Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen. LTZT3 R.M. Essing

Transcriptie

1 Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen LTZT3 R.M. Essing 31 maart 2014

2

3 Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 8 oktober 2014 Auteur: LTZT3 R.M. Essing Begeleiders: Ir. H. Knoll Ir. I.P. Barendregt Militaire Systemen & Technologie Platformsystemen - Werktuigbouwkunde Bachelorscriptie Nederlandse Defensie Academie Koninklijk Instituut voor de Marine Den Helder

4

5 Samenvatting Onderzocht is de technische haalbaarheid van het aanpassen van de hydrografische opnemingsvaartuigen (HOV s) van de Koninklijke Marine voor het gebruik van Liquefied Natural Gas (LNG) als scheepsbrandstof. Het blijkt mogelijk te zijn de scheepsmotoren geschikt te maken voor het gebruik van LNG. Opslag van LNG is mogelijk in containers aan dek van de HOV s. Bij gebruik van LNG reduceren de gebruikskosten met één- tot twee honderdduizend euro per jaar. De kosten van het ombouwen zijn met deze reductie in gebruikskosten terugverdiend in minimaal twee en een half jaar tot negen jaar. Tevens is onderzocht hoe lang LNG bewaard kan blijven in een gesloten container en welke parameters hierop van invloed zijn. Het blijkt dat er een rechtlijnig verband heerst tussen de vullingsgraad en de bewaartijd, er blijkt ook een rechtlijnig verband op te treden tussen het aantal stralingsschilden en de bewaartijd. Tenslotte heeft het verhogen van de maximale druk van de container een positief effect op de bewaartijd. v

6

7 Abstract The conversion of the Royal Netherlands Navy hydrographic survey vessels to the usage of Liquefied Natural Gas (LNG) has been researched on a technical basis. The ships engines are capable to be converted to use Dual-Fuel, a mixture of natural gas and diesel. Storage of LNG in containers on deck of the hydrographic survey vessels is possible. Using natural gas reduces the usage costs, since LNG is a cheaper fuel than diesel. Using LNG results in a reduction of usage costs of one- to two hundred thousand euro per year, which results to a return on investment time of two and a half to nine years. On addition the holding time of LNG in a closed container is researched. Investigated is which parametres are of influence to the holding time of LNG. There is a proportional relation between the holding time and the filled fraction of the container, there also is a proportional relation between the number of radiation shields and the holding time. With rising temperatures, the holding time declines. Raising the maximum pressure of the container has a positive effect on the holding time. vii

8

9 Voorwoord Voor u ligt het verslag Liquefied Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen. Voor mij vormt dit verslag de afsluiting van de bacheloropleiding Militaire Systemen & Technologie aan het Koninklijk Instituut voor de Marine, onderdeel van de Nederlandse Defensie Academie. Met deze scriptie heb ik mijn opgedane kennis tijdens de opleiding aangewend om inzicht te verkrijgen in het gebruik van Liquefied Natural Gas, met name toegepast op de hydrografische opnemingsvaartuigen. Het onderwerp van dit onderzoek is in samenwerking met de Defensie Materieel Organisatie tot stand gekomen, waar ik zeer dankbaar voor ben. Ik hoop dat mijn onderzoek voor de organisatie relevante resultaten opgeleverd heeft. Ik wil graag mijn begeleiders Ir. H. Knoll van het Koninklijk Instituut voor de Marine en Ir. I.P. Barendregt van de Defensie Materieel Organisatie bedanken voor hun hulp en steun tijdens het uitvoeren van het onderzoek. 8 oktober 2014 Robbert Essing, Luitenant-ter-zee van de technische dienst der derde klasse ix

10

11 Inhoudsopgave Samenvatting Abstract Voorwoord Lijst van figuren Nomenclatuur v vii ix xiii xv 1 Inleiding Probleemstelling Doel van het onderzoek Opzet rapportage LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen De basis van LNG Eigenschappen van LNG LNG tegenover gebruikelijke scheepsbrandstoffen LNG als brandstof voor motoren Verschillende typen motoren Verhouding gas/diesel bij Dual-Fuel motoren Opslag van LNG aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen Opslag benedendeks Opslag aan dek Verdamperinstallatie Terugverdientijd van de ombouw Modelvorming Mogelijkheid tot hervullen Prijsverschil per container Kosten ombouw Terugverdientijd in verschillende scenarioś Richtlijnen opgesteld door de International Maritime Organization[24] Doel van de richtlijnen Eisen aan schip en ontwerp Eisen aan de motoren Eisen aan de opslag xi

12 3 Drukopbouw in een gesloten LNG container Inleiding Theorie Warmtestraling[25] Eigenschappen van stationaire warmtestraling[25] Stralingsnetwerk[25] Stralingsschilden[25] Thermodynamische eigenschappen van methaan Model Probleemvorming Implementatie in MatLab Resultaten Invloed van vullingsgraad Invloed van aantal stralingsschilden Invloed van buitentemperatuur Invloed van maximaal toelaatbare druk Controle van aannames Conclusies en aanbevelingen 51 Bibliografie 53 A Berekening van de terugverdientijd van de ombouw 57 B Berekening van de drukopbouw in een gesloten LNG container 61

13 Lijst van figuren 2.1 Brandbaarheid methaan[5] Emissies van LNG vergeleken met diesel[7] Prijsontwikkeling LNG, HFO en MDO tot 2030[8] Rendement gasmotor versus dieselmotor[9] Low Pressure Dual-Fuel systeem met venturi[10] Low Pressure Dual-Fuel systeem met injectoren[12] High Pressure Dual-Fuel systeem[12] Overzicht van containerposities van de hydrografische opnemingsvaartuigen[17] Verdampervermogen tegen de scheepssnelheid Asvermogen tegen scheepssnelheid Prijsontwikkeling F Het elektromagnetisch spectrum Voorstelling van straling Gedachtenexperiment voor het afleiden van Kirchhoff s gelijkheid Analogie met de wet van Ohm voor berekeningen aan stralingsnetwerken Voorstellingen van warmtestraling op een oppervlak Voorstellingen van ruimteweerstand Netwerkelementen van oppervlakteweerstand (a) en ruimteweerstand (b) Netwerk voor twee oppervlakken die warmte met elkaar uitwisselen door middel van straling Stationaire straling tussen twee oppervlakken zonder (a) en met stralingsschild (b) Netwerkmodel voor straling tussen twee oppervlakken gescheiden door een stralingsschild Stralingsweerstand en warmtestroom tegen het aantal stralingsschilden Dampdrukcurve van methaan Situatieschets bij methaan in een afgesloten tank Drukopbouw in gesloten LNG container ten gevolge van warmtestroom door straling Bewaartijd tegen vullingsgraad voor verschillende stralingsschild materialen Bewaartijd tegen aantal stralingsschilden voor verschillende stralingsschild materialen Bewaartijd tegen buitentemperatuur voor verschillende stralingsschild materialen Bewaartijd tegen maximale druk voor verschillende stralingsschild materialen 48 xiii

14

15 Lijst van symbolen A Oppervlakte [m 2 ] E Energie per kwantum [J] E Energiedichtheid [ W ] m 2 G Bestraling [ W ] m 2 J Uitstraling [ W ] m 2 L Lengte [m] LHV Onder-verbrandingswaarde [ kj kg ] P Vermogen [kw ] Q Warmte [kj] Q Warmtestroom [kw ] T Temperatuur [K] U Inwendige energie [kj] V Volume [m 3 ] f Frequentie [s 1 ] h Specifieke enthalpie [ kj kg ] m Massa [kg] ṁ Massastroom [ kg s ] p Druk [P a] q Specifieke warmte [ kj kg ] q Warmteflux [ W ] m 2 r Straal [m] sf c Specifiek brandstofverbruik [ kw h ] J u Energiedichtheid [ u Specifieke inwendige energie [ kj kg ] x Dampgehalte [ ] v H Verdampingswarmte [ kj kg ] α Absorptie [ ] ɛ Emissiviteit [ ] η Rendement [ ] λ Golflengte [m] ν Specifiek volume [ m3 kg ] ρ Dichtheid [ kg ] m 3 ρ Reflectie [ ] τ Transmissie [ ] g molekuul K ] xv

16

17 Hoofdstuk 1 Inleiding Het internationaal verdrag ter voorkoming van verontreiniging door schepen is een conventie van de International Maritime Organization (IMO). Het verdrag wordt kortweg MARPOL 73/78 genoemd, refererend naar het jaartal waarin het is ondertekend (1973) en het jaar waarin het in werking is getreden (1978). Hedendaags is het verdrag door 136 landen ondertekend, deze 136 landen vertegenwoordigen 98% van het vervoer per schip gemeten naar gewicht. Naast een wettekst en protocollen bevat het MARPOL 73/78 verdrag een zestal technische bijlagen, deze bijlagen bevatten de voorschriften ter voorkoming van verontreiniging door schepen. Elke bijlage bevat voorschriften ter voorkoming van een op zichzelf staande bron van verontreiniging, waarbij de zesde bijlage (Annex VI ) voorschriften bevat ter voorkoming van luchtverontreiniging door schepen. De zesde bijlage bevat verschillende verordeningen, waarbij de 13 e verordening regels bevat betreffende de stikstofoxide(nox)-uitstoot van schepen en verordening 14 regels bevat betreffende de zwaveloxide(sox)-uitstoot van schepen. Per oktober 2008 is MARPOL Annex VI herzien en verscherpt[1]. Met de in oktober 2008 aangenomen verscherping van MARPOL Annex VI zijn er zeer strenge eisen gesteld aan de stikstofoxide-uitstoot en zwaveloxide-uitstoot van schepen, vooral in zogenaamde Emission Control Areas (ECA). Een Emission Control Areas waar de schepen van de Koninklijke Marine zich veelvuldig begeven is de Noordzee. De emissie-eisen binnen een ECA -ook wel genoemd de Tier III eisen- zijn dusdanig streng dat zonder aanpassing de huidige generatie dieselmotoren niet voldoen. Hoewel bestaande schepen zich niet hoeven te houden aan de emissie-eisen zoals aangenomen in de herziening van MARPOL Annex VI is er binnen de commerciële vaart veel vraag naar technieken om bestaande schepen aan te passen zodanig dat ze voldoen aan de strengere emissie-eisen. Het geeft bedrijven de kans om zich te profileren, de kans om te bewijzen dat ze begaan zijn met het milieu en tegelijkertijd innovatief zijn.

18 Hoofdstuk 1. Inleiding 1.1 Probleemstelling De Koninklijke Marine wil laten zien dat ze milieubewust en tegelijkertijd innovatief is. Om dit te bewijzen wordt onderzocht hoe de uitstoot van de hydrografische opnemingsvaartuigen gereduceerd kunnen worden. Er zijn verschillende methoden om de emissies van bestaande schepen te reduceren. Ten eerste kan door het toepassen van uitlaatgas nabehandeling zonder ingrijpende aanpassingen aan de motoren worden voldaan aan de Tier III eisen. De tweede optie is het gebruik van schonere brandstof, zoals schonere dieselolie of het gebruik van aardgas. Doordat er bij het toepassen van uitlaatgas nabehandeling geen ingrijpende aanpassingen aan de motoren verricht hoeven te worden, ligt deze optie op het eerste gezicht het meest voor de hand. Echter kleven hier een aantal nadelen aan. Ten eerste is er een tweetal afzonderlijke installaties benodigd, namelijk een selectieve kalalysator (SCR) om de stikstofoxiden te verwijderen en een scrubber om zwaveloxiden te verwijderen[2]. Ten tweede nemen de afzonderlijke installaties veel ruimte in beslag, in de schoorsteen moet zowel de katalysator als de scrubber geplaatst worden en er moet opslagruimte gevonden worden voor zowel nieuw als gebruikt scrubbing materiaal. Tenslotte zitten er grote investeringskosten verbonden aan het toepassen van uitlaatgas nabehandeling en neemt het totale rendement af, waardoor de gebruikskosten toenemen[3]. Aan de tweede optie, namelijk het gebruik van schonere brandstof kleven ook een aantal nadelen. Zo kan door het gebruik van schonere dieselolie enkel de uitstoot van zwaveloxiden gereduceerd worden, waardoor alsnog een selectieve katalysator benodigd is. Bij het gebruik van aardgas dient het schip vrij ingrijpend aangepast te worden. De motoren moeten aangepast worden op het gebruik van aardgas, er moet ruimte gevonden worden voor de gastank, er moet een gasstraat aangelegd worden om het gas (veilig) bij de motoren te krijgen, er moet een vulinstallatie geplaatst worden om het aardgas te laden, er moet een verdamper geplaatst worden om het (vloeibare) aardgas te verdampen en tenslotte moeten er een veelheid aan veiligheids- en regelsystemen geïmplemnteerd worden om de veiligheid van schip en bemanning te garanderen. 1.2 Doel van het onderzoek Om de Koninklijke Marine meer inzicht te verschaffen in het gebruik van Liquefied Natural Gas (LNG) als scheepsbrandstof wordt onderzocht welke aanpassingen aan de hydrografische opnemingsvaartuigen gedaan moeten worden om deze geschikt te maken voor het gebruik van LNG. De hoofdvraag luidt dan ook: Is het haalbaar om de hydrografische opnemingsvaartuigen van de Koninklijke Marine aan te passen op het gebruik van LNG als scheepsbrandstof? Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 2

19 1.3. Opzet rapportage Door middel van literatuuronderzoek is onderzocht welke aanpassingen de hydrografische opnemingsvaartuigen moeten ondergaan om te kunnen varen met LNG als scheepsbrandstof. Tevens is er een programma geschreven om een indruk te krijgen van de terugverdientijd van de ombouw. Een tweede programma is er geschreven om inzicht te krijgen in de drukopbouw in een gesloten LNG container. Wat betreft de haalbaarheid van de ombouw wordt er enkel aandacht besteed aan de technische haalbaarheid. De terugverdientijd beperkt zich enkel tot de kosten van de ombouw en de reductie in gebruikskosten bij het gebruik van LNG. Tevens worden de logistieke gevolgen niet onderzocht, uit nader onderzoek zal moeten blijken hoe de hydrografische opnemingsvaartuigen van LNG worden voorzien en of het misschien rendabel is LNG te bunkeren op de Nieuwe Haven. Er zijn meerdere redenen om het onderzoek te beperken tot enkel de hydrografische opnemingsvaartuigen. Ten eerste hebben de hydrografische opnemingsvaartuigen een vrij constant vaarprofiel, de schepen die hedendaags op LNG varen zijn voornamelijk tankers en ferry s. Schepen met een zeer constant vaarprofiel. Ten tweede begeven de hydrografische opnemingsvaartuigen zich veel op de Noordzee, een Emission Controled Area. 1.3 Opzet rapportage Allereerst is door middel van literatuuronderzoek onderzocht welke aanpassingen de hydrografische opnemingsvaartuigen moeten ondergaan om op LNG te kunnen varen. Onderzocht wordt welke aanpassingen de motoren dienen te ondergaan, wat de meest geschikte locatie voor het plaatsen van de LNG opslagtanks is en hoeveel capaciteit deze tanks moeten hebben. Door middel van een ontwikkeld MatLab-programma is onderzocht na hoeveel jaren de kosten van de ombouw zich terug verdiend hebben. Tevens is er een MatLab-programma geschreven om inzicht te krijgen in de drukopbouw in een gesloten container met LNG. Onderzocht is hoe de warmtestroom naar de container verloopt en wat er ondernomen kan worden om deze warmtestroom te beperken en zo een langere bewaartijd te bewerkstelligen. In hoofdstuk twee zal behandeld worden hoe LNG gebruikt kan worden als scheepsbrandstof. Onderzocht is wat de voordelen zijn ten opzichte van diesel, wat de beste positie is om LNG op te slaan aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen, na hoeveel jaren de ombouw zich terug verdiend heeft en tenslotte worden enkele belangrijke richtlijnen betreffende het gebruik van LNG aan boord van schepen behandeld. Hoofdstuk drie behandeld de modelvorming voor de drukopbouw in een gesloten LNG container. Het hoofdstuk begint met de theorie achter straling en opwarming van een twee-fasig mengsel in een gesloten container. Het hoofdstuk sluit af met de belangrijkste resultaten zoals voortgekomen uit het ontwikkelde programma. Tenslotte zijn de conclusies uit het onderzoek en aanbevelingen voor vervolgonderzoek opgenomen in hoofdstuk vier. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 3

20

21 Hoofdstuk 2 LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen In dit hoofdstuk wordt behandeld wat de conversie van de hydrografische opnemingsvaartuigen naar het gebruik van LNG als scheepsbrandstof voor gevolgen heeft. Het hoofdstuk begint met de eigenschappen van LNG. Vervolgens wordt behandeld hoe LNG als brandstof voor motoren gebruikt kan worden. Voor de hydrografische opnemingsvaartuigen wordt een geschikte lokatie gezocht om het LNG aan boord op te slaan. Vervolgens wordt er aan de hand van een MatLabprogramma berekend na hoeveel jaren de investeringskosten van de ombouw terugverdiend zijn. Het hoofdstuk sluit af met de belangrijkste door de International Maritime Organization opgestelde richtlijen voor het gebruik van LNG aan boord van schepen. 2.1 De basis van LNG In deze paragraaf zal ten eerste behandeld worden wat LNG is en welke chemische en fysische eigenschappen het heeft. Vervolgens wordt LNG als scheepsbrandstof vergeleken met dieselolie Eigenschappen van LNG Liquefied Natural Gas is een aardgas dat voor opslag en transport vloeibaar gemaakt wordt. Bij atmosferische druk neemt het volume van het gas een factor 600 af als het opgeslagen wordt als vloeistof, ofwel als LNG. Afhankelijk van de samenstelling wordt het gas vloeibaar bij ongeveer -162[ C] en atmosferische druk. Door de lage temperatuur van LNG valt het onder de cryogene vloeistoffen. LNG is een geurloze, kleurloze, niet corrosieve en niet toxische vloeistof. De chemische samenstelling van LNG is afhankelijk van het gebied waar het gewonnen wordt en de manier waarop het verwerkt wordt[4]. De voornaamste component uit LNG is methaan, verder bevat het ethaan, propaan, butaan, kleine hoeveelheden zwaardere koolwaterstoffen en onzuiverheden zoals stikstof, zwavelstofverbindingen, water, koolstofdioxide en waterstofsulfide. Voordat LNG vloeibaar wordt gemaakt worden de onzuiverheden bijna volledig verwijderd, zodat er

22 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen een mengsel ontstaat van enkel koolwaterstoffen. Afhankelijk van de locatie waar het LNG gewonnen wordt verschilt de samenstelling, zie tabel 2.1 voor de verschillende componenten van LNG en de bijbehorende volumefractie. Tabel 2.1: Samenstelling van LNG[4] Stof Chemische formule Lage concentratie Hoge concentratie Methaan CH 4 87% 99% Ethaan C 2 H 6 <1% 10% Propaan C3H 8 >1% 5% Butaan C 4 H 10 >1% >1% Stikstof N 2 0.1% 1% Zwaardere koolwaterstoffen Verschillende Nihil Nihil De dichtheid van LNG is afhankelijk van de samenstelling en ligt tussen de 430 [ kg ] en 470 m 3 [ kg ]. Doordat de dichtheid van LNG ruim twee keer kleiner is dan de dichtheid van water zal m 3 het blijven drijven wanneer het in zee lekt. Doordat de in zee gelekte LNG zal verdampen hoeft er geen actie ondernomen te worden om het LNG op te ruimen, wel moet het vrijkomen van LNG in de atmosfeer voorkomen worden aangezien methaan een broeikasgas is. Door het gebrek aan zuurstof is LNG als vloeistof niet brandbaar. Als gas is LNG wel brandbaar, doordat het zich vermengt met de aanwezige lucht. Wanneer de volumefractie van methaan de 5% bereikt bestaat er kans op ontbranding indien er een ontstekingsbron nabij is. Bij een concentratie lager dan 5% is het mengsel van methaan en lucht te arm waardoor er geen kans is op ontbranding, zie figuur 2.1. De zelfontstekingstemperatuur van LNG is aanzienlijk hoog vergeleken met de zelfontstekingstemperatuur van diesel. De zelfontstekingstemperatuur van diesel ligt afhankelijk van de samenstelling tussen de 260 en 371 C, de zelfontstekingstemperatuur van LNG ligt tussen de 540 C en 600 [4]. Figuur 2.1: Brandbaarheid methaan[5] Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 6

23 2.1. De basis van LNG LNG tegenover gebruikelijke scheepsbrandstoffen De energiedichtheid per kilogram van LNG is vergelijkbaar met de energiedichtheid van diesel. Echter is door de lagere dichtheid van LNG de energiedichtheid per liter LNG bijna een factor twee kleiner, zie tabel 3.4 voor de energiedichtheid en dichtheid van diesel en LNG. Doordat de energiedichtheid van LNG bijna een factor twee kleiner is, is een bijna tweemaal groter opslagvolume benodigd als bij diesel. Tabel 2.2: Energiedichtheid en dichtheid van diesel en LNG[6] Brandstof LHV [MJ/kg] Dichtheid [kg/liter] LHV [MJ/liter] Diesel 42,70 0, ,30 LNG 49,51 0, ,04 Een groot voordeel aan het gebruik van LNG als scheepsbrandstof is de grote reductie in emissies vergeleken met de huidige scheepsbrandstoffen. Voor een typische mediumspeed motor na 2000 zonder uitlaatgasnabehandeling neemt bij gebruik van enkel LNG de NO x uitstoot met 80-90% af, de CO 2 uitstoot neemt met 20-25% af en de uitstoot van SO x en roetdeeltjes is vrijwel nul. Zie ook tabel 2.3 en figuur 2.2 [7]. Tabel 2.3: Emissies van LNG en dieselolie Brandstof SO x (g/kwh) NO x (g/kwh) Roetdeeltjes (g/kwh) CO 2 (g/kwh) Zware olie 3,5% S 13, , Gasolie 0,5% S 2, ,25-0, Diesel <0,1% S 0, ,15-0, LNG Figuur 2.2: Emissies van LNG vergeleken met diesel[7] Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 7

24 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Het tweede grote voordeel van LNG is de prijs. Figuur 2.3 toont de ontwikkeling van de marktprijs in de Verenigde Staten van LNG, MDO en HFO tot 2030 zoals berekend door de U.S. Energy Information Administration (EIA)[8]. Gezien het een onderzoek uit de Verenigde Staten betreft, zijn de prijzen weergeven per miljoen Britisch Thermal Unit [MMBT U]. Voor $ LNG is rekening gehouden met 6[ MMBT U ] additionele kosten voor distributie en opslag. Over de gehele looptijd is de prijs van LNG inclusief additionele kosten tussen de 60 en 70% van de prijs van HFO en tussen de 40 en 50% van de prijs van MDO. Figuur 2.3: Prijsontwikkeling LNG, HFO en MDO tot 2030[8] 2.2 LNG als brandstof voor motoren Een groot nadeel aan het gebruik van LNG is de hoge zelfontstekingstemperatuur ten opzichte van diesel. Door de hoge zelfonbrandingstemperatuur zal LNG niet ontbranden in onaangepaste dieselmotoren. Oplossingen hiervoor zijn gevonden in twee richtingen. Ten eerste zijn er de zogenaamde gasmotoren, deze zijn uitgerust met een bougie voor de ontsteking en werken op 100% LNG. Verder zijn er de Dual-Fuel motoren. Dual-Fuel motoren zijn aangepaste dieselmotoren waarbij een kleine hoeveelheid diesel wordt gebruikt om de LNG te ontsteken, deze motoren werken op 70 tot 90% LNG[7] Verschillende typen motoren Er zijn drie verschillende motoren geschikt voor het gebruik van LNG als brandstof. Ten eerste is er de gasmotor. Vervolgens zijn er de Dual-Fuel motoren, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen Low Pressure Dual-Fuel en High Pressure Dual-Fuel. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 8

25 2.2. LNG als brandstof voor motoren Gasmotoren De gasmotor maakt gebruik van 100% LNG als brandstof. Door de hoge zelfontstekingstemperatuur van LNG moet de motor uitgerust worden met bougies voor de ontsteking[6]. Voordeel van de hoge zelfonstekingstemperatuur van LNG is dat er gebruik gemaakt kan worden van een hogere compressieverhouding. Met het verhogen dan de compressieverhouding zal het rendement toenemen, zie figuur 2.4 voor het motorrendement van de gasmotor en de dieselmotor[9]. Doordat de gasmotor gebruik maakt van 100% LNG heeft de gasmotor in principe de laagste uitstoot van de verschillende varianten en voldoet aan de IMO Tier III eisen. Helaas is het niet mogelijk om een bestaande dieselmotor om te bouwen tot gasmotor waardoor deze optie niet geschikt is voor de hydrografische opnemingsvaartuigen. Figuur 2.4: Rendement gasmotor versus dieselmotor[9] Low Pressure Dual-Fuel motoren De zogenaamde Low Pressure Dual-Fuel (LPDF) motoren zijn aangepaste dieselmotoren. LNG wordt onder lage druk toegevoegd aan de inlaatlucht. Doordat het een aangepaste dieselmotor betreft zal de motor in staat blijven gebruik te maken van enkel diesel als brandstof. Als gevolg hiervan zal de compressieverhouding niet verhoogd kunnen worden en zal het rendement gelijk blijven aan de conventionele dieselmotor. Er bestaan twee varianten van de LPDF motor, afhankelijk van de manier waarop het LNG wordt toegediend aan de inlaatlucht. Het eerste Nederlandse binnenvaartschip op LNG is uitgerust met een Caterpillar motor die gebruik maakt van een venturi om het LNG toe te voegen aan de inlaatlucht, zie figuur 2.5[10][11]. Nadeel van dit systeem is dat het brandbare/explosieve mengsel van LNG en lucht nog een weg af te leggen heeft door de turbo en het inlaatkanaal voordat het ontstoken wordt door injectie van een kleine hoeveelheid diesel. Groot voordeel aan dit systeem is dat er geen grote aanpassingen verricht hoeven te worden aan de motor. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 9

26 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen De tweede methode om LNG toe te dienen bij een LPDF motor is door middel van lage druk (4-5 bar) injectoren in het inlaatkanaal, zo dicht mogelijk bij de inlaatklep[12], zie figuur 2.6. Het grote voordeel aan dit systeem is dat de brandstof zo laat mogelijk vermengd wordt met de lucht, wat het systeem veiliger maakt. Groot nadeel is dat deze optie een uitgebreide aanpassing van de motor met zich meebrengt gezien de gehele kop vervangen of aangepast dient te worden. Figuur 2.5: Low Pressure Dual-Fuel systeem met venturi[10] Figuur 2.6: Low Pressure Dual-Fuel systeem met injectoren[12] Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 10

27 2.2. LNG als brandstof voor motoren High Pressure Dual-Fuel motoren High Pressure Dual-Fuel (HPDF) motoren zijn aangepaste dieselmotoren. Ook bij High Pressure Dual-Fuel motoren zal de compressieverhouding niet verhoogd kunnen worden, waardoor het rendement onveranderd zal blijven. Onder hoge druk ( bar) en gelijktijdig met de diesel wordt gasvormig LNG ingespoten in de cilinder, zie figuur 2.7. Groot voordeel van deze methode is dat het gebruik maakt van reeds beschikbare technologie en dat het aanpassen van dieselmotoren naar HPDF een vrij eenvoudige modificatie is. Groot nadeel van deze methode is dat er niet wordt voldaan aan de IMO Tier III eisen wat betreft uitstoot van NO x [12]. Figuur 2.7: High Pressure Dual-Fuel systeem[12] Verhouding gas/diesel bij Dual-Fuel motoren Alle Dual-Fuel motoren kunnen op 100% diesel werken, op 100% gas echter niet. Belangrijk is om de hoeveelheid ingespoten diesel te minimaliseren aangezien de diesel de meest ongunstige emissies geeft en de duurdere brandstof van de twee is. In de literatuur zijn uiteenlopende waarden te vinden voor de verhouding gas/diesel bij Dual-Fuel motoren. In het rapport Haalbaarheiddstudie Boomkorvissen op aardgas uit 2009 wordt geschreven van een verhouding gasolie/gas van 30/70[6]. Het rapport LNG als scheepsbrandstof: ervaringen en perspectieven uit Noorwegen, ook uit 2009 schrijft van een verhouding 80 tot 90% LNG. Twee jaar later, in 2011 wordt in het rapport LNG als brandstof voor de binnenvaart geschreven over ook een maximale gastoevoer van 80 tot 90%[?]. Zelfs bronnen die over dezelfde motor rapporteren geven verschillende cijfers. Betreffende het eerste binnenvaartschip op aardgas wordt er in geschreven over zeker 65% aardgas [11], waar Caterpillar zelf spreekt van 80% aardgas[13]. Uitschieter is echter Wärtsilä, met waarden van van less than 1% diesel fuel injected voor alle drie series Dual-Fuel motoren met vermogens van 1 [MW] tot 17 [MW][14][15][16]. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 11

28 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Aangezien de waarden die Wärtsilä opgeeft gaan over nieuw ontworpen motoren geoptimaliseerd voor Dual-Fuel bedrijf wordt deze waarde als te optimistisch beschouwd voor de ombouw van een bestaande motor naar Dual-Fuel. Wel is deze waarde van 1% diesel zeer interessant voor nieuwbouw van schepen. Gezien het feit dat het om een ombouw van een bestaande motor gaat, zijn de omstandigheden vergelijkbaar met het eerste binnenvaartschip op aardgas waarvoor Caterpillar een waarde van 80% aardgas opgeeft. Aangezien de hydrografische opnemingsvaartuigen uitgerust zijn met vergelijkbare motoren van de fabrikant Caterpillar wordt aangenomen dat een waarde van in ieder geval 70% gas haalbaar is voor de hydrografische opnemingsvaartuigen. 2.3 Opslag van LNG aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen Voor het bepalen van een geschikte lokatie voor de opslag van LNG aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen worden twee scenario s uitgewerkt. Eerst wordt berekend wat het effect is van opslag benedendeks in een bestaande brandstoftank. Vervolgens wordt de mogelijkheid voor opslag aan dek uitgewerkt Opslag benedendeks Bij nieuwbouw van schepen uitgerust met een LNG installatie wordt de LNG opslagtank veelal benedendeks ingebouwd. Bij ombouw van een bestaand schip is deze benedendekse opslag van LNG meestal niet mogelijk. Doordat LNG een bijna tweemaal kleinere energiedichtheid heeft per volume-eenheid dan diesel, is het benodigde opslagvolume een factor twee groter. Ook moet er rekening gehouden worden met het feit dat LNG opgeslagen wordt in cylindrische tanks. Deze cylindrische tanks worden ingebouwd in een rechthoekige ruimte, waardoor er opslagvolume niet benut kan worden. Om het voorgaande te bewijzen wordt uitgerekend wat het effect is van het inbouwen van een LNG opslagtank in de scheepsgeïntegreerde brandstoftank van de hydrografische opnemingsvaartuigen, zie onderstaande formules. De scheepsgeïntegreerde brandstoftank van de hydrografische opnemingsvaartuigen hebben een capaciteit van 334 ton dieselolie, het volume van deze tank is de capaciteit gedeeld door de dichtheid van diesel, zie formule 2.1. V tank = m diesel ρ diesel = 334 0, 85 = 392, 94 [m3 ] (2.1) Ervan uitgaande dat de tank kubusvormig is, is de lengte van de zijden gelijk aan de derdemachtswortel van het volume, zie formule 2.2. L tank = 3 392, 94 = 7, 324 [m] (2.2) Het volume van een bol passende in deze kubusvormige ruimte is: V bol = 4 3 πr3 = π(7, ) 3 = 205, 74 [m 3 ] (2.3) 2 Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 12

29 2.3. Opslag van LNG aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen De massa LNG in dit bolvormige volume is: m LNG = V bol ρ LNG = 205, 74 0, 4250 = 84, 44 [ton] (2.4) Vervolgens wordt de equivalente massa dieselolie berekend door de massa LNG te vermenigvuldigen met de verhouding tussen de energiedichtheden, zie formule 2.5. m diesel = m LNG LHV LNG 49, 51 = 84, 44 = 97, 9 [ton] (2.5) LHV diesel 42, 70 De equivalente massa dieselolie is met 97,9 ton maar 29% van de originele massa dieselolie, wat betekent dat de energie-inhoud van de scheepsgeïntegreerde brandstoftanks bij gebruik van LNG maar 29% bedraagt van de situatie waarin de tank gevuld wordt met diesel. Door de reductie van energie-inhoud zal het bereik afnemen en zullen de hydrografische opnemingsvaartuigen niet meer kunnen voldoen aan de gestelde eisen ten aanzien van de actieradius. Niet alleen bewijst voorgaande rekenvoorbeeld dat benedendeks opslag van LNG niet mogelijk is voor de hydrografische opnemingsvaartuigen doordat de schepen niet meer voldoen aan de gestelde eisen betreffende de actieradius. Ook is benedendeks opslag van LNG niet mogelijk voor de hydrografische opnemingsvaartuigen omdat deze één scheepsgeïntegreerde brandstoftank hebben, door deze tank op te offeren voor opslag van LNG blijft er onvoldoende capaciteit over voor opslag van dieselolie Opslag aan dek Voor opslag van LNG aan dek zijn de hydrografische opnemingsvaartuigen zeer geschikt, doordat de hydrografische opnemingsvaartuigen uitgerust zijn met een twaalftal containerposities voor 20-voets containers. Op het werkdek voor is het zelfs mogelijk om met minimale aanpassingen 40-voets containers te plaatsen doordat de containerposities achter elkaar liggen. Zie figuur 2.8 voor een overzicht van de containerposities van de hydrografische opnemingsvaartuigen: de posities met een belasting van maximaal 12 ton zijn geel gemarkeerd, de posities met een belasting tot 16 ton blauw en tenslotte de posities tot maximaal 24 ton rood. Voor de keuze van een geschikte positie dient er niet alleen rekening gehouden te worden met de maximale belasting van de afzonderlijke containerposities, ook dient er rekening gehouden te worden met de totale deklast. Op het achterdek mag maximaal 24 ton geplaatst worden, op het voordek maximaal 72 ton. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 13

30 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Figuur 2.8: Overzicht van containerposities van de hydrografische opnemingsvaartuigen[17] Voor de keuze van de opslagtanks zijn verschillende opties mogelijk, eerst moet er een keuze gemaakt worden tussen het gebruik van 20-voets of 40-voets containers. Het voordeel van 20-voets containers is dat deze in principe zonder aanpassingen op het schip geplaatst kunnen worden. Bij gebruik van de 40-voets container zullen twee aansluitende containerposities aangepast moeten worden. De eigenschappen van de 20-voets en 40-voets containers zijn weergeven in tabel 2.4. Tabel 2.4: Eigenschappen van LNG containers[18] Type Inhoud [L] Massa container [kg] Massa LNG [kg] Totale massa [kg] Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 14

31 2.3. Opslag van LNG aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen Het plaatsen van een LNG container op het achterdek van de hydrografische opnemingsvaartuigen is niet mogelijk door de maximale belasting van 12 ton per containerpositie op het achterdek. Op het voordek kan zonder aanpassingen één 20-voets container geplaatst worden op de positie met een maximale last van 24 ton, ook in het container ruim zou zonder aanpassingen één 20-voets container geplaatst kunnen worden. Het wordt mogelijk geacht de 16 tons containerposities aan te passen aan een maximale belasting van 17 ton, waardoor de 20-voets containers op elke positie op het voordek te plaatsen zijn. Ook wordt het mogelijk geacht om één 40-voets container te plaatsen op twee containerposities. Gezien het feit dat de totale maximale belasting op het voordek 72 ton is, wordt het niet haalbaar geacht om meer dan één 40-voets of meer dan twee 20-voets containers te plaatsen. Twee 20-voets containers hebben een totale massa van 34 ton, wat betekend dat er voor het plaatsen van materiaal benodigd voor het uitvoeren van hydrografische opnemingswerkzaamheden 38 ton deklast beschikbaar is. Een verdere reductie van deze overgebleven deklast zal teveel beperkingen leggen op het meenemen van benodigd materiaal en daarmee beperkingen leggen op de operationele inzetbaarheid van het schip Verdamperinstallatie Om de LNG te kunnen gebruiken als brandstof dient het verdampt te worden, waarvoor een verdamperinstallatie benodigd is. Het vermogen van de verdamperinstallatie is te berekenen door de massastroom LNG te vermenigvuldigen met de verdampingswarmte van LNG. De verdampingswarmte van LNG ( v H LNG ) is 512 [ kj kg ]. Met behulp van de programmeeromgeving MatLab is een programma geschreven om onder meer het vermogen van de verdamperinstallatie te berekenen. Het model zal in paragraaf toegelicht worden, in bijlage A is het model opgenomen. Om ervoor te zorgen dat de verdamper in ieder geval genoeg vermogen heeft, is uitgegaan van de situatie waarin zoveel mogelijk LNG verbruikt wordt. Aangenomen is dat 80% van de warmte-invoer in de cilinders afkomstig is van LNG, er wordt op maximale vaart van 13,6 knopen gevaren en het elektrisch verbruik is 250 [kw ]. Bij deze condities is de massastroom LNG 0, 0636[ kg s ] en het benodigde verdampervermogen 32, 54[kW ]. Doordat de massastroom LNG afhankelijk is van de scheepssnelheid, is ook het verdampervermogen afhankelijk van de scheepssnelheid, zie figuur 2.9 voor het verdampervermogen uitgezet tegen de scheepssnelheid. Het meest gemakkelijke is om de tank uit te rusten met een elektrische verdamper. Een andere optie is om gebruik te maken van restwarmte in het koelwater van de scheepsmotoren. Met een vermogen van 32, 54 [kw ] is het benodigde verdampervermogen 0,8% van de totale warmte-input in de motoren bij een snelheid van 13,6 knopen, wat betekent dat er meer dan genoeg restwarmte aanwezig is in het koelwater om het LNG te verdampen. Voor een ombouw van een bestaand schip naar het gebruik van LNG is deze optie niet geschikt. In verband met de regelgeving voor het gebruik van LNG aan boord van schepen zal het LNG gasvorming vanaf de opslagtank naar de motoren gevoerd moeten worden, het LNG zal dus in de tank moeten verdampen. Om het verdampen van LNG mogelijk te maken met koelwater van de motoren zal dit koelwater naar de LNG opslagtank gebracht moeten worden, waar veel extra leidingwerk voor benodigd is. Door het aanbrengen van extra leidingwerk zullen de investeringskosten omhoog gaan waardoor deze optie niet geschikt wordt geacht. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 15

32 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Figuur 2.9: Verdampervermogen tegen de scheepssnelheid 2.4 Terugverdientijd van de ombouw Er is een MatLab-programma geschreven om onder meer de terugverdientijd van de ombouw te berekenen. In deze paragraaf zal verklaard worden hoe het model tot stand gekomen is en welke aannames gedaan zijn. Tenslotte zal met het programma voor een aantal scenario s de terugverdientijd bepaald worden Modelvorming Om het brandstofverbruik te bepalen wordt teruggerekend vanaf het vermogen aan de as tot aan de warmte-invoer in de cilinders van de motoren, vervolgens kan de warmte-invoer gesplitst worden in warmte-invoer door LNG en warmte-invoer door diesel. Bij 100% asvermogen, 1150 [kw ] is de snelheid van het schip 13,6 knopen[19]. Aangenomen is dat de het vermogen kubisch oploopt met de snelheid, zie figuur 2.10 voor het asvermogen tegen de snelheid. Verder is aangenomen dat er in totaal 15% verlies optreedt in as, elektromotor en generator gezamenlijk. Met voorgaande aanname is het motorvermogen te berekenen, het motorvermogen is namelijk het asvermogen gedeeld door de effectiviteit van de omzetting van motorvermogen naar asvermogen. Aangezien de hydrografische opnemingsvaartuigen voorzien zijn van diesel-elektrische voortstuwing moet ook het vermogen van de overige verbruikers meegenomen worden, aangenomen wordt dat dit vermogen met een rendement van 85% omgezet wordt uit het motorvermogen. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 16

33 2.4. Terugverdientijd van de ombouw Figuur 2.10: Asvermogen tegen scheepssnelheid Uit het motorvermogen is met behulp van het motorrendement de warmte-input in de motoren te berekenen. Het motorrendement is te bepalen met behulp van het specifieke brandstofverbruik bij dieselbedrijf en de onder-verbrandingswaarde van diesel, zie formule 2.6[20]. Het specifieke brandstofverbruik van de motoren is 206, 9[ g kw h ][21]. De onder =-verbrandbrandingswaarde van diesel is 42700[ kj kg ][20]. η eng = = = 0, 407 [ ] (2.6) sfc LHV diesel 206, De totale warmtestroom is te berekenen door het motorvermogen te delen door het motorrendement[20]: Q = P eng η eng [kw ] (2.7) Vervolgens wordt de warmtestroom gesplitst in een warmtestroom geleverd door de diesel en een warmtestroom geleverd door het LNG. De fractie van de totale warmtestroom geleverd door het LNG is instelbaar, zodat er gesimuleerd kan worden met verschillende LNG/diesel verhoudingen. Uit de twee afzonderlijke warmtestromen kunnen de massastromen bepaald worden door te delen door de onder-verbrandingswaarde, zie formule 2.8. ṁ = Q LHV [ kg s ] (2.8) De totale massa LNG is gelimiteerd door de inhoud van de tank. Met de massastroom LNG en de totale massa LNG opgeslagen in de tank is voor elke snelheid uit te rekenen wat de afgelegde afstand en verstreken tijd is tot de tank LNG leeggevaren is. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 17

34 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Vervolgens wordt het vaarprofiel ingevoerd, zie tabel 2.5[22]. Tabel 2.5: Vaarprofiel van de hydrografische opnemingsvaartuigen Snelheid [kn] % van de tijd % % % >12 5% Omdat het vaarprofiel van de hydrografische opnemingsvaartuigen niet scherp gedefinieerd is in het gebruiksplan zijn er een drietal vaarprofielen ingevoerd in het model. Er is een normaal vaarprofiel ingevoerd waarbij de gemiddelde snelheid per interval gebruikt is, ook zijn er een langzaam en een snel vaarprofiel ingevoerd waarbij er onder respectievelijk boven de gemiddelde snelheid gevaren wordt. Zie tabel 2.6 voor de drie verschillende vaarprofielen. Tabel 2.6: Gebruikte vaarprofielen in het model Interval >12 Snelheid langzaam vaarprofiel [kn] Snelheid normaal vaarprofiel [kn] Snelheid snel vaarprofiel [kn] % van de tijd 15% 55% 25% 5% Uit de snelheden zoals gedefinieerd in de vaarprofielen wordt een equivalente massastroom opgesteld. De equivalente massastroom wordt opgesteld door de massastroom bijbehorend bij de verschillende snelheden af te lezen en te vermenigvuldigen met de percentages zoals weergeven in tabel 2.6. Met de equivalente massastroom en de totale massa LNG is de tijd te bepalen tot de tank LNG leeggevaren is. Uit de tijd en de gemiddelde snelheid wordt het bereik op LNG bepaald. Aan de hand van de door de gebruiker ingevoerde kostprijs van diesel en LNG wordt het prijsverschil per container bepaald. Eerst wordt de prijs van de brandstof bepaald bij gebruik van Dual-Fuel, vervolgens wordt bepaald wat de kosten waren geweest in het geval dat er enkel van diesel gebruik gemaakt zou zijn. Het verschil is de reductie in brandstofkosten per tank LNG Mogelijkheid tot hervullen Om de investeringskosten van de ombouw terug te verdienen zal er zoveel mogelijk op LNG gevaren moeten worden. De verhouding LNG/diesel zal zo hoog mogelijk moeten liggen en er zal zo vaak mogelijk LNG geladen moeten worden. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 18

35 2.4. Terugverdientijd van de ombouw In het gebruiksplan is gesteld dat de hydrografische opnemingsvaartuigen zonder bevoorrading gedurende 14 dagen op zee moeten kunnen verblijven[22]. Hoewel de hydrografische opnemingsvaartuigen elke 14 dagen bevoorraad moeten worden, is er niet elke keer de mogelijkheid om LNG te laden. Aangenomen wordt dat er in twee van de drie gevallen de mogelijkheid bestaat om LNG te laden. Betreffende de tankcapaciteit is het wenselijk om voldoende LNG aan boord te hebben om 14 dagen op Dual-Fuel bedrijf te varen. Ook is het onwenselijk als de voorraad LNG aanzienlijk veel eerder op is dan de gestelde 14 dagen. Tevens is in het gebruiksplan gesteld dat de hydrografische opnemingsvaartuigen per operationeel jaar van 365 dagen 240 dagen beschikbaar moeten zijn, ofwel 66% van het totaal aantal dagen per jaar. Uitgaande van 240 gebruiksdagen per jaar, elke 14 dagen bevoorrading en in twee van de drie maal bevoorrading van LNG zal er per jaar 11,43 maal LNG geladen kunnen worden. In paragraaf zijn een drietal mogelijke container configuraties behandeld, namelijk één 20-voets container, twee 20-voets containers of één 40-voets container. Voor elke configuratie is onderzocht hoelang op Dual-Fuel bedrijf gevaren kan worden. Bij één 20-voets container is er 8840 [kg] LNG beschikbaar. Aangenomen wordt dat een verhouding van 70% LNG en 30% diesel gebruikt wordt. Bij het normale vaarprofiel en een overige elektrisch vermogen van 200 [kw] is de LNG tank leeg na 5,24 dagen en is er 949 zeemijl afgelegd. Aangezien bij één 20-voets container de voorraad LNG te snel verbruikt is, is deze configuratie niet wenselijk. Bij gebruik van twee 20-voets containers is er [kg] LNG beschikbaar, tweemaal zowel als bij één 20-voets container. Logischerwijs zal het tweemaal zo lang duren voordat de tanks leeg zijn. Met een verhouding van 70% LNG en 30% diesel, een overig elektrisch vermogen van 200 [kw] en het normale vaarprofiel zijn de containers na 10,47 dagen leeg en is er 1898 zeemijl afgelegd. Tenslotte de 40-voets container. Doordat de 40-voets container met 18125[kg] LNG de grootste capaciteit heeft, zal het het langst duren voordat deze leeg is. Met wederom 70% LNG, een overig elektrisch vermogen van 200 [kw] en het normale vaarprofiel is deze container leeg na 11,22 dagen en is er 2033 zeemijl afgelegd. Hoewel één 40-voets container de optimale configuratie is, wordt het gebruik van twee 20- voets containers niet uitgesloten. Bij gebruik van één 40-voets container staat de volledige belasting aan of stuurboordzijde of bakboorzijde aangezien het namelijk niet is mogelijk de 40-voets container in de centerlijn van het schip te plaatsen. Als gevolg hiervan zal het schip een helling krijgen, deze helling zal gecompenseerd moeten worden door de ballasttanks te gebruiken. Bij twee 20-voets containers kan de last verdeeld worden over stuurboorzijde en bakboordzijde, waardoor het schip geen helling zal krijgen. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 19

36 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Prijsverschil per container Het prijsverschil per container is afhankelijk van de prijs van LNG ten opzichte van de prijs van diesel op massa-basis en de hoeveelheid LNG per container. In paragraaf wordt gesteld dat de prijs van LNG tussen de 60 en 70% van HFO en tussen de 40 en 50% van MDO zal liggen. Wat de prijs van LNG zal zijn ten opzichte van de prijs die de Koninklijke Marine betaald voor F76 is niet te voorspellen. Als schatting wordt aangenomen dat de prijs van LNG tussen de 40 en 80% zal liggen van de prijs van F76. Bij het Energie Distributie Bedrijf is nagevraagd wat de prijs van F76 is, zie figuur 2.11 voor de prijsontwikkeling van F76. Voor 2014 is de prijs van F76 1,096 euro per liter. Wat overeenkomt met een prijs van 1,317 euro per kilogram. Figuur 2.11: Prijsontwikkeling F76 De hoeveelheid LNG voor een 20-voets container is 8440[kg], voor een 40-voets container is de massa LNG 18125[kg]. Om de equivalente massa diesel te verkrijgen moet de massa van LNG vermenigvuldigd worden met de verhouding tussen de energiedichtheden, zie formule 2.9 voor de equivalente massa diesel voor een 20-voets container en formule 2.10 voor de equivalente massa diesel voor een 40-voets container. m diesel,20 voets = m LNG LHV LNG 49, 51 = 8440 = 9786[kg] (2.9) LHV diesel 42, 70 m diesel,40 voets = m LNG LHV LNG 49, 51 = = 21016[kg] (2.10) LHV diesel 42, 70 Vervolgens kan het prijsverschil per container uitgerekend worden, zie tabel 2.7 voor het prijsverschil per container indien de prijs van LNG 80% is ten opzichte van de prijs van diesel en tabel 2.8 indien de prijs van LNG 40% is ten opzichte van de prijs van diesel. Gebruikmakend met het in paragraaf berekende aantal malen bevoorrading van LNG per jaar is het prijsverschil per jaar berekend. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 20

37 2.4. Terugverdientijd van de ombouw Tabel 2.7: Prijsverschil indien LNG prijs 80% t.o.v. dieselprijs Eigenschap 20 container 40 container Massa LNG [kg] Equivalente massa diesel [kg] Kosten diesel [Euro] Kosten LNG [Euro] Prijsverschil per container [Euro] Prijsverschil per jaar [Euro] Tabel 2.8: Prijsverschil indien LNG prijs 40% t.o.v. dieselprijs Eigenschap 20 container 40 container Massa LNG [kg] Equivalente massa diesel [kg] Kosten diesel [Euro] Kosten LNG [Euro] Prijsverschil per container [Euro] Prijsverschil per jaar [Euro] Kosten ombouw Om een reële schatting te verkrijgen van de kosten van de ombouw voor de hydrografische opnemingsvaartuigen is contact gelegd met PonCat, de fabrikant van de dieselgeneratorsets aan boord van de hydrografische opnemingsvaartuigen en ervaringsdeskundige op het gebied van het ombouwen van bestaande schepen naar het gebruik van Dual-Fuel. Helaas heeft PonCat geen schatting gegeven voor de kosten van de ombouw van de hydrografische opnemingsvaartuigen waardoor de kosten van de ombouw afgeschat moeten worden uit de literatuur. De kosten voor de ombouw van de hydrografische opnemingsvaartuigen zijn afgeleid van de kosten voor de ombouw van een vissersschip, zie tabel 2.9 voor de ombouwkosten van het betreffende vissersschip. Tabel 2.9: Ombouwkosten vissersschip[6] Component Bedrag [Euro] LNG-opslag 2 x 20-voets cryocontainer Verdamperskit + engineering Gasstraat Motoraanpassing Ombouw werf Stelpost elektrische installatie Stelpost brandveiligheid Stelpost ventilatie Totale systeemkosten Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 21

38 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen De kosten van de motoraanpassing voor dit vissersschip betreffen de ombouw naar elektronische inspuiting, gesteld wordt dat deze kosten bespaard blijven bij motoren die reeds voorzien zijn van elektronische inspuiting[6]. Aangezien de hydrografische opnemingsvaartuigen zijn voorzien van motoren met elektronische inspuiting hoeven deze kosten niet gemaakt te worden[23]. Ook zijn de kosten bij gebruik van één 40-voets cryocontainer euro lager dan de kosten van twee 20-voets cryocontainers[6]. In het meest gunstige geval hoeven er geen kosten gemaakt te worden voor de motoraanpassing en wordt er gebruik gemaakt van één 40-voets cryocontainer. Verder wordt aangenomen dat de overige gestelde kosten voor de ombouw van het vissersschip representatief zijn voor de kosten van de ombouw van de hydrografische opnemingsvaartuigen. De ombouwkosten voor het meest gunstige geval zijn hierbij euro, bij gebruik van twee 20-voets containers zijn de ombouwkosten euro. De Koninklijke Marine stelt over het algemeen echter hogere eisen dan de commerciële scheepvaart, waardoor de kosten hoger op zullen lopen. Wat deze extra kosten zullen zijn is met de beschikbare gegevens niet af te schatten. In het MatLab-programma is hiervoor rekening gehouden door de ombouwkosten instelbaar te maken. Bij het bepalen van de terugverdientijd wordt in dit onderzoek rekening gehouden met een extra kostenpost van euro, waardoor de geschatte ombouwkosten bij gebruik van één 40-voets container euro zullen zijn en euro bij gebruik van twee 20-voets containers Terugverdientijd in verschillende scenario s Voor verschillende scenario s is de terugverdientijd in aantal jaren tot de investeringskosten terugverdiend zijn uitgerekend. In het meest gunstige geval zijn de investeringskosten zo laag mogelijk en is de prijs van LNG zo laag mogelijk ten opzichte van de prijs van diesel. Bij gebruik van twee 20-voets containers zal de terugverdientijd langer zijn dan bij gebruik van één 40-voets container. Niet alleen zijn de investeringskosten euro hoger, ook is de capaciteit kleiner waardoor er minder geld terugverdiend wordt per keer dat er LNG bevoorraad wordt. Zie tabel 2.10 voor de terugverdientijd in jaren bij gebruik van twee 20-voets containers. Aangenomen is een operationeel jaar van 240 dagen en 11,43 maal per jaar bevoorrading van LNG. In tabel 2.11 is de terugverdientijd weergeven bij gebruik van één 40-voets container. Interessant ook is het verschil in terugverdientijd tussen het gebruik van twee 20-voets containers en één 40-voets container, zie tabel Tabel 2.10: Terugverdientijd in jaren bij gebruik van twee 20 containers LNG prijs t.o.v. diesel 2 x 20 containers 40% 80% 550,000 2,84 5,99 Investeringskosten 800,000 4,13 8,72 Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 22

39 2.5. Richtlijnen opgesteld door de International Maritime Organization[24] Tabel 2.11: Terugverdientijd in jaren bij gebruik van één 40 container LNG prijs t.o.v. diesel 1 x 40 container 40% 80% 500,000 2,41 5,08 Investeringskosten 750,000 3,61 7,63 Tabel 2.12: Verschil in terugverdientijd in jaren tussen twee 20 containers en één 40 container LNG prijs t.o.v. diesel Verschil in terugverdientijd 40% 80% Laag 0,43 0,91 Investeringskosten Hoog 0,52 1, Richtlijnen opgesteld door de International Maritime Organization[24] De International Maritime Organization heeft enkele documenten met richtlijnen opgesteld voor het gebruik van brandstof aan boord van schepen. Voor schepen niet zijnde gastransportschepen is resolutie MSC.285(86) Interim guidelines on safety for natural gas-fuelled engine installations in ship van toepassing Doel van de richtlijnen Het doel van de richtlijnen is het aanbieden van criteria voor de opstelling en installatie van machines die gebruik maken van aardgas als brandstof om zorg te dragen voor een vergelijkbaar niveau van integriteit in termen van veiligheid, betrouwbaarheid en vertrouwen zoals verkregen kan worden met nieuwe en vergelijkbare apparatuur die gebruik maakt van conventionele brandstof. Om het doel te bereiken zijn er 21 functionele eisen opgesteld. De functionele eisen schrijven voor dat het aantal gasgevaarlijke ruimten tot een minimum beperkt moeten worden en hoe deze gasgevaarlijke ruimten zo veilig mogelijk gemaakt kunnen worden. Eén eis heeft grote gevolgen voor het ontwerp van schepen, namelijk eis vier. Eis vier schrijft voor dat in geval van het wegvallen van de gastoevoer de voortstuwing en energieopwekking niet uit mag vallen, of opnieuw gestart moet kunnen worden zonder gastoevoer. Voor schepen met gasmotoren betekend dit dat er extra vermogen geïnstalleerd moet worden in de vorm van conventionele dieselmotoren, doordat Dual-Fuel motoren ook op diesel kunnen werken levert deze eis geen problemen op bij schepen uitgerust met Dual-Fuel motoren. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 23

40 Hoofdstuk 2. LNG als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen Eisen aan schip en ontwerp Hoofdstuk twee van de resolutie bevat de eisen die gesteld worden aan schip en ontwerp. Het bevat richtlijnen over de locatie en afscheiding van gasgevaarlijke ruimtes, richtlijnen over het ontwerp van pijpleidingen, richtlijnen over de systeemconfiguratie en richtlijnen over de gastoevoer naar motoren, gasopslag, gasbunkering en ventilatiesystemen. Er worden twee verschillende configuraties voor de machinekamer voorgeschreven, namelijke de inherent veilige machinekamer en de ESD (Emergency ShutDown) beveiligde machinekamer. De inherent veilige machinekamer wordt onder alle omstandigheden gasveilig geacht, wat extra voorzieningen met zich meebrengt. De ESD beveiligde machinekamer is onder normale omstandigheden gasveilig en bij situaties waarin gevaar ontstaat moet apparatuur automatisch afschakelen. Voordeel van de inherent veilige machinekamer is dat alle apparatuur die gebruik maken van gas als brandstof zich in dezelfde ruimte mag bevinden. Bij de ESD beveiligde machinekamer moet de apparatuur over minimaal twee ruimtes verdeeld zijn. Indien de twee ruimtes aangrenzend zijn, moet de wand tussen de twee ruimtes bestand zijn tegen een explosie in één van de ruimtes. Wat betreft het transport van aardgas door het schip moeten voor beide configuraties de pijpleidingen voorzien zijn van een dubbele wand. In geval van de inherent veilige machinekamer moet de tussenruimte gevuld zijn met een inert gas met een hogere druk dan de binnenste pijpleiding, of de tussenruimte moet geventileerd worden met minstens 30 luchtwisselingen per uur Eisen aan de motoren Hoofdstuk zes van de resolutie schrijft de eisen aan de motoren voor. Alle onderdelen in de toevoer, motor en de uitlaat van de motoren waar een mengsel van aardgas en lucht aangetroffen kan worden, moeten bestand zijn tegen explosie, of voorzien zijn van overdrukkleppen om de explosie naar een veilige locatie af te voeren. Bij Dual-Fuel motoren moet het starten en stoppen van de motor plaats vinden met enkel diesel als brandstof. In geen geval moet het mogelijk zijn gas in te spuiten zonder tegelijkertijd diesel in te spuiten. In het geval van wegvallen van gastoevoer moeten de motoren zonder onderbreking overgaan op enkel diesel brandstof. Zowel bij een normale stop van de motoren als bij een noodstop mag de gastoevoer nooit later afgesloten worden dan de toevoer van diesel. Het mag nooit mogelijk zijn de toevoer van diesel af te sluiten zonder eerst de toevoer van gas af te sluiten. Voor gasmotoren is een vergelijkbare set van eisen opgesteld. Zo moet bij het starten van de motor eerst de ontsteking geactiveerd worden en moet de motor een voldoende hoog toerental hebben voordat gas ingespoten mag worden. In het geval dat gas ingespoten wordt en de ontsteking niet gefunctioneerd heeft, moet het starten afgebroken worden en al het brandbare mengsel afgevoerd worden voordat opnieuw gestart mag worden. Zowel bij een normale stop als een noodstop moet de gastoevoer afgesloten worden voordat de ontsteking gedeactiveerd wordt. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 24

41 2.5. Richtlijnen opgesteld door de International Maritime Organization[24] Eisen aan de opslag In paragraaf acht van hoofdstuk twee van de resolutie worden de eisen aan de opslagruimten van brandstof beschreven. De brandstof mag zowel gasvormig als Compressed Natural Gas of vloeibaar als Liquefied Natural Gas opgeslagen worden. In geval van opslag als LNG moet de opslagtank voorzien zijn van een klep om gasvormig LNG af te blazen en zo de druk te reduceren. De uitlaat van deze klep moet zich minimaal éénderde of 6 [m], welk groter is, boven werkdek en gangboord bevinden. Ook moet de uitlaat van de overdrukklep minimaal 10 [m] verwijderd zijn van luchtinlaten, doorgangen naar accommodatie en uitlaten van machines en ovens. Wat betreft de vulling van de tank mag deze nooit meer dan 95% gevuld zijn. Bij opslag aan open dek moet voor passagiersschepen de opslagtank minimaal éénvijfde van de zijkant van het schip verwijderd zijn, voor schepen anders dan passagiersschepen moet de tank minimaal 760 [mm] van de zijkant van het schip verwijderd zijn. Opslagtanks aan dek moeten voorzien zijn van een lekbak die voldoende isolatie bied om het schip te beschermen tegen afkoeling in het geval van lekkage. Bij opslag benedendeks mag de werkdruk van de opslagtank niet hoger zijn dan 10 [bar]. De ruimte waarin de opslagtank geplaatst is, moet zich gedragen als een tweede barrière in het geval van lekkage, de wanden van deze ruimte moeten bestand zijn tegen de lage temperatuur van LNG en de maximale druk van 10 [bar]. De tank moet zo dicht mogelijk bij de centerlijn van het schip geplaatst worden en mag nooit dichterbij dan 760 [mm] van de wanden van het schip geplaatst worden. Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 25

42

43 Hoofdstuk 3 Drukopbouw in een gesloten LNG container Om het LNG op een temperatuur van 162 [ C] te behouden wordt het opgeslagen in zeer goed geïsoleerde containers. Deze zeer goede isolatie wordt verkregen door middel van vacuüm isolatie. Vacuüm-geïsoleerde LNG containers zijn dubbelwandige containers waarbij er tussen de wanden van de container een vacuüm heerst. Door het vacuüm tussen de wanden van de container zal er geen warmteoverdracht plaats vinden door geleiding aangezien geleiding een medium nodig heeft. In de stationaire situatie zal de buitenwand van de container een temperatuur hebben gelijk aan de omgevingstemperatuur. Door het ontbreken van een temperatuurverschil tussen de buitenwand van de container en de omgeving zal er geen warmteoverdracht door convectie plaats vinden. Rest enkel straling. Straling heeft geen medium benodigd, wat betekend dat straling plaats kan vinden tussen de wanden van de tank. 3.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt allereerst de theorie achter warmtestraling toegelicht, waarbij het concept van het stralingsnetwerk van essentieel belang is. Vervolgens worden de thermodynamische eigenschappen van methaan toegelicht. Aangezien de thermodynamische eigenschappen van LNG niet beschikbaar zijn is gekozen om de eigenschappen van methaan te gebruiken. Doordat LNG voor 87 tot 99% uit methaan bestaat, zullen de resultaten een representatief beeld schetsen van de werkelijke situatie. Aan de hand van de toegelichte theorie wordt een model opgesteld om de warmtestroom en de drukopbouw te modelleren. Vervolgens is het model geïmplementeerd in een MatLab-programma. Met het programma zijn experimenten uitgevoerd om te onderzoeken welke factoren van invloed zijn op de drukopbouw en hoe deze drukopbouw verminderd kan worden. 3.2 Theorie Allereerst wordt de theorie achter warmtestraling toegelicht, waarbij verschillende eigenschappen van warmtestraling verklaard worden en zal het concept van een stralingsnetwerk en stralingsschilden toegelicht worden. Tenslotte worden de thermodynamische eigenschappen van methaan behandeld.

44 Hoofdstuk 3. Drukopbouw in een gesloten LNG container Warmtestraling[25] Warmtestraling is een vorm van elektromagnetische straling. In vacuüm propageert elektromagnetische straling met de snelheid van het licht, indien er een medium aanwezig is zal deze propagatiesnelheid lager zijn. Bij aanwezigheid van een medium is de snelheid van elektromagnetische straling gelijk aan de lichtsnelheid gedeeld door de brekingsindex van het betreffende medium. Doordat de brekingsindex van lucht nagenoeg één is, zal elektromagnetische straling in lucht een snelheid hebben nagenoeg gelijk aan de lichtsnelheid. De snelheid van het licht is gelijk aan het product van frequentie en golflengte van de straling, zie formule 3.1. c = λ f [ m s ] (3.1) met: c de lichtsnelheid in [ m s ] λ de golflengte in [m] f de frequentie in [s 1 ] Warmtestraling heeft een golflengtebereik van 0,1 tot 100 [µm], waarmee warmtestraling het gehele infrarode, visuele en een deel van het ultraviolet spectrum omvat, zie figuur 3.1 voor het elektromagnetisch spectrum met daarin aangegeven de verschillende banden binnen het elektromagnetisch spectrum. Figuur 3.1: Het elektromagnetisch spectrum De propagatie van thermische straling gaat volgens discrete kwanta, waarbij elk kwantum een energie heeft afhankelijk van de golflengte, zie formule 3.2. E = h f [J] (3.2) Met h de constante van Planck met de waarde: h = 6, [J s] (3.3) Liquified Natural Gas als brandstof voor de Hydrografische Opnemingsvaartuigen 28