Membranfilter für Schiffdieselmotoren (Keramische Membranfilter mit periodischer Druckstossreinigung zur Abgasnachbehandlung von Marinemotoren)

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: UTF 593.05.19

Schlüsselwörter (Deutsch)

DOC, DPF, Marinemotoren, Schwefelemissionen, NOx, Katalysator, Membranfilter, Druckwellen

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Marinemotoren emittieren weltweit auf hoher See ebenso viele Schadstoffe wie alle Strassenfahrzeuge weltweit zusammen, weil als Treibstoff bei Schiffen Schweröl verwendet wird. Dies hat Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit der Menschen. So sind Schadstoffemissionen von Marinemotoren unter anderem mitverantwortlich für das Abschmelzen der Polkappen durch Russ-Deposition.

Für den Abbau der Schwefelemissionen und der NOx-Emissionen bestehen zwar technische Ansätze, die in Küstennähe durch entsprechende internationale und nationale Vorschriften allmählich zum Einsatz gelangen, aber alle Versuche zur dauerhaften Eliminierung der Partikelemissionen sind bisher gescheitert. Dies weil die technischen Anforderungen sehr hoch sind und das im Marinesektor verwendete Schweröl als Treibstoff sehr hohe Schwefel- und Aschegehalte aufweist. Zudem tolerieren die 2-Takt-Marinemotoren, nur geringen Gegendruck, liefern sehr feuchten und klebrigen Russ und haben im Allgemeinen niedrige Abgastemperaturen, so dass die übliche thermische Regeneration der Filter nicht möglich ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Serviceintervalle sehr lang sind. Eine externe Aschereinigung des keramischen Membranfilters, wie heute bei Strassenfahrzeugen und Baumaschinen üblich, ist somit ausgeschlossen.

Das Projekt sieht eine abgestimmte Kombination von einem Schaumkatalysator (DOC) und einem keramischen Membranfilter (DPF) mit einem geeigneten Druckwellengenerator zur periodischen Reinigung vor. Das Verfahren greift bestehende Technologien auf, aber die gesamte Verfahrenstechnik ist in dieser Abgasumgebung nie erprobt worden. Daher ist die Demonstration der Machbarkeit wichtig. Ein Schwerpunkt liegt bei der Druckwellenerzeugung und Wellenausbreitung um den klebrigen Russ vom keramischen Membranfilter zu lösen.

Das Projekt wurde aufgrund des Beitragsgesuchs vom 17.05.2017 an der Sitzung der Koko UT vom 20.06.2017 mit Auflagen grundsätzlich als förderungswürdig eingestuft. Die Auflagen wurden erfüllt, so dass das Projekt danach genehmigt werden konnte.

Ergebnisse gemäss Vertrag (Deutsch)

1    Die periodische Reinigung des keramischen Membranfilters von Russ-, Asche- und Sulfatablagerungen durch Druckstösse von der Reinseite zur Rohgasseite hin ist rechnerisch modelliert und experimentell sowohl am Normaldiesel- als auch am Schwerölmotor erprobt. Auch die geometrische Auslegung des vorgeschalteten Schaumkatalysators, dessen katalytische Beschichtung und nötigenfalls Reinigung durch elektrische Beheizung ist am Normaldiesel- und am Schwerölmotor erprobt. Konstruktive Ideen zum Up-Scaling liegen vor.

2    Ein unterzeichnetes «Cooperation Agreement» zwischen dem Verein VERT und den Projektpartnern liegt vor.

3    Ein Vertrag, welcher die Rückzahlungsbedingungen zwischen dem Verein VERT und seinen Mitgliedern regelt, ist dem BAFU zugestellt und durch das BAFU genehmigt.

4    Laboruntersuchungen liefern zusätzliche Daten zur Konversion der DOC in Abhängigkeit von Temperatur und Raumgeschwindigkeit sowie zur Abreinigung des Filters in Abhängigkeit des energetischen Aufwandes sowie Anordnung der Druckstossgestaltung, sodass die Auslegung von Folgemodulen in einem iterativen Folgeschritt optimiert werden kann. Meilenstein 1.

5    Daten aus Abgastests an einem typischen 2-Takt-Marinemotors mit und ohne Schaumkatalysator belegen die Wirksamkeit des unter Ergebnis 1 entwickelten keramischen Membranfilters.

6    Die Pilotanlage bestehend aus mehreren keramischen Membranfiltern und dem vorgeschalteten Schaumkatalysator und sowie mit einem Druckwellengenerator ist konzipiert und betriebsbereit.

7    Abgastests an einem typischen 2-Takt-Marinemotoren belegen die Wirksamkeit der Pilotanlage hinsichtlich der Reduktion der Partikelemissionen um mehr als 90% (nach     der Anzahl) und der Kohlenwasserstoffe um mehr als 80% (nach der Masse) sowie der Entaschung am Normaldiesel- und am Schwerölmotor.

8    Ein Schlussbericht mit Darstellung der Ergebnisse aus 1 bis 7 und dem weiteren Vorgehen, insbesondere das Up-Scaling, ist redigiert und dem BAFU abgegeben.

9    Textbausteine, Illustrationen und mindestens 3 Fotografien für die Verwendung in öffentlichen Publikationen sind bereitgestellt und dem BAFU abgegeben.

10    Eine Präsentation der Ergebnisse mit entsprechender Power-Point Darstellung ist dem BAFU abgegeben und kann auf Nachfrage beim BAFU vorgetragen werden.

Projektziele (Deutsch)

Eine Pilotanlage mit abgestimmter Kombination von einem DOC und einem DPF mit einem geeigneten Druckwellengenerator zur periodischen Reinigung des keramischen Membranfilters ist für die Abgasnachbehandlung von 2-Takt-Marinemotoren modelliert und entwickelt.

Die Funktionsfähigkeit der Pilotanlage ist im Abgas eines typischen 2-Takt-Marinemotors getestet und beweist, dass Partikelemissionen um mehr als 90% (nach der Anzahl) und die Kohlenwasserstoffe um mehr als 80% (nach der Masse) reduziert und der Ascheaustrag optimiert werden können.

Beschreibung der Resultate (Deutsch)

Ein Konsortium, in dem das weltweite Know-How zu Filtration und Katalyse von Dieselabgasen gebündelt werden konnte, hat unter Führung von VERT die grosse Herausforderung zur Partikel-Eliminierung der Hochseeschifffahrt angenommen. Das neue Konzept besteht aus einem keramischen Membran-Zellenfilter, um auch die Schwermetall-Aschepartikel bei tiefen Temperaturen zu entsorgen, einem keramischen Schaumkatalysator, um das Verkleben des Systems zu verhindern und einer periodischen Druckpuls-Reinigung. Das System wurde zunächst im Dieselabgas mit stark erhöhtem Schwefel- und Schmierölgehalt experimentell erprobt und rechnerisch optimiert: dabei wurden eine Abscheidung von Russ- und Aschepartikeln zu > 99% bei akzeptablem Gegendruck nachgewiesen und Reinigung durch Druckpulse um >95% erreicht, die Verminderung der organischen Bestandteile blieb aber mit 50% unter dem Ziel.
Der geplante Betrieb mit Schweröl am Zweitakt-Marinemotor konnte leider nicht durchgeführt werden, aber es wurde ein guter Ersatz an einem Viertaktmotor mit Schwerölbetrieb gefunden. Die Katalysatoren haben diesem Einsatz nicht genügt, die Filter aber haben bestens funktioniert, wurden mit dem Schwerölruss über die üblichen Grenzen hinaus belegt und konnten danach durch Druckpulsation wieder gereinigt werden.
Der Funktionsnachweis ist also mit Einschränkungen gelungen. Weiterentwicklung der Katalyse und Nachweis am Zweitaktmotor mit Reinigung im Motorbetrieb bleiben nachzuholen.
Damit wurde ein neues System mit wichtigen Elementen für die hocheffizienten Reinigung des Abgases von Marinemotoren vorgestellt, das grundsätzlich für alle Motoren und Treibstoffe anwendbar ist und daher eine ausgedehnte Weiterentwicklung verdient.

Umsetzung und Anwendungen (Deutsch)

Die Innovation der Marinemotoren mit Schwerpunkt Wasserstoff wird auf Neubauten beschränkt bleiben. Das Umweltproblem der Flotte mit Laufzeiten von >30 Jahren wird dadurch kaum gemildert. Für die Umsetzung von Nachrüstlösungen aber ist es wichtig, dass die wesentlichen Komponenten industriell erprobt und zu vertretbaren Preisen verfügbar sind. Das ist inzwischen gegeben, da der Membranfilter nun in der chemischen Industrie eingesetzt wird.

Eine weitere Voraussetzung für die Umsetzung ist die Erprobung unter realistischen Bedingungen. Dazu würde es genügen, ein Modellsystem im Abgasbypass an Bord zu betreiben – warum nicht bei einem Schiff der Schweizer Hochseeflotte. Dabei ist an schrittweisen Aufbau von einfachen Applikationen (4-Takt, Leichtöl) zu den schwierigeren (2-Takt, Schweröl) gedacht. Diese Erprobung muss begleitet werden durch up-scaling Studien zusammen mit interessierten Anwendern. Dank der Steigerung der Rentabilität der Frachtschifffahrt und der Erhöhung des Umweltbewusstseins sollte es nun möglich sein, Partner zu finden. Ein einziger erfolgreicher Einsatz dieser Art wird die internationale Gesetzgebung beschleunigen.

Weiteres Vorgehen (Deutsch)

Da Zweitaktmotoren mit Schwerölbetrieb für Erprobungen an Land nicht mehr verfügbar sind, müssen die verbleibenden Entwicklungsaufgaben mit Dieselmotoren durchgeführt werden. Diese Arbeiten werden sich zunächst auf Testserien zur Abreinigungstechnik und Verbesserung der Katalyse konzentrieren, bis eine zuverlässige Wiederholungs-Qualität erreicht ist. Parallel erfolgt die Erarbeitung eines modularen Designs von parallel geschalteten Elementen, das an die Geometrie der Auspuffanlagen von Schiffen angepasst werden kann. Dieses System muss rechnerisch simuliert werden, wozu das Know How aus den bisherigen Arbeiten besteht. Danach kann die Erprobung im Einsatz erfolgen. Diese Weiterentwicklung, die unmittelbar an die bisherigen Arbeiten anschliessen kann, wird etwa 2 Jahre benötigen, aber mehr Mittel als bisher wegen der Notwendigkeit zahlreicher Wiederholungen benötigen. Ohne diese Pionierarbeit aber wird man nicht vorankommen, denn die Industrie wird diese Aufgaben erst übernehmen, wenn dieser Beweis erbracht und eine entsprechende Gesetzgebung formuliert ist, wie das Beispiel der Partikelfilter im Strassenverkehr gezeigt hat.