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Verfahren zur Schadstoffminderung

Für Schiffsmotoren und andere große Motoren gilt, dass die guten Wirkungsgrade vor allem durch hohe Gastemperaturen während der Verbrennung im Zylinder erreicht werden. Dadurch sinken die spezifischen Kraftstoffverbräuche und die CO2-Emissionen, andererseits steigern hohe Gastemperaturen und übliche Luftüberschüsse die Bildung von Stickstoffoxiden (NOx) erheblich. Dieser Zielkonflikt prägte insbesondere in den letzten Jahren die Entwicklung von Schiffsmotoren. Durch strengere Auflagen für Landanlagen (TA-Luft) stieg der relative Anteil der Schiffsmotoren an der globalen Luftverschmutzung beträchtlich. Man schätzt, dass sich deren NOx-Anteil von heute ca. 8% im Laufe der nächsten 10 Jahre verdoppeln wird. Dabei können die ab 2011 abgesenkten IMO-Grenzwerte durch innermotorische Maßnahmen eingehalten werden. Bei einer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte sind jedoch weitergehende Maßnahmen erforderlich. 

Die im Laufe der letzten Jahre von Motorenherstellern und mit der Thematik befassten wissenschaftlichen Einrichtungen entwickelten Verfahren können wie folgt unterteilt werden:

Verfahren zur Abgasnachbehandlung::

Ein Eingriff in den motorischen Prozess erfolgt nicht. In diese Kategorie ist die SCR-Katalyse einzuordnen. Die Motoren können weiterhin verbrauchsoptimiert betrieben werden. Die Rußentwicklung kann durch frühen Zündzeitpunkt und hohe Einspritzdrücke in Grenzen gehalten werden. Bei konventionellen Einspritzanlagen ergibt sich allerdings die Problematik des „Teillastqualmens“, verursacht durch niedrige Einspritzdrücke bei niedrigen Drehzahlen.

Dieses Problem kann durch den Einsatz von Einspritzsystemen, die auch bei niedrigen Drehzahlen einen ausreichenden Druck erzeugen, eliminiert werden (C.R.- oder HVD-Systeme). Wegen der damit verbundenen Kosten ist diese Lösung aber nicht zu den wirtschaftlichen Ansätzen für eine Nachrüstung zu rechnen.

Eine Beeinflussung anderer unerwünschter Emissionen außer NOx erfolgt nicht.  Die Verwendung von SCR-Katalysatoren ist relativ kostenintensiv, bedingt einen zusätzlichen Platzbedarf in der Anlage und verursacht ständige, nennenswerte zusätzliche Betriebskosten (Harnstoff).

In die gleiche Kategorie sind Rußfilter einzuordnen. In vielen Fällen können sich Platzprobleme ergeben. Besonders eine Nachrüstung bei bestehenden Anlagen dürfte damit problematisch sein.

Verfahren, die direkt in den motorischen Prozess eingreifen und diesen positiv (und evtl. auch negativ) beeinflussen können:

Zunächst gibt es Verfahren‚ die auf Grund ihrer Eigenarten nur für neue Motoren geeignet sind, da bei ihrem Einsatz ein erheblicher Anteil an Komponenten ausgetauscht werden muss und gegebenenfalls auch besondere Prüfstandserprobungen und Änderungen notwendig werden.

Hierzu gehören spezielle Einspritzverfahren mit der Tendenz, den thermodynamischen Prozessverlauf in Richtung optimierter Temperaturverläufe zu beeinflussen, bzw. den Gemischbildungsprozess mit ähnlicher Tendenz zu verändern.

Diese Möglichkeiten werden zwangsläufig schon wegen der hohen Kosten dem Einsatz bei Neumotoren vorbehalten bleiben müssen.

„Humid Air“-Systeme (HAM): In diesem Fall wird Wasser in die Ansaugluft eingebracht mit direkten Einwirkungen auf die NOx-Bildung ohne sonstige negative Einwirkungen auf den motorischen Prozess. Dieses Verfahren bedingt einen kompletten Umbau der gesamten Motorperipherie (Ladeluftkühler usw.) und kommt wegen des damit verbundenen Aufwandes am wenigsten für  nachträgliche Umrüstungen in Frage.

Ähnlich aufwendig und damit ebenfalls nicht für die nachträgliche Umrüstung geeignet dürfte die Abgasrückführung sein. Ganz abgesehen davon, dass im Schwerölbetrieb eine Anwendung nicht möglich ist. 

Ein Verfahren, das grundsätzlich für die Nachrüstung von in Betrieb befindlichen Anlagen geeignet ist, ist die:

Direkte Wassereinspritzung: Durch eine separate Düse parallel zur Kraftstoffeinspritzung. Dieses Verfahren ist bereits in größerem Umfang eingesetzt worden, so dass umfangreiche Erfahrungen vorliegen.

Das in den Zylinder eingebrachte Wasser dient allein der Temperaturabsenkung während der Verbrennung und hat auch negative Einflüsse auf die Verbrennung z. B. eine erhöhte Rußbildung und gegebenenfalls erhöhter Zylinderverschleiß infolge von Wasserbenetzung der Brennraumwände. Das Verfahren kommt daher unter dem Gesichtspunkt der Verminderung von Rußbildung sowie Absenkung von CO nicht in Frage. Es muss auf Grund der wenigen positiven und erheblichen negativen Auswirkungen auf den thermodynamischen Prozess zu den Verfahren mit Einfluss auf den thermodynamischen Prozess gezählt werden.

Zu den Möglichkeiten, die Wasser-Kraftstoff-Emulsion bieten, finden sie weitere Informationen hier.