝑛 𝐸𝑁𝑂𝑥 = 𝐸𝑟𝑒𝑙 ∗ √ ∗( ) ∗𝑒 𝑃𝑚 288
21
met:
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)
2.10 Berekening SOₓ gehalte De SO₂ emissie wordt teruggerekend met behulp van de brandstofgegevens. Dit wordt gedaan omdat een directe SO₂ meting met de meetkoffer niet betrouwbaar genoeg is. SO₂ emissie wordt berekend met de volgende formule: 𝐸𝑆𝑂𝑥 = met:
Esoₓ Msoₓ AWs Fbr Gs P
𝑀𝑆𝑂2 10 ∗ 𝐹𝑏𝑟 ∗ 𝐺𝑠 ∗ 𝐴𝑊𝑠 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)
2.11 Uitlaatgassendebiet Het uitlaatgassendebiet wordt berekend op basis van het brandstofverbruik met de volgende formule: 𝐹𝑠 = 𝐹𝑏𝑟 ∗ 𝑉𝑠𝑡 ∗
met:
Fs Fbr Vst 21 Os
21 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
22
3 Resultaten 3.1 Motorcondities tijdens de meting Zoals in het meetplan weergeven in het vorige hoofdstuk zijn de metingen verricht bij verschillende toerentallen en belastingen van de motor. De metingen zijn verricht bij 60%, 45% en 30% van de maximale belasting. De eerste meting op 60% is gedaan rond 10:30 op 06-10-2014 op de Noordzee, de andere metingen met 45% en 30% belasting zijn gedaan op 06-10-2014 rond 16:00 tijdens de aanloop naar Harlingen. In appendix I zijn de parameters gegevens die gebruikt zijn bij bovenstaande berekeningen. De gebruikte formules en eenheden zijn uitgewerkt in het meetplan.
3.2 Directe meetresultaten De direct gemeten emissies door de meetkoffer zijn weergeven in tabel 14. Tabel 14: Direct gemeten emissies
Full Half Slow
Belasting (%) 60 45 30
O2 (%) 14,2 15,3 16,7
CO (ppm) 164 181 181
NO (ppm) 3409 3732 3780
NO2 (ppm) 204 243 332
NOx (ppm) 3613 3975 4112
CO2 (%) 5,0 4,2 3,2
3.3 Gecorrigeerde meetresultaten De meetresultaten zijn gecorrigeerd zoals omschreven in het meetplan. Het O₂ percentage is gelijk gebleven omdat deze niet gecorrigeerd hoeft te worden naar een ander O₂ percentage. Wel moet vermeld worden dat alle andere emissies gecorrigeerd zijn naar een zuurstofpercentage van 20%. De gecorrigeerde meetwaarden zijn gegeven in tabel 15. Tabel 15: Gecorrigeerde emissies
Full Half Slow
Belasting (%) 60 45 30
O2 (%) 14,2 15,3 16,7
CO (ppm) 24 32 42
NO (ppm) 501 655 879
NO2 (ppm) 30 43 77
NOx (ppm) 531 697 956
CO2 (%) 0,74 0,74 0,74
De emissies, weergeven in ppm, worden nu omgerekend 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. Voor deze omrekening is het stoichiometrisch droog rookgasvolume nodig. Dit is berekend met behulp van de stookwaarde en bedraagt 11,00 m³/kg. De emissies in de eenheid g/kWh zijn gegeven in tabel 16. Tabel 16: Gecorrigeerde emissies in g/kWh bij standaard condities
Belasting (%) Full Half Slow
60 45 30
O2 (g/kWh ) 1478,8 1981,6 3039,0
CO (g/kWh ) 0,1405 0,2329 0,4300
NO (g/kWh ) 4,89 7,96 14,98
NO2 (g/kWh ) 0,43 0,79 2,01
NOx (g/kWh ) 7,94 12,98 25,01
CO2 (g/kWh ) 105,95 131,78 185,17
23
De in tabel 16 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 20%. 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 de emissies zijn omgerekend naar deze condities de volgende waardes tot stand in tabel 17. Tabel 17: Gecorrigeerde emissies in g/kWh bij ISO condities
Belasting (%) Full Half Slow
60 45 30
O2 (g/kWh ) 1653,0 2484,6 3704,1
CO (g/kWh ) 0,1570 0,2920 0,5241
NO (g/kWh ) 5,47 9,98 18,26
NO2 (g/kWh ) 0,48 0,99 2,45
NOx (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
CO2 (g/kWh ) 118,43 165,23 255,70
3.4 Motorrendement De totale motorrendementen per belasting die gebruikt zijn bij de omrekening van input vermogens naar output vermogens zijn gegeven in tabel 18. Tabel 18: Totaal motorrendement bij verschillende koppels
Belasting 60% 45% 30%
Totaal rendement 36,8 35,3 33,3
3.5 Zwavelemissies De teruggerekende zwavelemissies zijn weergeven in tabel 19. Tabel 19: Teruggerekende zwavelemissies
Beslasting 60% 45% 30%
SOₓ (g/kWh) 0,3755 0,3851 0,3244
3.6 Uitlaatgassendebiet Ten slotte kan het uitlaatgassendebiet ook berekend worden per belasting. Deze zijn gegeven in tabel 20. Tabel 20: Uitlaatgassendebiet
Belasting 60% 45% 30%
Uitlaatgassendebiet (m³/uur) 6113 5563 4097
24
4 Discussie resultaten aan de hand van de deelvragen 4.1 Voldoet de Holland aan de huidige emissie-eisen NOₓ emissie-eisen Omdat het toerental van de ‘Holland’ variabel is en tussen de 130 RPM en 2000 RPM ligt, kunnen de volgende maximale NOX emissies worden berekend. Weergegeven in tabel 21. De waardes uit tabel 22 zijn de gemeten NOX waardes aan boord van de ‘Holland’. Tabel 21: Maximale NOX emissie per toerental in (g/kWh)
Tier: I II III
n=225 RPM (60%) 15,23 12,66 3,05
n=140 RPM (45%) 16,75 14,12 3,55
n=100 RPM (30%) 17,91 15,26 3,58
Tabel 22: Berekende NOX emissies ‘Holland’
Full Half Slow
Belasting 60 % 45 % 30 %
NOX (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
Men verwacht dat de NOX uitstoot stijgt naarmate het toerental, en dus het vermogen, oploopt. Dit is echter niet het geval. NOX uitstoot wordt namelijk bepaald door drie factoren: -
O2 - N2 concentratie Hoge verbrandingstemperatuur Reactietijd
Deze laatste factor speelt in dit geval een grote rol. De reactietijd (het verbrandingsproces) duurt zo’n 140 krukgraden. (van Maanen, 2000) 225 𝑅𝑃𝑀 (𝑓𝑢𝑙𝑙) →
225 140 = 3,75 ∗ 360 = 1350 𝑘𝑟𝑢𝑘𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒𝑛 → = 0,103 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 60 1350
100 𝑅𝑃𝑀 (𝑠𝑙𝑜𝑤) →
100 140 = 1,667 ∗ 360 = 600 𝑘𝑟𝑢𝑘𝑔𝑟𝑎𝑑𝑒𝑛 → = 0,233 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 60 600
Hieruit blijkt dat het verbrandingsproces bij een lager toerental langer duurt, waardoor er meer tijd is om NOX te vormen. Om die reden is de NOX emissie-eis ook versoepeld voor motoren met een lager toerental, zoals te zien in figuur 2. De ‘Holland’ voldoet met 60% belasting aan zowel de Tier I en Tier II eisen. Op 45% belasting voldoet de ‘Holland’ ook nog net aan de Tier I eisen, maar niet meer aan de Tier II eisen. Op 30% voldoet de ‘Holland’ aan geen enkele eis. De Tier III eisen komen bij geen enkele belastingssituatie in de buurt.
25
Maar omdat de ‘Holland’ voor 1 januari 1990 is gebouwd hoeft het niet aan NOX emissie-eisen te voldoen. SOₓ emissie-eisen Aan de SOₓ emissie is geen eis gesteld. Er is alleen een eis gesteld aan het zwavelpercentage in de brandstof. De eis betreft zwavel in de brandstof is maximaal 3,5% (wereldwijd) en in de speciale SOX ECA gebieden is het 1,0%. De ‘Holland’ vaart voornamelijk op de Noordzee, dat is een SOX ECA gebied, en zou dus moeten voldoen aan de strengere regelgeving. De brandstof heeft een zwavelpercentage van 0,0989%. Deze eis is niet leeftijdsafhankelijk, hier moet de ‘Holland’ dus wel aan voldoen. Overigen emissie-eisen Voor de overige schadelijke emissies zoals CO, CO2, HC en PM zijn geen concrete emissie-eisen. De PM(fijnstofdeeltjes) en de HC (koolwaterstoffen) zijn in dit onderzoek niet gemeten. De CO en CO2 zijn berekend en worden weergegeven in tabel 23. Tabel 23: Berekende CO en CO2 emissies ‘Holland’
Full Half Slow
Belasting (%) 60 45 30
CO (g/kWh ) CO2 (g/kWh ) 0,1570 118,43 0,2920 165,23 0,5241 255,70
4.2 Vergelijking met een moderne scheepsdieselmotor Voor de vergelijking betreft emissies van een oude of moderne scheepsdieselmotor is het onderzoek van een aantal studenten van het Maritiem Instituut Willem Barentsz gebruikt. Dit onderzoek is verricht op m.s. ‘Skylge’ gebouwd in 2009. Dit is een coaster van 6120 GT en 122 meter met een MaK M32C van ±4000 kW met vast toerental en een CPP. In tabel 24 is het totaal rendement en emissies bij ISO-condities van m.s. ‘Skylge’ weergeven en in tabel 25 is het totaal rendement en emissies bij ISO-condities van de ‘Holland’ weergeven. (van der Meer, Bergsma, & Nicolai, 2014) Tabel 24: Totaal rendement en emissies bij ISO-condities van m.s. ‘Skylge’
Belasting 100% 85% 75% 46%
η totaal 49,5% 49,8% 48,7% 45,8%
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
SOₓ (g/kWh) 7,84 6,92 6,19 4,88
26
Tabel 25: Totaal rendement en emissies bij ISO-condities van de ‘Holland’
Belasting 60% 45% 30%
η totaal 36,8% 35,3% 33,3%
O2 (g/kWh ) 1653,0 2484,6 3704,1
CO (g/kWh ) 0,1570 0,2920 0,5241
NO (g/kWh ) 5,47 9,98 18,26
NO2 (g/kWh ) 0,48 0,99 2,45
NOX (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
CO2 (g/kWh ) 118,43 165,23 255,70
SOₓ (g/kWh) 0,376 0,385 0,324
Het is lastig om een één op één vergelijking met een oude en een moderne scheepsdieselmotor te maken, aangezien er te veel variabelen zijn. Met de laatste twee metingen van m.s. ‘Skylge’ en de eerste twee van de ‘Holland’ kunnen vergelijkingen worden gemaakt. Wat gelijk opvalt is dat een moderne scheepsdiesel een hoger totaal rendement heeft in vergelijking met een oude scheepsdieselmotor. Dit komt omdat er de laatste 60 jaar veel ontwikkelingen zijn geweest qua het verbeteren van het rendement en daardoor het brandstofverbruik naar beneden te brengen. Een groot verschil is de de turbocharger, zo geeft de turbocharger op de ‘Holland’ slechts 0,12 bar, en de turbocharger op de ‘Skylge’ wel 2,5 bar. Ook valt op dat de SOX emissies bij de m.s.’Skylge’ aanzienlijk hoger zijn dan de SOX emissies bij de ‘Holland’. Dit is te verklaren doordat er op de m.s. ‘Skylge’ LSHFO (Low Sulphur Heavy Fuel Oil) wordt gebruikt met een percentage van ± 1,0% zwavel en op de ‘Holland’ gasolie wordt gebruikt met een percentage van nog geen 0,1% zwavel. De NOX emissies zijn per g/kWh ook hoger aan boord van de ‘Holland’. Als de 45% belasting van de ‘Holland’ wordt vergeleken met de 46% belasting van m.s.’Skylge’ kan dus ook worden geconcludeerd dat een oude scheepsdieselmotor meer NOX uitstoot dan een moderne dieselmotor. Dit heeft te maken met het verschil in toerental, wat bij m.s. ‘Skylge’ aanzienlijk hoger ligt. Tot slot valt op dat bij de emissies het zuurstofpercentage hoger is en het CO2 percentage lager is bij de ‘Holland’ ten opzichte van de m.s. ‘Skylge’. Wat wijst op een slechter verbrandingsproces in de motor van de ‘Holland’.
27
5 Conclusie Door antwoord te geven op onderstaande deelvragen is het mogelijk om antwoord te geven op de centrale vraag. -
Wat zijn de emissie-eisen voor een modern schip? Voldoet de motor aan de huidige emissie-eisen als deze van toepassing waren geweest? Is er verschil met betrekking tot emissies tussen een scheepsdieselmotor van meer dan 60 jaar oud (de ‘Holland’) en een scheepsdieselmotor van bijvoorbeeld 6 jaar?
Deze deelvragen zijn in de vorige hoofdstukken behandeld alsmede de centrale vraag: -
Wat stoot zeesleepboot de ‘Holland’ uit aan emissies?
Dit is gedaan om op deze manier meer inzicht te verkrijgen naar de uitstoot om zo te kijken of oude scheepsdieselmotoren daadwerkelijk zo slecht presteren betreft emissies, wat veel mensen wel denken. Door de emissies te meten in drie verschillende toestanden namelijk ‘Vol’, ‘Half’ en ‘Langzaam’ zijn de volgende emissies berekend zoals weergeven in tabel 26. Tabel 26: Totaal rendement en emissies bij ISO-condities van de ‘Holland’
Belasting 60% 45% 30%
η totaal 36,8% 35,3% 33,3%
O2 (g/kWh ) 1653,0 2484,6 3704,1
CO (g/kWh ) 0,1570 0,2920 0,5241
NO (g/kWh ) 5,47 9,98 18,26
NO2 (g/kWh ) 0,48 0,99 2,45
NOX (g/kWh ) 8,88 16,28 30,48
CO2 (g/kWh ) 118,43 165,23 255,70
SOₓ (g/kWh) 0,376 0,385 0,324
Het is tijdens het onderzoek niet mogelijk gebleken om boven de 60% belasting emissies te meten, aangezien het schip gebouwd is als zeesleper. Wanneer er een sleep achter de ‘Holland’zou hangen of als het erg slecht weer was, zou de belasting omhoog gaan. Ook was het lastig om het toerental vast te stellen omdat de toerenteller defect was, bovendien was het lastig de belasting vast te stellen, dit is dus tot stand gekomen volgens het deskundige oordeel van de hoofdwerktuigkundige. Wat betreft SOX eisen voldoet de ‘Holland’wel aan de emissie-eisen. Betreffende de NOX emissieeisen voldoet de ‘Holland’niet in elke belastingstoestand. (Wanneer de NOX eisen van toepassing zouden zijn als de ‘Holland’ na 1 januari 1990 zou zijn gebouwd) De emissies van de ‘Holland’ zijn bepaald door een meting. Door te onderzoeken wat de emissieeisen zijn voor een modern schip kon worden gekeken of de motor van de ‘Holland’ voldoet aan de huidige emissie-eisen als dat van toepassing zou zijn. Er is ook onderzocht of er verschil is tussen een scheepsdieselmotor van meer dan 60 jaar oud (de ‘Holland’) en een scheepsdieselmotor van bijvoorbeeld 6 jaar oud (m.s. ‘Skylge’). Door het vergelijken met een ander onderzoek naar emissies op een schip kon er gezien worden of er een daadwerkelijk verschil in emissies is met betrekking op de leeftijd van een scheepsdieselmotor. Geconcludeerd kan worden dat de ‘Holland’ niet voldoet aan de emissie-eisen als deze zouden gelden voor de ‘Holland’. Een moderne motor presteert qua emissies beter dan de ‘Holland’. Er is een beter beeld is verkregen in de emissies van de ‘Holland’. 28
6 Referenties International: IMO marine engine regulations. Retrieved from https://www.dieselnet.com/standards/inter/imo.php
Kenniscentrum InfoMil. (2014). Retrieved from http://www.infomil.nl/onderwerpen/klimaatlucht/meten-rapporteren/meten-luchtemissies/l40-handleiding/5-herleiding/
Kuiken, K. (2011). Emissies bij dieselmotoren. Diesel motoren deel II (2e geheel herziene druk ed., pp. 140-173)
MARPOL. annex 13. (2008). Retrieved from http://www.schonescheepvaart.nl/downloads/regelgeving/doc_1362409220.pdf
Rohr, A. C., & Wyzga, R. E. (2012). Attributing health effects to individual particulate matter constituents. Atmospheric Environment, 62(0), 130-152. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.07.036
van der Meer, M. D., Bergsma, L., & Nicolai, S. M. J. (2014). Emissiemeting ‘M.S. skylge’
van Maanen, P. (2000). Dieselmotoren en het milieu. Scheepsdieselmotoren (Geheel herziene druk ed., pp. 2-35-2-41) Uitgeverij Nautech.
29
Appendix I: Gemeten waardes gebruikt bij de metingen Vermogen
Belasting (%)
Toerental (rpm)
Buitenluchtdruk (kPa)
Spoellucht druk (bar)
Inlaatlucht temperatuur (K)
Relatieve Luchtvochtighed spoellucht (%) 33
Uitlaatgassen temperatuur na de turbocharger (⁰C) 293
Brandstofverbruik (l/h)
318
Absolute luchtvochtigheid spoellucht (kg/kg) 0,02009
Vol
60
225
101,1
0,12
Half
45
140
101,1
0,08
321
0,02689
37,5
282
162
Langzaam
30
100
101,1
0,03
321
0,02540
35,5
234
90
212
30
