De Tier III hoofdmotor

Transcriptie

1 De Tier III hoofdmotor Een technisch verdiepend verslag wat bijdraagt aan het onderzoek om de hoofdmotor om te bouwen naar een Tier III motor. Gemaakt door Tijs Verschoor

2 De Tier III hoofdmotor Een technisch verdiepend verslag wat bijdraagt aan het onderzoek om de hoofdmotor om te bouwen naar een Tier III motor. [2014] Tijs Verschoor Nederland Begeleidende docenten: Hoofdbegeleider R. van Nes Technisch begeleider F.B.M Stiekema Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

3 Voorwoord Mijn stages heb ik gelopen op het motorschip de Jan van Gent. Tijdens de stages heb ik twee en halve maand in de machinekamer en twee en halve maand aan dek en op de brug gewerkt. Tijdens mijn eerste stage op de Jan van Gent ben ik er achter gekomen dat ik meer heb met het technische gedeelte van het varen. Sleutelen, systemen uit elkaar halen en repareren vind ik leuk werk. Na mijn stage heb ik daarom voor de minor offshore technisch gekozen. Als onderdeel van mijn opleiding tot Maritiem Officier ben ik in staat om zelfstandig een onderzoek uit te voeren. Door mijn minor keuze moet het een technisch onderzoek zijn. Tijdens mijn stage heb ik altijd gebruik mogen maken van materialen en kennis van de crew aan boord. De crew was altijd erg behulpzaam en stond altijd voor mij klaar als ik vragen of problemen had. Ik wil de bedrijven Wärtsilä, MAK Bolier en Wagenborg bedanken voor het vrijgeven van bestanden en het beantwoorden van mijn vragen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

4 Inhoudsopgave INLEIDING DE JAN VAN GENT AANLEIDING INKADERING SITUATIEOMSCHRIJVING HUIDIGE SITUATIE PROBLEEMANALYSE DOELSTELLING PROBLEEMSTELLING HOOFDVRAAG DEELVRAGEN ONDERZOEKSVRAGEN H 1 UITLAATGASSEN ELEMENTEN INLEIDING UITLAATGASSEN WAT IS CO WAT IS NO X WAT IS SO WAT IS CO WAT IS PM HOE ONTSTAAT NO X VORMING VAN NO X SALPETERZUUR TOENEMENDE HOEVEELHEID SCHADELIJKE STOFFEN 17 H2 REGELGEVING INLEIDING MARPOL ANNEX VI REGULATION TIER I TOT EN MET TIER III 20 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

5 2.1.4 TIER II TIER III HET ENGINE INTERNATIONAL AIR POLLUTION PREVENTION CERTIFICAAT SPAREPARTS EN IMO NOTERING HAVEN REGELEMENTEN EN FINANCIËLE VOORDELEN ENVIRONMENTAL SHIP INDEX CLEAN SHIPPING INDEX FINANCIËLE VOORDELEN ESI CSI 28 H3 HET NOR SYSTEEM INLEIDING ALGEMEEN OPBOUW VAN EEN NOR SYSTEEM OPSLAGTANK POMP UNIT DOSEERSYSTEEM CONTROLESYSTEEM MIX PIJP EN VERSTUIVER REACTORHUIS KATALYTISCHE ELEMENTEN WERKING VAN EEN NOR SYSTEEM GEBRUIKTE STOFFEN HOE WORDT NO X OMGEZET NAAR N 2 EN H 2O ONGEWENSTE REACTIES IN DE NOR INSTALLATIE AMMONIUMSULFAAT AMMONIUMWATERSTOFSULFAAT 37 STOF/ ROET AMMONIAKSLIP 37 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

6 H4 CONCLUSIE INLEIDING CONCLUSIES 38 H5 WELKE NOR INSTALLATIE IS GESCHIKT INLEIDING ALGEMEEN DE HOOFDMOTOR TOTAAL RENDEMENT MASSASTROOM UITLAATGASSEN TEMPERATUREN TEMPERATUUR NA MIX PIJP 43 VUREA = PMOTOR MNOX MUREA2 MNO2 PMOTOR 0,110 CUREA ΡUREA WERKGEBIED VAN HET SYSTEEM DE OPSLAGTANK POMP UNIT HET REACTORHUIS KATALYTISCHE ELEMENTEN AIR UNIT ELEKTRISCH VERBRUIK ONDERHOUDSSCHEMA 52 H5 CONSTRUCTIE INLEIDING WAT VOOR MATERIAAL WORDT GEBRUIKT RVS WAAR WORDT DE KATALYSATOR VAN GEMAAKT 54 H6 KOSTEN NOR INSTALLATIE INLEIDING ALGEMEEN DOWNTIME SCHEEPSWERF COMPLEXITEIT AANSCHAF NOR SYSTEEM OPERATIONELE- EN ONDERHOUDSKOSTEN VAN NOR SYSTEEM 57 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

7 6.7 KOSTEN UREA ONDERHOUDSKOSTEN FINANCIËLE VOORDELEN VAN NOR INSTALLATIE BRANDSTOF BESPARING HAVENGELD REDUCTIE VERSCHIL MET NOR SYSTEEM EN ZONDER NOR SYSTEEM IS DE INVESTERING TERUG TE VERDIENEN? 61 H7 CONCLUSIE INLEIDING CONCLUSIE 64 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III

8 Symbool- en afkortingenlijst Afkortingen HWTK NOR CPP HFO MDO IAPP MOB ECA DNV MARPOL IMO ESI CSI H&M SCR RVS ISO Scheikundige afkortingen NO x CO 2 SO x PM 10 CO H 2 O NO 2 N 2 O 2 SO 2 SO 3 H 2 SO 4 Hoofdwerktuigkundige NOx Reducer Controllable Pitch Propeller Heavy Fuel Oil Marine Diesel Oil International Air Pollution Prevention Man Over Boord Emission Control Area Det Norske Veritas Marine Polution International Maritime Organisation Environmental Ship Index Clean Shipping Index Hennes & Mauritz Selective Catalytic Reduction Roest Vast Staal Stikstofoxide Koolstofdioxide Zwaveloxide Fijn stof Koolstofmonoxide Water Stikstofdioxide Stikstof Zuurstof Zwaveldioxide Zwaveltrioxide Zwavelzuur Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 1

9 O 3 S HNO 3 Ozon Zwavel Salpeterzuur g/ kwh Gram per kilo Watt uur CO(NH 2 ) Urea NH 3 Ammoniak (NH 4 ) 2 SO 4 Ammoniumsulfaat NH 4 HSO 4 Ammoniumwaterstofsulfaat Symbolen Vermogen P e [kw] Vermogen kilo Watt [KW] Vermogen Mega Watt [MW] Toerental N [RPM] Zuigerdiameter D [mm] S Slag [mm] NO x uitstoot [g/ kwh ] Lengte drijfstang L D [mm] Zuigersnelheid C z [m/ sec ] Slagvolume V s [m 3 ] Totaal rendement η!"! [%] Brandstofverbruik B [kg/ sec ] Stookwaarde H o [MJ/ kg ] Massastroom q m [kg/ sec ] Belasting [%] NO 2 (NO x ) na motor - NO x na NOR m NO2 [g/ kwh ] molaire massa urea M urea [g/ mol ] molaire massa NO x M NO2 [g/ mol ] Urea concentratie C urea [%] Dichtheid ρ [kg/ l ] Warmtecapaciteit cp [kj/ kg*k ] Kelvin K [K] Snelheid knopen [mijl/ h ] Afmeting afstand [mm] Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 2

10 Luchtverbruik V lucht [Nm 3 / h ] Kosten Euro [ ] Kosten Dollar [$] Gewicht Ton [t] Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 3

11 Inleiding Iedereen ziet het in het dagelijkse leven, een wandeling langs het water, havens of rivieren levert grote ergernissen op. Olie op het water, plastic flesjes die overal en nergens in de rondte zwerven. Daarnaast herkent elke zeeman ongetwijfeld het volgende: de gele rookgordijnen die de uitlaat van de schepen op zee verlaten. Maar zo stug als de zeemannen zijn, nieuwe regelgeving daar houden wij in deze tak van sport totaal niet van. De zeevaart loopt ver achter als het gaat om milieu vriendelijkheid. Waar katalysatoren, roetfilters, en scrubbers op wal installaties niet weg zijn te denken. Worden de uitlaatgassen door schepen onbehandeld de atmosfeer in geblazen. Het is tijd dat de neuzen dezelfde kant op gaan staan en dat de scheepvaart milieu vriendelijker gaat worden. Deze anekdote verwijst naar het onderzoek wat is gedaan voor dit technisch verdiepend verslag. Na overleg tussen de kapitein en de HWTK kwam de vraag naar boven: hoe gaat het schip voldoen aan de strengere eisen omtrent Tier III en wat voor invloed heeft dit op de Jan van Gent. Ik heb gekozen om te onderzoeken wat voor invloed een NOR installatie heeft op het reduceren van de NO x uitstoot van het schip. Hiervoor ga ik eerst duidelijk in kaart brengen wat en hoeveel er uitgestoten wordt door de motor. De nieuwe regelgeving Tier III beschrijven en hoe deze toegepast gaat worden op het schip. Daarna ga ik onderzoeken hoe de NOR installatie er uit ziet en welke materialen ervoor gebruikt worden. Tot slot geef ik aanbevelingen over welk NOR installatie past bij de Jan van Gent. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 4

12 De Jan van Gent De Jan van Gent is een ton multipurpose dry cargo carrier gebouwd op de Damen Yichang Shipyard te China. De Jan van Gent is opgeleverd in september Tot op heden heeft het schip vooral zijn werk gedaan in de wilde vaart en heeft al meerdere keren de wereldzeeën overgestoken. Het schip heeft een voortstuwingsinstallatie wat bestaat uit: - MAK Hoofdmotor constant toerental - Tandwielkast - CPP Hoofdmotor - Type MAK 6M43C; - Vermogen 6000 kw; - Aantal cilinders 6; - Cil. diameter 430 mm; - Toerental 500. Tandwielkast - Type Reintjes SVA 1050 B K41; - Reductie 4,136 : 1; - Toerental in 500; - Toerental uit 120; - Draairichting in Clockwise; - Draairichting uit Anticlockwise. CPP - Type Rolls-Royce Kamewa CPP; - Diameter 4950 mm; - Aantal bladen 4; - Gewicht kg; - Materiaal NiAl-brons. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 5

13 Aanleiding Door de strenger wordende milieu eisen, moeten de schadelijke stoffen in de uitstoot verder teruggedrongen worden. Om dit te kunnen realiseren moeten de systemen aan boord aangepast worden. Dit kan gerealiseerd worden door kleine aanpassingen aan de motor te verrichten, maar in sommige gevallen zijn deze simpele maatregelingen niet genoeg. De NO x uitstoot is een van deze schadelijke stoffen. Om de uitstoot van deze elementen te beperken is een nieuwe regelgeving in het leven geroepen. MARPOL Annex 6 regulation 13 Nitogen Oxide (NO x ) emissions from diesel engines. Deze regulation is onderverdeeld in Tier I tot en met Tier III. Waarbij Tier I de huidige situatie is en het minst streng is. Tier I is van kracht op de schepen die vanaf het jaar 2000 gebouwd zijn. Tier I motoren mogen nog veel NO x uitstoten. Bij Tier II motoren zijn de motoren aangepast zonder externe systemen. Dit kan gerealiseerd worden door bijvoorbeeld Miller timing of waterinjectie. Tier III motoren mogen zo min mogelijk NO x uitstoten. Systemen zoals een NOR installatie kan de NO x uitstoot 85% tot 95% verminderen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 6

14 Inkadering In dit onderzoek richt ik mij op het theoretische aspect van een NOR installatie. Wat deze doet met de uitstoot, hoe deze is opgebouwd en een stukje regelgeving. Ik vind het ook erg interessant om te onderzoeken hoe de NOR installatie wordt ingebouwd en hoe er wordt omgegaan met dit systeem in de praktijk. De inbouw en omgang van dit systeem onderzoek ik niet omdat ik hier niet voor geleerd heb en nog nooit gevaren heb met een NOR installatie. Wanneer ik deze aspecten betrek in mijn onderzoek bestaat de kans dat ik verkeerde conclusies ga trekken en verkeerde aanbevelingen ga doen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 7

15 Situatieomschrijving Huidige situatie In MARPOL Annex VI staan regelgevingen voor schepen om de uitstoot van schadelijke uitlaatgassen te verminderen. Annex VI bevat zes regulations en wordt wereldwijd gebruikt vanaf In dit onderzoek wordt alleen gekeken naar regulation dertien: Nitogen Oxide (NO x ) emissions from diesel engines. Afbeelding 1 Maximale toelaatbare NOx uitstoot van dieselmotoren De hoofdmotor van de Jan van Gent voldoet momenteel aan Tier I. De mogelijkheid bestaat dat deze motor in de toekomst ook aan Tier II of Tier III moet voldoen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 8

16 Probleemanalyse De toenemende wereldhandel zorgt voor een stijgende lijn in de uitstoot van schadelijke emissies in de scheepvaart. De emissies worden opgesplitst in een aantal elementen. Hierbij zijn de elementen CO 2, NO x, SO x en PM 10 schadelijk voor de mensen en het milieu. Doordat NO x reageert met andere stoffen in de atmosfeer leidt dit tot smog vorming in hogere luchtlagen. Daarnaast draagt de emissie van NO x indirect bij aan de versterking van het broeikas effect. NO x verblijft zeer lang in de atmosfeer ongeveer dertig uur. Uit onderzoek blijkt dat 70% van het scheepvaartverkeer zich binnen een straal van 250 mijl van land bevindt. Hieruit kan geconcludeerd worden dat een groot gedeelte van de NO x daadwerkelijk neerslaat op land. De elementen SO x en PM 10 verblijven veel korter in de atmosfeer, het grootste gedeelte van deze elementen zullen neerslaan in zee en geneutraliseerd worden door het water. NO x uitstoot van schepen worden om deze reden gezien als een wereldwijd probleem. Dit is de reden waarom MARPOL Annex VI regulation 13 Nitogen Oxide (NO x ) emissions from diesel engines tot stand is gekomen. Wanneer de schepen moeten voldoen aan Tier III is het noodzakelijk om systemen zoals NOR installaties te gebruiken. Het installeren brengt een aantal problemen met zich mee. Mijn taak is deze problemen te benoemen en te onderzoeken. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 9

17 Onderzoeksopzet Doelstelling Het vaststellen van de gevolgen voor de Jan van Gent wanneer deze moet voldoen aan Tier III Probleemstelling Tijdens de bouw en inbouw van een NOR installatie zijn er een aantal problemen. Deze problemen komen voornamelijk door het gebruik van urea. Deze bijtende stof zorgt er voor dat een niet zomaar van elk soort materiaal gemaakt kan worden. Hoofdvraag Gaat de Jan van Gent voldoen aan Tier III als deze gebruik gaat maken van een NOR systeem en is dit financieel haalbaar? Deelvragen - Welke emissies worden uitgestoten door de hoofdmotor - Welke regelgeving zijn er omtrent de NO x uitstoot en op welke manier zijn deze van toepassing op de Jan van Gent. - Waaruit is het NOR systeem opgebouwd en welk NOR systeem is geschikt voor de Jan van Gent? o Hoe werkt het systeem? o Welke materialen worden gebruikt in het NOR systeem? o Wat zijn de geschatte kosten voor het installeren en het onderhouden van een NOR systeem - Wat kost het systeem en wat levert een NOR systeem op. Onderzoeksvragen - Hoe ontstaan NO x? - Wat zijn de effecten op het milieu? - Welke voordelen heeft het NOR systeem voor de Jan van Gent? Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 10

18 Theoretisch kader H 1 Uitlaatgassen elementen 1.0 Inleiding In dit hoofdstuk worden de schadelijke stoffen besproken die uitgestoten worden door een scheepsdiesel motoren. En daarnaast wordt ook onderzocht waaruit NO x ontstaat 1.1 Uitlaatgassen De schadelijke stoffen die een scheepsmotor uitstoot zijn: - Koolstofdioxide: CO 2 ; - Stikstofxiden: NO x ; - Zwaveldioxide: SO 2 ; - Koolmonoxide: CO; - Fijn stoffen: PM 10. Van deze stoffen is CO 2 hoofdzakelijk verantwoordelijk voor het veranderen van het klimaat. SO 2 en NO x zijn verantwoordelijk voor zure regen en het verzuren van de bodem. Ook zijn NO x, CO en PM 10 schadelijk voor de gezondheid van de mens. 1.2 Wat is CO 2 Een verhoogde CO 2 concentratie in de atmosfeer heeft effect op het gedrag van planten. Het heeft vooral effect op het gebied van fotosynthese. Dit is wanneer een plant CO 2 opneemt uit de lucht en omzet tot zuurstof. Ook heeft een verhoogde CO 2 concentratie invloed op de groeisnelheden van planten en voortplantingsgedrag. CO 2 heeft als eigenschap dat het infrarode stralingen absorbeert, hierdoor verminderd het de uitstraling naar de ruimte van de zonnewarmte die de aarde bereikt. CO 2 is de hoofdveroorzaker van het broeikaseffect. Het overgrote gedeelte van de CO 2 uitstoot komt bij de industrie, de elektriciteit sector en de sector verkeer en vervoer vandaan. De scheepvaart behoort tot de sector verkeer en vervoer. De uitstoot van CO 2 is afhankelijk van het type brandstof en totale brandstofverbruik. In een verbrandingsmotor wordt brandstof in combinatie met zuurstof verbrand. Dit gaat gepaard met grote warmte ontwikkeling. Na afloop ontstaan nieuwe stoffen namelijk koolstofdioxide en water. De brandstof zijn lage ketens van koolwaterstoffen, de zuurstof komt uit de lucht. Scheikundig gezien vindt de volgende reactie plaats: CH + O 2 à CO 2 + H 2 O Dit is het basisprincipe van het verbranden van koolwaterstoffen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 11

19 1.3 Wat is NO x NO x is verantwoordelijk voor zure regen, naast dit verschijnsel is het ook verantwoordelijk voor de verstoring van de nutriëntenbalans in het water. Het overschot aan NO 3 wat voedingsstoffen zijn voor planten, wordt ook wel vermesting of eutrofiering genoemd. Door dit overschot vindt een verandering plaats in de natuur, de soortensamenstelling in het water verandert. Planten zoals algen en kroos leven vooral van NO 3, door de overmaat van NO 3 gaan de planten woekeren in het oppervlakte water. Door de overmatige groei van algen en kroos kan het zonlicht niet meer tot het oppervlakte water doordringen. Hierdoor worden de onderliggende planten en vissen verdreven of gaan dood. Er vindt dus een verarming van planten en diersoorten plaats. NO x heeft lang de tijd nodig om vanuit de atmosfeer neer te slaan in het water of bodem. Dit heeft als gevolg dat de NO x vaak het land bereikt als zure regen. In de afgelopen tijd zijn de stikstof verbindingen die in de natuur aanwezig zijn ongeveer verdubbeld, dit is onder anderen gekomen door de uitstoot van schadelijke stoffen door de zeevaart. Van de uitgestoten NO x verbindingen is vooral NO 2 (stikstofdioxide) het schadelijkste voor de mens. Helaas bestaat de lucht die nodig is om koolwaterstoffen te verbranden niet alleen uit zuurstof. Het overgrote gedeelte van de lucht in de atmosfeer bestaat uit stikstof. De vergelijking om koolwaterstoffen te verbranden wordt uitgebreid door de aanwezigheid van stikstof: CH + O 2 à CO 2 + H 2 O Wordt dus eigenlijk: CH + O 2 + N 2 à CO 2 + H 2 O + N 2 In dit geval doet de stikstof niet mee aan de reactie, hij verlaat de verbrandingskamer zonder met andere stoffen te reageren. De stikstof is alleen opgewarmd. Wanneer de stikstofdeeltjes reageren met de aanwezige zuurstofdeeltjes ontstaat NO x De reactie vergelijking wat zich in werkelijkheid voordoet is dus als volgt: CH + O 2 + N 2 à CO 2 + H 2 O + N 2 + NO x Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 12

20 1.4 Wat is SO 2 SO 2 is zwaveldioxide, de hoeveelheid van deze vervuiler hangt af van het type brandstof. De regelementen zijn al aangescherpt met betrekking tot de hoeveelheid zwavel dat aanwezig mag zijn in de brandstof. Wereldwijd mag brandstof niet meer dan 3,5% zwavel bevatten. Wanneer een schip in een ECA gebied vaart mag dit percentage niet groter zijn dan 1,0%. Zwavel is een onderdeel van de brandstof, wanneer dit verbrand gaat dit een reactie aan met zuurstof. Wanneer de brandstof met zwavel verbrand doet de volgende scheikundige vergelijking zich voor: CH + S + O 2 à CO 2 + H 2 O + SO 2 Buiten de verbrandingskamer treedt de volgende reactie op: 2SO 2 + O 2 à 2SO 3 Wanneer SO 3 waterdamp tegenkomt, reageert dit met elkaar en wordt het H 2 SO 4 dit is zwavelzuur, wat verantwoordelijk is voor lage temperatuurcorrosie. Om de zwavel uitstoot te verminderen moet gekozen worden voor een zwavelarme brandstof. Voor een raffinaderij is het mogelijk om de zwavel uit de brandstof te halen. Dit is extra werk dus dit betekent dat de prijs van deze brandstof hoger is. Net zoals NO x is SO x ook een verzurende stof. SO x is schadelijk voor leven op het land, maar niet schadelijk voor het leven in de zee. Wanneer SO x direct in het zeewater terecht komt verdunt het en wordt het geneutraliseerd door het zeewater. Wanneer de SO x echter neerslaat op land in vorm van zure regen is dit erg schadelijk voor het milieu. 1.5 Wat is CO CO is koolmonoxide, dit ontstaat wanneer de brandstof onvolledig verbrandt. Dit gebeurt wanneer er niet genoeg zuurstof bij de verbranding aanwezig. Dit betekent dat niet alle brandstof volledig verbrandt. Hieronder de scheikundige vergelijking: CH + O 2 à CO 2 + H 2 O + CO CO is erg gevaarlijk voor een mens, dit komt doordat de mens CO makkelijker opneemt dan zuurstof. Wanneer te veel CO ingeademd wordt treedt er een zuurstof tekort op. Wanneer te veel CO ingeademd wordt zal je hieraan overlijden. Er is nog een groot gevaar van CO, het is namelijk brandbaar. Wanneer een goede CO en zuurstof verhouding is kan een explosie ontstaan. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 13

21 1.6 Wat is PM 10 PM 10 is een afkorting wat staat voor Particulate Matter. Onder PM 10 vallen deeltjes die een afmeting hebben kleiner dan 10µm. Het zijn vooral onverbrande deeltjes die vrij komen tijdens de verbranding. Bijvoorbeeld roet, maar ook NO x en SO 2 vallen hieronder. De deeltjes kunnen voor een lange tijd in de lucht blijven en op deze manier diep in onze longen doordringen. Daarom is het gevaarlijk voor de gezondheid van de mens. Wanneer te veel PM 10 ingeademd wordt, functioneren de longen minder goed. Dit leidt tot astma aanvallen en hart en vaat aandoeningen. 1.7 Hoe ontstaat NO x NO x is een verzamelnaam voor 2 verschillende stoffen. NO x is namelijk een optelsom van 95% NO (stikstofmonoxide) en 5% NO 2 (stikstofdioxide). NO x is het gevolg van het oxiderende stikstof tijdens het verbrandingsproces. De stikstof is tijdens de verbranding in en rondom de vlam aanwezig, maar werkt niet mee aan de verbranding. Zoals eerder is uitgelegd wordt de zuurstof tijdens de verbranding volledig verbruikt. In het dieselproces wordt gedraaid met een luchtovermaat. Dit is nodig omdat de lucht ook gebruikt wordt voor het spoelen en koelen van de motor. Door de luchtovermaat blijven veel zuurstof deeltjes over in de uitlaatgassen. Deze zuurstofdeeltjes reageren met de stikstofdeeltjes en uit deze reactie ontstaat NO x Vorming van NO x In afbeelding 2 is te zien waar de NO x ontstaat. Links op de afbeelding wordt de brandstof ingespoten, de donker blauwe kleur is relatief koude lucht. Het gebied binnen de rode stippellijn is de explosie. De NO x ontstaat in de explosie en het grensgebied van de explosie. Afbeelding 2 Ontstaan van NOx in de cilinder Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 14

22 NO x kan op verschillende manieren ontstaan: - Directe oxidatie: Hierbij oxideert de stikstof die aanwezig is in de lucht tijdens de verbranding. Dit wordt ook wel thermische NO x genoemd en vraagt veel energie. De vorming van deze NO x is afhankelijk van de temperatuur en komt op gang vanaf 600 C. Naarmate de temperatuur hoger wordt ontstaat er ook meer NO x ; - Brandstof NO x : Hierbij oxideren de stikstofverbindingen uit de brandstof, bij deze reactie wordt vooral NO gevormd; - Prompt NO x : Dit vormt zich in het uitlaatgassenkanaal. Hierbij reageren de stikstof deeltjes eerst met de koolwaterstoffen van de brandstof. Door de grote lucht overmaat reageren de stikstofdeeltjes later in het uitlaatgassenkanaal met de zuurstof en vormen op die manier NO x. NO 2 wordt op de onderstaande manier gevormd: - De NO 2 wordt gevormd in de vlam. De temperatuur, de hoeveelheid zuurstof en de verblijftijd zijn de 3 belangrijke factoren bij het ontstaan van NO 2. De temperatuur moet lager zijn dan 650 C; - De NO 2 wordt gevormd in het uitlaatgassenkanaal en schoorsteen. Hierbij speelt de hoeveelheid zuurstof, lichtsterkte van de zon, luchtvervuiling en de tijd een grote rol; - De NO 2 wordt gevormd in de atmosfeer. Na het afkoelen van de uitlaatgassen komt de NO in contact met de lucht. Daarna zet het langzaam om naar NO 2. Dit is te zien in de onderstaande reactie vergelijking: NO + licht + lucht à NO + O + NO + O 3 à NO 2 + O 2 Zoals eerder is opgemerkt, om NO x te vormen is een hoge temperatuur het belangrijkst. Wanneer de zuurstof moleculen dusdanig verwarmd worden splitsen deze en ontstaan zuurstof radicalen. Radicalen zijn deeltjes die één proton te weinig hebben of één elektron te veel. Deze radicalen staan er bekend om dat ze snel een reactie aangaan met andere moleculen. Tijdens de verbranding ontstaan deze zuurstof radicalen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 15

23 Zuurstof streeft net als elk gas naar edelgasconfiguratie. Zuurstof à O 2 zijn twee O atomen, deze twee atomen hebben in totaal in de buitenste schil acht elektronen. Tussen de twee zuurstofatomen ontstaat een dubbele verbinding. De buitenste schil is met acht elektronen in balans, het heeft geen tekort of teveel aan elektronen. Dit wordt edelgasconfiguratie genoemd. (Zie afbeelding 3) Afbeelding 3 Zuurstof atoom Wanneer extreem veel energie toegevoegd wordt in vorm van warmte breekt de dubbele verbinding tussen de zuurstof atomen. Hierdoor worden de zuurstofradicalen gevormd. (Zie afbeelding 4) Afbeelding 4 Zuurstofradicalen Doordat de buitenste schil van de zuurstof atomen niet in balans is, maar toch streven naar edelgasconfiguratie gaan deze makkelijk een verbinding aan met andere atomen. Doordat een overschot aan stikstof atomen in de lucht zit gaan de zuurstofradicalen hiermee reageren en ontstaat NO x Salpeterzuur De NO 2 die in de atmosfeer terecht komt wordt uiteindelijk omgezet tot salpeterzuur HNO 3. zie onderstaande vergelijking: NO 2 + H 2 O + O 2 à HNO 3 Salpeterzuur komt in de lucht in aanraking met waterdamp. Zure regen ontstaat wanneer deze waterdamp in vorm van regen naar beneden valt. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 16

24 1.8 Toenemende hoeveelheid schadelijke stoffen In tabel 1 is te zien dat de toenemende wereldhandel zorgt voor een stijgende lijn in de uitstoot van schadelijke stoffen. Tabel 1 bedekt alleen de uitstoot van schadelijke stoffen op Nederlands grondgebied, afbeelding 5 geeft de uitstoot van NO x op wereldwijde schaal aan. Op de kaart zijn de scheepvaartroutes te zien. Uitstoot van scheepvaart CO 2 NO x SO 2 CO 2 NO x SO 2 Zeescheepvaart 3% 7% 40% 4% 17% 68% Totaal 8% 17% 47% 10% 38% 77% Tabel 1 Aandeel scheepvaart en binnenvaart in emissies op Nederlands grondgebied Afbeelding 5 Wereldwijde NOx uitstoot De schadelijke stoffen hebben een grote invloed op het milieu en het klimaat. Zo beweren wetenschappers dat broeikasgassen ( koolstofdioxide, methaan en stikstofmonoxide) de volgende effecten hebben op de natuur. - stijging van de zeespiegel; - verandering in neerslag en temperatuur; - verschuiving van klimaatzones; - frequenter voorkomen van extreem weer. Het beste is dat MARPOL Annex VI wereldwijd wordt aangenomen en dat met zijn allen gevochten wordt om de scheepvaart schoner en milieu vriendelijker te maken. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 17

25 H2 Regelgeving 2.0 inleiding In dit hoofdstuk wordt besproken welke regelgeving zijn ontwikkeld om de NO x uitstoot in de scheepvaart terug te dringen. Tevens wordt besproken welke keurmerken zijn ontwikkeld om het varen met een groen schip aantrekkelijker te maken. 2.1 MARPOL Annex VI Het ontstaan van de NOR installaties in de scheepvaart komt door de nieuwe regelgeving die MARPOL heeft toegevoegd aan zijn regelementen. MARPOL Annex VI geldt op alle schepen, op drijvende- en gefixeerde platformen. De regels zijn afhankelijk van de grootte, vlaggenstaat en wanneer het schip in territoriale wateren komt waar het verdrag ondertekend is. Deze schepen hebben een International Air Pollution Prevention Certificate of terwijl een IAPP certificaat nodig. Het schip moet een paar verschillende survey s ondergaan: - Een survey voordat het schip in gebruik wordt genomen of wanneer het IAPP certificaat voor het eerst afgegeven is; - Een periodieke survey, dit ligt aan de geldigheid van het certificaat. Het moet echter in een tijdsinterval van maximaal vijf jaar; - Minimaal één tussentijds survey die verricht moet worden in de periode dat het certificaat geldig is. De survey s worden afgenomen door een erkende organisatie zoals Bureau Veritas of Lloyd's. De inhoud van de survey staat beschreven in bijlage I. Annex VI bestaat uit Regulation twaalf tot en met achttien. In dit onderzoek wordt alleen aandacht besteed aan Regulation 13 - Nitrogen Oxide (NO x ) Regulation 13 Deze regelgeving heeft betrekking tot de NO x emissies van dieselmotoren en zijn van toepassing op: - Motoren met meer vermogen dan 130kW die geïnstalleerd zijn in een schip die gebouwd is op of na één januari 2000; Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 18

26 - Motoren met meer vermogen dan 130 kw die een major conversion ondergaan op of na één januari 2000; - Motoren met een vermogen van meer dan 5000 kw en een cilinder inhoud van meer dan 90 liter. De motor is geïnstalleerd op of na één januari 1990 maar voor één januari Deze regelgeving is niet van toepassing op: - Noodvoorzieningen zoals noodgeneratoren, MOB boten en vrije val boten; - Motoren die gebruikt worden voor het boren en produceren van olie Wat is een major conversion - De motor is vervangen door een nieuwe motor die gebouwd is na één januari 2000; - Een modificatie is verricht aan de hoofdmotor zoals de verandering van de krukas, brandstofsysteem of andere componenten in de motor die relatie hebben tot de NO x uitstoot; - Het maximaal continuvermogen is verhoogt met 10%. Een modificatie aan de hoofdmotor is onderverdeeld in twee groepen, namelijk motoren die geïnstalleerd zijn op of na één januari 2000 en motoren die geïnstalleerd zijn op of voor één januari Motoren die op of na één januari 2000 zijn geïnstalleerd: - Hier is spraken van een modificatie wanneer een wijzigingen aan de motor gemaakt is, die kan leiden tot overschrijding van de NO x uitstoot. Routine vervanging van onderdelen waardoor de emissie eigenschappen niet veranderen vallen niet onder een modificatie. Motoren die op of voor één januari 2000 zijn geïnstalleerd: - Hier is spraken van een modificatie bij elke wijziging die gemaakt wordt aan de motor, welke leidt tot een verhoging van de emissie eigenschappen. Wijzigingen aan de krukas, brandstofsysteem, verbrandingskamer, timing etc. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 19

27 2.1.2 Tier I tot en met Tier III Om de regelgeving toe te passen op verschillende motoren zijn Tier I, II en Tier III van kracht. Tier I zijn de oudere motoren die in vergelijking met Tier III motoren meer NO x emissies mogen hebben. Afbeelding 6 Maximale toelaatbare NOx uitstoot voor dieselmotoren De uitstoot van NO x is afhankelijk van het toerental van de motor en in welke Tier de dieselmotor zich bevindt Tier I Tier I is van toepassing op schepen die gebouwd zijn op of na 1 januari 2000 tot 1 januari De NO x waarde wordt op de onderstaande manier berekend: - 17,0 g kwh wanneer het toerental van de motor minder dan 130 toeren per minuut bedraagt; - 45 toerental (!!,!) g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 130 toeren per minuut, maar minder dan 2000 toeren per minuut bedraagt; - 9,8 g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 2000 toeren per minuut bedraagt. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 20

28 Afbeelding 7 Tier I Tier I is op dit moment op wereldwijde schaal van kracht. De conventionele motoren van tegenwoordig voldoen allemaal aan Tier I. Om aan Tier I te voldoen hoeven geen interne of externe systemen gebruikt te worden Tier II Tier II is van toepassing op schepen die gebouwd zijn op of na 1 januari De NO x waarde wordt op de onderstaande manier berekend: - 14,4 g kwh wanneer het toerental van de motor minder dan 130 toeren per minuut bedraagt; - 44 toerental (!!,!") g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 130 toeren per minuut, maar minder dan 2000 toeren per minuut bedraagt; - 7,7 g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 2000 toeren per minuut bedraagt. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 21

29 Afbeelding 8 Tier 2 Tier III is vanaf 2011 wereldwijde schaal van kracht. De uitstoot van NO x is in vergelijking met Tier I met 20% gedaald, dit komt overeen met 2,5 g/ kwh. De conventionele motor van tegenwoordig voldoet niet meer aan de Tier II NO x uitstoot. Om hier aan te voldoen moeten aanpassingen aan de motor verricht worden, aanpassingen zoals: - Miller timing of extreme Miller timing; - Wetpac technologie: Dit wordt onderscheiden in drie verschillende technieken. Inlaatlucht luchtvochtigheid omhoog brengen, water in de cilinder injecteren of brandstof mengen met water (brandstof water emulsie); - EGR: Exhaust Gas Recirculation. Door optimalisaties vermindert de NO x uitstoot 20% - 50% Tier III Tier III is van toepassing op alle schepen die gebouwd zijn na 1 januari Deze Tier is alleen van toepassing in de Emission Controle Areas (ECA). Welke gebieden dit precies zijn, wordt bekend gemaakt wanneer de Tier ingaat. De bestaande ECA s hebben de Tier III regeling al ondertekend. In afbeelding 9 is te zien welke landen getekend hebben en overwegen om te tekenen voor het verdrag. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 22

30 Afbeelding 9 ECA gebieden wereldwijd De NO x waarde wordt op de onderstaande manier berekend: - 3,4 g kwh wanneer het toerental van de motor minder dan 130 toeren per minuut bedraagt; - 9,0 toerental (!!,!) g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 130 toeren per minuut, maar minder dan 2000 toeren per minuut bedraagt; - 2,0 g kwh wanneer het toerental van de motor meer dan 2000 toeren per minuut bedraagt. Afbeelding 10 Tier III Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 23

31 Door de Tier III regeling wordt de NO x uitstoot met 80% verminderd in vergelijking tot Tier I. Ook is vastgesteld dat de motoren in deel last niet meer dan 50% van de gemiddelde NO x mogen uitstoten. Om de Tier III motoren te realiseren is een combinatie van de Tier II technologieën nodig Het Engine International Air Pollution Prevention certificate Wanneer een scheepsdiesel voldoet aan Tier I tot en met Tier III krijgt de motor een EIAPP certificaat. Om te bepalen of een motor een certificaat nodig heeft, is een schema ontworpen. In dit schema worden vragen gesteld en deze worden met ja of nee beantwoord. Zo wordt bepaald in welke Tier de motor terecht komt(schema zie bijlage II). Meestal heeft DNV het certificaat en de technische gegevens van de motor ter beschikking. Het certificaat wordt door de motor fabrikant afgegeven aan het schip. Ook al heeft DNV het certificaat en de technische gegevens van de motor ter beschikking, kan motor fabrikant wel contact opnemen met DNV voor het assisteren bij de afgiften van het certificaat. Het proces wat voorafgaat aan het geven van het certificaat is een emissietest. Hier wordt gecontroleerd of de motor voldoet aan de maximale NO x uitstoot. Alle gecertificeerde motoren worden geleverd met een individueel technisch rapport wat bestaat uit de motorspecificaties en de NO x uitstoot. De NO x code heeft drie onboard audits: - parameter check; - vereenvoudigde meetmethode; - directe meting en monitoring methode. De uitvoering van deze audits is te lezen in bijlage III. De motorfabrikant kiest normaliter welke onboard audit wordt uitgevoerd. De resultaten van de audit wordt opgenomen in het technische rapport van de motor. De onboard audit die in de praktijk het meest gebruikt wordt is de parameter check. De eigenaar van het schip kiest welke audit wordt uitgevoerd. Wanneer de audit afwijkt van de audit die opgenomen is in het technisch rapport, moet deze eerst goedgekeurd worden door DNV voordat het certificaat in gebruik wordt genomen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 24

32 Om schepen met een bestaande machinekamer te certificeren, waarbij de kiel is gelegd tussen 1 januari 1990 en 1 januari 2000 wordt één van beide regels toegepast: 1. Om te controleren of een installatie commercieel haalbaar is, is een formule in het leven geroepen: Ce = Cost of Approved Method 106 P9kW 0, (hours/year) 5(year) NO! (kwh) De formule mag niet boven 375 Ce zijn, dan hoeft de motor niet te voldoen aan de Tier III eisen. 2. Wanneer de motor een onderdeel is van een groep motoren Spareparts en IMO notering Een van de belangrijkste gevolgen van de MARPOL Annex VI is de controle procedure van de componenten die invloed hebben op de NO x uitstoot. Tijdens de engine parameter check method worden deze componenten gemarkeerd. Hoe dit wordt uitgevoerd is te lezen in bijlage IV. 2.2 Haven regelementen en financiële voordelen Er zijn een aantal keurmerken ontwikkeld om de uitstoot van de emissies in kaart te brengen. Er zijn zowel wereldwijde als lokale keurmerken. Het ene keurmerk bekijkt alleen de uitstoot van de emissies maar het andere keurmerk kijkt naar het hele schip. In de toekomst strijden de instanties er voor om één wereldwijd keurmerk te maken Environmental Ship Index Dit keurmerk is ontwikkeld door het World Ports Climate Initiative. Dit is in samenwerking met een aantal vooruitstrevende Europese havens opgericht. Het is de bedoeling om ESI in te voeren op alle Europese haven gebieden. In de hoop dat op den duur het ESI op wereldwijde schaal gebruikt wordt. Het ESI keurmerk heeft alleen betrekking op de uitstoot van NO x SO x en CO x. De rederijen kunnen de gegevens van de schepen met bewijsvoering invoeren in een database. Hierbij wordt de gemiddelde NO x uitstoot van de gecertificeerde motor gebruikt. Het zwavelgehalte wordt door middel van de bunker dilivery note vastgesteld. Wanneer het schip aan de huidige milieu normen voldoet krijgt het een score van nul. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 25

33 Wanneer het schip groener is dan de huidige normen krijgt deze punten. Hoe meer punten, des te schoner het schip is. De ESI score van een schip wordt op de volgende manier berekend: ESI score = 2 ESI NO! + ESI SO! + ESI CO! + OPS 3,1 De ESI NO x, ESI SO x en ESI CO 2 worden afzonderlijk van elkaar uitgerekend, zie bijlage V. OPS is een extra score die het schip krijgt als deze een Onshore Power Supply installatie aan boord heeft Clean Shipping Index Het CSI keurmerk wordt gebruikt in Zweedse havens. Dit keurmerk zorgt niet voor korting op het havengeld voor de reders. Dit is een keurmerk wat gebruikt wordt door de verschepers. In Zweden werken tot nu toe 24 bedrijven met het CSI keurmerk. Bedrijven zoals H&M, Sony Ericsson en Volvo kiezen alleen de schepen die het CSI keurmerk hebben. De reden hiervoor is dat de geproduceerde producten groen vervoerd worden. Rederijen die groen en duurzaam presteren, worden bij voorkeur uitgekozen om de producten van deze bedrijven te vervoeren. Dus hoe groener het schip, des te beter deze in de markt ligt. Ook zijn de charters die deze producten vervoeren goed betaalde charters. CSI gaat verder dan ESI. Waarbij het ESI keurmerk stopt bij de emissies kijkt CSI ook nog naar chemicaliën gebruik, water en vuilwaterhandhaving en afval verwerking. Zie afbeelding 11 Afbeelding 11 Clean Shipping Index Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 26

34 Wanneer een reder zijn schip aanmeldt voor het CSI keurmerk, moet deze een vragenlijst met twintig vragen beantwoorden. De vragen zijn afhankelijk van het type schip. Het is ook mogelijk dat het gemiddelde van de vloot van een reder genomen wordt. Wanneer het schip aangemeld is voor het CSI keurmerk krijgt het een jaarlijks rapport. In dit rapport staat informatie over de score. Bijvoorbeeld scores op een bepaalde route en hoe het schip veranderingen door kan voeren om een betere score te verkrijgen. Deze service wordt gratis verleend aan de reders. Om de CSI score uit te rekenen wordt een complexe formule gebruikt. In de formule worden alle onderdelen die schadelijk zijn voor het milieu opgenomen. Dit zijn de volgende componenten: - CO 2 ; - SO x en PM 10 ; - NO x ; - Afval water; - Afval; - Gebruik van chemicaliën. De schepen worden vergeleken met een referentie schip. Dit schip krijgt een score van nul. Om een score te krijgen moeten de emissies onder het referentie punt komen. In bijlage VI staat welke parameters het CSI keurmerk handhaaft Financiële voordelen Wanneer het schip in aanmerking komt voor het ESI keurmerk heeft dit een financieel voordeel. Door dit keurmerk krijgt het schip korting op het havengeld. Het CSI keurmerk levert indirect een financieel voordeel op omdat hierdoor de reder zich zelf beter op de markt zet ESI Om een schip aan te melden bij het ESI keurmerk moet de reder 400 euro per schip betalen. Het schip is dan voor een periode van vijf jaar aangemeld. Reders die meer schepen in één keer aanmelden betalen minder. De haven van Rotterdam heeft de regeling dat vanaf 1 januari 2011 schepen die 31 punten of meer scoren op de ESI 10% korting op het betaalde deel van het havengeld krijgen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 27

35 Na afloop van elk kwartaal wordt bekeken welke schepen in aanmerking komen voor het ESI keurmerk. Er gelden hierbij twee voorwaarden: - Op moment van aankomst moet het schip een score hebben van 31 punten of meer. In dit kwartaal is het schip ook in Rotterdam geweest; - In dit kwartaal levert elke aankomst Rotterdam korting op het havengeld op. Er is echter wel een maximum van twintig calls per kwartaal. De korting wordt geregeld door het agentschap van de schepen. Aan het einde van het kwartaal krijgt het agentschap een bevestigingsbrief en wordt de korting overgemaakt. Wanneer in een kwartaal minder dan 25 schepen 31 punten of meer scoren, komen de 25 eerstvolgende schepen in aanmerking. Deze schepen moeten wel een minimum van twintig punten scoren. De berekeningen voor de korting op het havengeld is ongeveer hetzelfde. De goede korting is verkrijgbaar via het contact met het agentschap of de internetsite van de haven CSI Er zijn geen kosten verbonden om een schip aan te melden bij het CSI keurmerk. De rederij houdt ook niet direct geld over wanneer een schip aangemeld is bij het CSI keurmerk. Het is goed voor een bedrijf om te investeren in duurzaamheid en kwaliteit. Op deze manier kunnen rederijen uit Europa zich onderscheiden van rederijen uit opkomende economieën. Ook wordt vaak geïnvesteerd in duurzaamheid omdat dit gunstig uitpakt voor het imago van de reder en concurrentievoordelen op kan leveren. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 28

36 H3 Het NOR systeem 3.0 Inleiding In dit hoofdstuk wordt de werking en de opbouw van een NOR systeem beschreven. 3.1 Algemeen NOR staat voor NO x reducer het wordt ook wel afgekort met SCR dit staat voor Selective Catalytic Reduction. Het systeem is relatief oud, het wordt al lang gebruikt bij landinstallaties om NO x te reduceren. Het systeem kan NO x reduceren van 80% 95%. Er zijn inmiddels schepen zowel in de zeevaart als binnenvaart die met dit systeem werken. De resultaten zien er veelbelovend uit. Het systeem zet de NO x die uitgestoten wordt tijdens het verbrandingsproces om in de onschadelijke stoffen stikstof en water. Dit wordt gedaan door middel van urea in de uitlaatgassen te spuiten, in de mix pijp mixt het urea met de uitlaatgassen. Wanneer de urea gemixt is met de uitlaatgassen komt dit mensgsel vervolgens in de katalysator terecht, hier worden de NO x omgezet in stikstof en water. 3.2 Opbouw van een NOR systeem Het NOR systeem is opgebouwd in een paar verschillende onderdelen. Het reactorhuis wordt ingebouwd in het uitlaatgassen kanaal. Terwijl de rest van het systeem een vaste plek krijgt in de machinekamer. Het ene gedeelte van het systeem is ingebouwd in het uitlaatgassenkanaal van de hoofdmotor, het andere gedeelte is verdeeld over de machinekamer. Het gedeelte van het systeem wat ingebouwd is in het uitlaatgassenkanaal is de katalysator, de mix pijp en de verstuiver. Het overige gedeelte van het systeem bestaat uit de opslagtank, de pomp unit, doseer systeem en het controlesysteem. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 29

37 Afbeelding 12 Systeemoverzicht Opslagtank In de opslagtank wordt de urea, wat gebruikt wordt tijdens het reinigen van de uitlaatgassen opgeslagen. De capaciteit van deze tank moet afgemeten worden op vaargebied van het schip. Een schip wat bijvoorbeeld alleen in Europa vaart, kan varen met een kleinere opslagtank dan een schip dat wereldwijd vaart. Ook moet er gekeken worden wat voor soort havens het schip aanloopt. Er zijn havens waar bijvoorbeeld geen urea gebunkerd kan worden. Met deze variabele moet rekening gehouden worden wanneer de grootte van de opslagtank berekend wordt. De opslagtank bestaat uit een ingebouwde tank zoals de brandstoftanks, maar kan ook met een tankcontainer aan boord gezet worden. Deze moet aangesloten worden op het systeem. Dit heeft als voordeel dat het schip niet omgebouwd hoeft te worden om een extra tank te realiseren. Het nadeel is dat er minder lading meegenomen kan worden. De opslagtank moet gemaakt worden van RVS om corrosie te voorkomen. De gewenste opslagtemperatuur van de urea moet tussen de +5 en +35 graden Celsius liggen, daarom is het verstandig om de tank en de leidingen te isoleren en te verwarmen. Als de voorraadtank ver van het NOR systeem staat, moet het systeem uitgebreid worden met een transfer pomp om cavitatie te voorkomen. De transferpomp moet zo dicht mogelijk bij de voorraadtank geplaatst worden. Daarna verpompt het de urea naar de dagtank die zo dicht als mogelijk bij de pomp unit van het NOR systeem geplaatst is. De dagtank moet een grootte hebben dat het systeem voor tien uur voorzien is van urea. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 30

38 3.2.1 Pomp unit Om het NOR systeem van urea te voorzien wordt een pomp unit gebruikt. De pomp unit zet het systeem onder druk en krijgt feedback van het controle- en doseersysteem. Afhankelijk van het controlesysteem zorgt de pomp unit voor de juiste hoeveelheid urea wat ingespoten wordt. Afbeelding 13 Pomp unit Doseersysteem Dit systeem zorgt er voor dat genoeg urea in de uitlaatgassen wordt gespoten. De hoeveelheid urea hangt af van de hoeveelheid NO x die aanwezig is in de uitlaatgassen. Het doseersysteem krijgt feedback van het controlesysteem. Het doseersysteem wordt aangesloten aan de air unit. Het doseersysteem zorgt ook dat de leidingen schoon geblazen worden met lucht wanneer het systeem afgezet is. Dit wordt gedaan met behulp van de perslucht wat op het systeem is aangesloten. Het doseer systeem wordt meestal zo dicht mogelijk bij de verstuiver geplaatst. Afbeelding 14 Doseer systeem Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 31

39 3.2.3 Controlesysteem De uitlaatgassen die uiteindelijk het reactorhuis uitkomen worden gecontroleerd door een controlesysteem. Met een pomp wordt een monster van de uitlaatgassen richting het controlesysteem gepompt. Het controlesysteem meet de overgebleven NO x in de uitlaatgassen. Het controlesysteem en de motor zijn op elkaar aangesloten. Het controlesysteem krijgt informatie zoals toerental en de belasting van de hoofdmotor. Hierdoor kan de ingespoten hoeveelheid urea goed afgesteld worden. Wanneer de belasting is aangepast, past het controlesysteem de ingespoten hoeveelheid urea ook aan. Hierdoor werkt het systeem zo efficiënt mogelijk. Het controlesysteem stuurt ook de roetblazers aan. Dit gebeurt op een vast tijdsinterval. Wanneer de hoofdmotor wordt ingeschakeld, schakelt het NOR systeem automatisch in. het uitschakelen van het NOR systeem gebeurt ook automatisch. Afbeelding 15 Lay-out controle systeem Mix pijp en verstuiver De mix pijp wordt in het uitlaatgassen kanaal van de motor geplaatst. In de mix pijp is een verstuiver en een static mixer geplaast. De verstuiver is geplaatst na de static mixer. De mix Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 32

40 pijp is nodig om genoeg tijd te creëren om de urea af te breken. Door de static mixer worden de uitlaatgassen turbulent en hierdoor wordt de urea gelijk verdeeld over de uitlaatgassen. De verstuiver zorgt ervoor dat de urea verneveld wordt in de mix pijp. Het vernevelen van de urea is belangrijk omdat de reactie oppervlakte wordt vergroot. De verstuiver is onderverdeeld in twee buizen. De binnenste buis is de urea toevoer en op de buitenste buis staat gecomprimeerde lucht van acht bar. Wanneer de gecomprimeerde lucht en de urea op hetzelfde moment ingespoten wordt, zorgt de luchtdruk ervoor dat de urea wordt verneveld. Afbeelding 16 Mix pijp Reactorhuis In dit gedeelte van het systeem wordt de mix van urea en uitlaatgassen omgezet in water en stikstof. De grote van het reactorhuis is afhankelijk van het motor vermogen. Grotere vermogens vragen om een groter reactorhuis. Het reactorhuis is zo geconstrueerd dat deze makkelijk in een schip gebouwd kan worden. Door de sleeën die in het reactorhuis zijn gemaakt, kunnen de katalytische elementen gemakkelijk vervangen worden. Hierdoor is het vervangen of het inspecteren van de elementen een gemakkelijke klus. Er zijn twee typen reactorhuizen, één is met drie katalytische elementen en de andere is met twee katalytische elementen achter elkaar. Logisch is dat het reactorhuis met drie katalytische elementen langer is. Het oppervlakte van de katalytische elementen zijn bij beide reactoren gelijk. De keuze tussen deze twee reactorhuizen is afhankelijk van de ruimte. De keuze wordt gemaakt tussen een breed kort reactorhuis met twee elementen. Of een lang en smal reactorhuis wat bestaat uit drie katalytische elementen. In het reactorhuis zit een roetblaassysteem deze is geplaatst voor de katalytische elementen. Wanneer de katalytische elementen vervuild zijn worden de elementen door het roetblaassysteem schoon geblazen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 33

41 Afbeelding 17 Reactorhuis buitenkant Afbeelding 18 Reactorhuis binnenkant Katalytische elementen De elementen zijn gepositioneerd in stalen sleeën in het reactorhuis. De elementen zijn in de vorm van een honingraad gemaakt zodat het katalytische oppervlak vergroot wordt. De elementen worden regelmatig schoon geblazen om roetvorming en verstopping te voorkomen. In de loop van tijd vermindert de katalytische werking van de elementen. Dit komt door de thermische belasting en vervuiling van de elementen. Wanneer de katalytische werking te klein is, worden de elementen vervangen. De elementen worden meestal tijdens hun 4 e 6 e jaargang verwisseld. 3.3 Werking van een NOR systeem Gebruikte stoffen De NO x die in de uitlaatgassen zitten worden omgezet tot onschadelijke stoffen door middel van urea. De urea wordt op twee verschillende manieren geleverd. Namelijk een 40% urea 60% water, of 32% urea 68% water. Dit moet van te voren vastgesteld worden omdat hier het systeem op afgesteld moet worden. Het is niet mogelijk om de twee oplossingen met elkaar te mengen. Wanneer veranderd wordt van oplossing moet de tank helemaal leeg zijn. De eigenschappen van de oplossingen is te zien in tabel twee en drie Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 34

42 Tabel 2 Kwaliteitseisen urea 40% oplossing Tabel 3 Kwaliteitseisen urea 32% oplossing Het gebruik van de 32% urea oplossing is toegestaan, Wärtsilä raadt het gebruik van de 40% oplossing aan. Deze oplossingen zijn ISO gecertificeerd, ISO is een norm die eisen stelt aan het kwaliteitsmanagementsysteem van de organisatie. Op de 32% en 40% zit deze norm namelijk ISO Het is niet toegestaan om urea te gebruiken wat gebruikt wordt als mest in de landbouw. Om de NO x te zuiveren uit de uitlaatgassen is ammoniak nodig, wanneer de urea in de mix pijp verstuift gaat het over van vloeistof naar gas en afbreken tot ammoniak en koolstofdioxide. Koolstofdioxide doet vervolgens niet mee aan de reactie. Ammoniak daar in tegen reageert met de NO x deeltjes en zet deze om in waterdamp en stikstof. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 35

43 Er kan geconcludeerd worden dat eigenlijk alleen ammoniak nodig is om de reactie te voltooien. De reden dat urea een voorkeur heeft om gebruikt te worden, is dat urea veiliger is om mee te werken en iets minder agressief is dan ammoniak Hoe wordt NO x omgezet naar N 2 en H 2 O Door de hoge temperatuur van de uitlaatgassen breekt urea af tot koolstofdioxide en ammoniak. De volgende reactie vindt plaats in de mix pijp: CO(NH 2 ) 2(l) + H 2 O (l) à CO 2(g) + 2NH 3(g) De urea komt in vloeibare toestand terecht in de mix pijp. Door de hoge temperatuur verdampt en breekt de urea af in koolstofdioxide en ammoniak. Het is belangrijk dat urea afbreekt en van fase verandert tot gas. Wanneer dit niet gebeurt vervuilt de urea de katalytische elementen. Tijdens het afbreken van urea komt ook CO 2 vrij. De hoeveelheid CO 2 is weinig in vergelijking met de CO 2 wat uitgestoten wordt door de hoofdmotor, daarom is dit verwaarloosbaar. Wanneer de CO 2 en NH 3 in de katalysator terecht komen gaat het 2NH 3 reageren met de aanwezige NO x. De volgende reactie vindt plaats in de katalysator. 6NO + 4NH 3 à 5N 2 + 6H 2 O 4NO + 4NH 3 + O 2 à 4N 2 + 6H 2 O 6NO 2 + 8NH 3 à 7N H 2 O 2NO 2 + 4NH 3 + O 2 à 3N 2 + 6H 2 O NO + NO 2 + 2NH 3 à 2N 2 + 3H 2 O In de reactie is te zien dat zowel NO als NO 2 wordt omgezet in stikstof en waterdamp. 3.4 Ongewenste reacties in de NOR installatie Het systeem is gebonden aan een werkgebied, wanneer het systeem buiten dit werkgebied komt ontstaan problemen. Dit is slecht voor het systeem want de elementen kunnen hun werking verliezen of de ze raken verstopt Ammoniumsulfaat Wanneer een brandstof met een te hoog zwavel gehalte gebruikt wordt en de temperatuur waarbij de urea ingespoten wordt te laag is ontstaan er een aantal ongewenste reacties. Deze ongewenste reacties hebben een negatieve werking op de katalytische elementen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 36

44 Bij te lage temperaturen vindt de volgende reactie plaats: 2SO 2 + O 2 à 2SO 3 Wanneer het element SO 3 reageert met water en ammoniak vindt de volgende reactie plaats: 2NH 3 + SO 3 + H 2 O à (NH 4 ) 2 SO 4 Bij deze reactie ontstaat ammoniumsulfaat, ammoniumsulfaat zet zich af op de katalytische elementen. Dit sluit het actieve oppervlak van de elementen af van de uitlaatgassen waardoor de reactie tussen NH 3 en NO x niet meer plaatsvindt Ammoniumwaterstofsulfaat Ammoniumwaterstofsulfaat ontstaat wanneer SO 3 met water en ammoniak reageert, zie reactie: NH 3 + SO 3 + H 2 O à NH 4 HSO 4 Ook Ammoniumwaterstofsulfaat zorgt ervoor dat het actieve oppervlakte van de elementen afgesloten worden van de uitlaatgassen. Stof/ roet Een hoog stofgehalte in de uitlaatgassen heeft een nadelig effect op de elementen. Het stof slaat neer op de elementen waardoor het actieve oppervlakte van de elementen wordt afgedekt. Door een hoog stofgehalte neemt de activiteit van het systeem af Ammoniakslip Ammoniakslip komt voor wanneer urea ingespoten wordt als het systeem niet volledig op temperatuur is. De temperatuur is nog niet hoog genoeg om de urea te laten verdampen. De ammoniak verlaat de katalysator en de schoorsteen als ammoniak. Dit is ten eerste slecht voor het milieu maar heeft ook tot gevolg dat het metaal in het uitlaatgassenkanaal aangevreten wordt. Ammoniak is een agressieve en corrosieve stof. Ammoniakslip ontstaat ook wanneer de feedback van het controlesysteem onjuist is. Dit komt vaak voor wanneer gemanoeuvreerd wordt, hierbij wordt de motor in korte tijd met verschillende vermogens belast. De verschillende belastingen kan door het controlesysteem niet bijgehouden worden waardoor een verkeerde hoeveelheid urea ingespoten wordt. Daarom is het tijdens het manoeuvreren verstandig om de NOR installatie stand-by te zetten. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 37

45 H4 Conclusie 4.0 inleiding Dit hoofdstuk bevat de conclusie over het onderzoek. 4.1 Conclusies De emissies die de schepen uitstoten hebben een slechte invloed op mens en milieu. Door de toenemende wereldhandel is in de laatste jaren een stijgende lijn in emissies te zien. Hierdoor is te zien dat het broeikas effect versterkt wordt en geen rekening gehouden wordt met het milieu. Als dit in een stijgende lijn door blijft gaan zijn de gevolgen niet te overzien. Concluderend kan gesteld worden dat door de invoer van MARPOL Annex 6 verandering gebracht wordt in de mate van milieu vervuiling. Door de NOR installaties wordt weer gekeken naar motoren met een zo hoog mogelijk rendement. In het verleden moesten de verbrandingstemperaturen naar beneden om de NO x te verminderen. Dit had tot gevolg dat het rendement van de motor omlaag ging. Door de Tier III regeling wordt de NO x uitstoot met 80% verminderd in vergelijking tot de huidige maximale NO x uitstoot. Hieruit wordt geconcludeerd dat met de Tier III regelgeving die vanaf 2016 van kracht gaat, de uitstoot van NO x voor het eerst in de geschiedenis goed en drastisch wordt aangepakt. De NOR installatie wordt al voor lange tijd gebruikt bij elektriciteitscentrales om de uitlaatgassen te reinigen. Het enige knelpunt om de installatie ook aantrekkelijk te maken voor schepen is de grote van het systeem. Door de beperkte ruimte van de machinekamers is het inbouwen van een NOR installatie een complexe klus. Daardoor is het inbouwen van het systeem in bestaande schepen prijstechnisch niet aantrekkelijk. Voor de schepen die groen willen worden, kan het systeem ingebouwd worden. Door de economische crisis is dit geen verstandige keuze. Stel de motor moet na 2016 noodgedwongen aangepast worden waardoor de NO x uitstoot verandert, valt dit onder een major conversion. Nu valt het schip onder de Tier III regeling en moet het NOR systeem ingebouwd worden. Het is daarom niet onverstandig om te onderzoeken wat het inhoud om een NOR systeem in te bouwen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 38

46 H5 Welke NOR installatie is geschikt 5.0 Inleiding In dit hoofdstuk wordt de motor, en de NOR installatie doorberekend om zo de keuze te maken welk NOR systeem geschikt is op de Jan van Gent 5.1 Algemeen De keuze van de NOR installatie is afhankelijk van het motor vermogen. Een motor met een groot vermogen verbrandt meer brandstof dus produceert een grote motor meer uitlaatgassen. Deze uitlaatgassen moeten behandeld worden door de NOR installatie het systeem moet dus aangepast worden aan het motor vermogen. 5.2 De hoofdmotor In het testprotocol van de hoofdmotor staan de belangrijkste gegevens van de motor. Met deze gegevens is meteen duidelijk wat voor motor het is. Zoals het vermogen, de verbrandingsvolgorde, draairichting en de NO x uitstoot. Test Protocol MAK 6M 43C 4 slag motor Inlaatslag Compressieslag Arbeidsslag Uitlaatslag P e = Vermogen 6000 kw n = Toerental 500 RPM D = Zuiger diameter 430 mm S= Slag 610 mm kruk drijfstang verhouding 0,236 Verbrandingsvolgorde Rotatie richting rechtsom NO x uitstoot 12 g/ kwh Tabel 4 Motor gegevens Met deze gegevens zijn nog een aantal gegevens over de motor uit te rekenen. Gegevens zoals de lengte van de drijfstang, de gemiddelde zuigersnelheid en het slagvolume van de motor. lengte drijfstang 1292 mm Zuigersnelheid 10,2 m/sec Slagvolume 0,089 m 3 Tabel 5 Berekende motor gegevens Lengte drijfstang = kruklengte krukas = Slag 2 kruk drijfstang verhouding Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 39

47 L! = 305 0,236 = 1292mm Gem. zuigersnelheid = 2 Slag[m] toerental [sec] Cz = 2 0, = 10,2 m/!"# Slagvolume = π 4 zuigerdiameter[m] slag[m] V! = π 4 0,43! 0,61 = 0,089 m! Totaal rendement Tijdens het verbranden van brandstof wordt een vermogen opgewekt door de dieselmotor, dit wordt het brandstof vermogen genoemd. Dit vermogen wordt niet volledig omgezet in mechanische arbeid. Een groot deel van het dit vermogen gaat verloren aan warmte via bijvoorbeeld het koelwatersysteem, smeeroliesysteem en de uitlaatgassen. Dit heeft tot gevolg dat het rendementen van een dieselmotor niet hoog is. Het rendement van een dieselmotor wordt uitgerekend met de volgende formule: η!"! = Of terwijl: P!(geleverde asvermogen) W toegevoegde brandstof vermogen η!"! = P! B Ho Test Protocol MAK 6M43C Belasting [%] P e [kw] p e [bar] SFC [g/ kwh ] ,77 213, ,55 190, ,03 188, , Tabel 6 Gegevens testprotocol P e = Effectief Vermogen p e = Effectieve druk SFC = specifiek brandstofverbruik Ho= stookwaarde Ho= Totaalrendement bij 100% belasting: η!"! = = 0,469 => 46,9% Belasting [%] Rendement[%] 25 41, , , ,9 Tabel 7 Rendement hoofdmotor Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 40

48 4.2.1 Massastroom uitlaatgassen In de theorie is voor een volledige verbranding van één kilogram brandstof, tussen de 14 en 14,5 kilogram lucht nodig. - 1 kmol koolstof ( C ) heeft een massa van 12 kg; - 1 kmol waterstof ( H 2 ) heeft een massa van 2 kg; - 1 kmol zwavel ( S ) heeft een massa van 32 kg; - 1 kmol zuurstof ( O 2 ) heeft een massa van 32 kg. Luchtmassa voor verbranding koolstof: - C + O 2 à CO 2 ; - 1kmol C + 1kmol O 2 à 1kmol CO 2 ; - 12kg C + 32kg O 2 à 44kg CO 2 ; - 1kg C + 32/12kg O 2 à 44/12kg CO 2. Er is 32/12 à 8/3 kg zuurstof nodig om één kilogram koolstof te verbranden. Hierbij wordt 44/12 à 11/3 kilogram rookgas gevormd. Luchtmassa voor verbranding waterstof: - 2H 2 + O 2 à H 2 O; - 2kmol H 2 + 1kmol O 2 à 2kmol H 2 O; - 4kg H kg O 2 à 36kg H 2 O; - 1kg H /4kg O 2 à 36/4kg H 2 O. Er is dus 32/4 à 8 kilogram zuurstof nodig om één kilogram waterstof te verbranden. Vervolgens wordt er 36/4 à negen kilogram waterdamp gevormd tijdens de verbranding. Luchtmassa voor verbranding zwavel: - S + O 2 à SO 2-1kmol S + 1kmol O 2 à 2kmol SO 2-32kg S + 32kg O 2 à 64kg SO 2-1kg S + 32/32kg O 2 à 64/32kg SO 2 Er is 32/32 à één kilogram lucht nodig om één kilogram zwavel te verbranden, vervolgens wordt er 64/32 à twee kilogram SO 2 gevormd door de verbranding De lucht is samengesteld uit 21% zuurstof, 78% stikstof en 1% edele gassen. Voor één kilogram zuurstof is dus: 100/21 à 4,762 kilogram lucht nodig. Met de onderstaande formule is de hoeveelheid lucht te berekenen die nodig is om alle koolstofdeeltjes, waterstofdeeltjes en zwaveldeeltjes te verbranden: ( 8 3 C + 8 H + 1 S ) Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 41

49 De brandstof zoals HFO bestaat ongeveer uit: - 80% koolstofdeeltjes; - 10 % waterstofdeeltjes; - 1% zwaveldeeltjes. Om de brandstof volledig te verbranden is de volgende luchthoeveelheid nodig: , , ,01 = 14,0kg 3 Uit deze formule is goed te zien waarom een motor met drukvulgroep meer vermogen levert dan een motor met zuigervulling. Bij een motor met drukvulling is de hoeveelheid lucht in de cilinder veel groter dan bij motor met zuigervulling. Hierdoor kan meer brandstof ingespoten worden. In de praktijk is de hoeveelheid lucht wat in de cilinder gaat nog vele malen groter. De lucht heeft namelijk nog een paar functies: - Verbranding; - Spoelen, uitlaatgassen verwisselen met verse lucht wat nodig is voor de verbranding; - Koelen van zuigerkroon, cilindervoering, in- en uitlaatkleppen. In de praktijk wordt meestal drie keer zo veel lucht toegevoerd dan nodig is voor de verbranding. In de praktijk wordt dus: 1 kg brandstof => 3 14 = 42 Kg lucht toegevoerd Belasting [%] Brandstofverbruik [kg/ h ] Brandstofverbruik [kg/ s ] , , , ,315 Tabel 8 Brandstofverbruik De motor heeft bij vol vermogen een brandstofverbruik van 1134 kg/ h dit is 0,315 kg/ s Om de brandstof te verbranden is dus: q!,!"#$#%&'(&)*+,-!! = 0, = 4,41 kg s De luchtovermaat heeft een factor drie waardoor de totale toegevoerde lucht het volgende bedraagt: q!,!"#!! = 4,41 3 = 13,23 kg s Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 42

50 De massastroom uitlaatgassen is uit te rekenen door de massastroom brandstof bij de massastroom lucht op te tellen: q!,!"#$%%#&%''() = 13,23 + 0,315 = 13,55 kg s Belasting [%] q m verbrandingslucht [kg/ s ] q m lucht [kg/ s ] q m uitlaatgassen [kg/ s ] 25 1,25 4,75 3, ,23 6,69 6, ,74 11,22 11, ,41 13,23 13,55 Tabel 9 Luchtverbruik 4.3 Temperaturen De temperatuur van de uitlaatgassen die de hoofdmotor verlaten zijn erg belangrijk voor de NOR installatie. Wanneer de temperaturen te laag zijn, komt de reactie tussen ammoniak en NO x niet opgang. Bij te hoge temperaturen verbrandt de ammoniak. Het is belangrijk om te kijken of de uitlaatgassen temperatuur van de motor in het werkgebied van de NOR installatie ligt. Het werkgebied van de installatie is brandstof afhankelijk maar ligt ongeveer tussen 300 C C. In tabel 10 zijn de uitlaatgassen temperatuur van de hoofdmotor op een rijtje gezet. Temperatuur bij verschillende belastingen Belasting Cyl. 1 Cyl. 2 Cyl. 3 Cyl. 4 Cyl. 5 Cyl. 6 voor turbo na turbo 25% % % % Tabel 10 Uitlaatgassentemperatuur De temperatuur na de turbo is belangrijk dit is namelijk de temperatuur van de uitlaatgassen wat door het NOR systeem gaat Temperatuur na mix pijp In de mix pijp wordt urea gemengd met de uitlaatgassen. De temperatuur van de uitlaatgassen ligt natuurlijk een stuk hoger dan de temperatuur van de ingespoten urea. Wanneer dit met elkaar gemengd wordt daalt de temperatuur van de uitlaatgassen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 43

51 Om de temperatuur uit te rekenen na de mix pijp zijn eerst een paar belangrijke gegevens nodig: - Wat is het urea verbruik; - De temperatuur van de urea moet tussen de +5 C C zijn. De machinekamer temperatuur is gemiddeld 30 C. Omdat de urea dagtank in de machinekamer staat is de urea ook 30 C ; - De massastroom van de urea; - Warmtecapaciteit van urea. De ingespoten urea bestaat uit 40% urea en 60% water, specialisten bij Wärtsilä zeggen dat de warmtecapaciteit van water gebruikt moet worden. De warmtecapaciteit van water is bij 30 graden 0,581 kj/ kg*k ; - De temperatuur van de uitlaatgassen zijn 300 graden, de warmtecapaciteit van de uitlaatgassen zijn 1,13 kj/ kg*k ; - De temperaturen zijn in de formule in Kelvin, bij de temperatuur na de turbo moet 273 opgeteld worden. Het urea verbruik wordt met de volgende formule uitgerekend: q!,!"#$! P!"#"$ m!"# M!"#$ 2 M!"! P!"#"$ 0,1 10 C!"#$ ρ!"#$ q m,urea = Massastroom urea [l/ h ] P motor = Vermogen motor [kw] 6000 m NO2 = NO 2 (NO x ) na motor - NO x na NOR [g/ kwh ] 12 0,6 = 11,4 M urea = molaire massa urea [g/ mol ] 60,07 M NO2 = molaire massa NO x [g/ mol ] 46,01 C urea = Urea concentratie [%] 41 ρ urea = dichtheid urea [kg/ l ] 1,1 De NO x uitstoot van de motor bedraagt 12 g/ kwh Het NOR systeem maximaal 95% van de NO x uitstoot reduceren, na de NOR installatie blijft dus 0,6 g/ kwh over. q!,!"#$ = ,4 60, , ,1 = 100, ,1 l h Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 44

52 Afbeelding 19 Tier III Bij de Tier III regelgeving staat de volgende formule. 9,0 toerental (!!,!) g kwh. Het toerental van de hoofdmotor is 500 toeren per minuut. Om het systeem op het randje van de Tier III te laten draaien mag de motor : 9 500!!,! = 2,6 g kwh Wanneer het urea verbruik opnieuw wordt uitgerekend en het grensgebied van Tier III wordt aangehouden, mag de maximale uitstoot van NO x 2,6 g/ kwh in plaats van 0,6 g/ kwh zijn. q m,urea! P motor m NOx M urea 2 M NO2 P motor 0, 1 10 C urea ρ urea q!,!"#$ = ,4 60, , ,1 = ,1 l h Als op de grens van het Tier III gebied gedraaid wordt = 17 l h urea bespaard. De kosten van een liter urea zit ongeveer op 40 cent per liter. Wanneer op het randje van Tier III gedraaid wordt, levert dit besparing op van ,- per jaar. Om het temperatuurverschil uit te rekenen is het urea verbruik nodig in kg/ sec. q!,!"#$ ρ!"#$ ,33 1,1 = 0,031 kg 3600 sec Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 45

53 Nu de massastroom urea bekend is, is het mogelijk om de temperatuurdaling van de uitlaatgassen te berekenen. De grootste temperatuurdaling is te verwachten wanneer 100 liter urea per uur verbruikt wordt. Om de temperatuurdaling uit te rekenen moet de Q(warmte) voor inspuiting + Q(warmte) na inspuiting gelijk gesteld worden aan 0. De Q voor inspuiting zijn met de uitlaatgassen gegevens uit te rekenen. - Cp van de uitlaatgassen: 1,13 kj/ kg*k ; - Massastroom van de uitlaatgassen: 13,55 Kg/ s ; - Delta T in Kelvin: 573 K. De Q na inspuiting zijn met de zijn met de urea gegevens uit te rekenen. - Cp van urea is gelijk aan cp water: 0,581 kj/ kg*k ; - Massastroom van de uitlaatgassen: 13,55 Kg/ s ; - Delta T in Kelvin: 313. T!"!"#$%&'!"# = Q!""#!"#$%!&!"' + Q!"!"#$%!&!"' = 0 cp! m! T! + cp! m! T! = 0 T!"!"#$%&'!"# m! cp! T! + m! cp! T! m! cp! + m! cp! 13,55 1, ,031 0, ,55 1,13 + 0,031 0,581 = 572K De temperatuur na de turbo is 573 K, de temperatuur na de verstuiver is 572 K. Het is met één K of één graad gedaald. Dit temperatuurverschil is te verwaarlozen. Uit deze verwaarloosbare temperatuurdaling is dus ook meteen te concluderen: Het installeren van een NOR systeem heeft geen gevolgen op het systemen die werken op basis van de uitlaatgassen temperatuur. Hiermee wordt bedoeld een systemen zoals een uitlaatgassen ketel. 4.4 Werkgebied van het systeem De temperatuur waarbij de reactie van NH 3 en NO x op gang komt is 850 C C. De katalysator zorgt ervoor dat de reactietemperatuur verlaagd wordt naar 300 C C. Er vinden op dit moment onderzoeken plaats om de temperaturen nog verder te verlagen naar zelfs 180 C. Bij uitlaatgassen temperatuur van 480 C of hoger verbrand de ammoniak en kan het niet meer reageren met de NO x. Het werkgebied van de installatie is afhankelijk van het zwavelgehalte van de brandstof. Wanneer de uitlaatgassen temperatuur te laag is en de brandstof heeft een te hoog zwavelgehalte ontstaat ammoniumsulfaat en ammoniumwaterstofsulfaat. In afbeelding 20 is Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 46

54 te zien welke temperaturen de uitlaatgassen minimaal moeten hebben om te voorkomen dat deze reactie tot stand komt. Afbeelding 20 Werkgebied NOR installatie De uitlaatgassentemperatuur na de turbo is 300 C. Wanneer in de grafiek een horizontale lijn getrokken wordt op 300 C en een verticale lijn op dit snijpunt. Mag het maximale zwavel percentage van de brandstof 0,75% zijn. Wanneer de brandstof boven dit percentage terecht komt ontstaan ongewenste reacties in het systeem. 4.5 De opslagtank De opslagtank kan op twee verschillende manieren gerealiseerd worden: - Een ballasttank wordt omgebouwd tot de urea opslagtank; - De urea opslag wordt in vorm van een containertank aan boord gezet. Optie twee is een goede optie, bij de containertank moet een Manfield gemaakt worden waar de container op aangesloten wordt. Bij dit Manfield wordt een transferpomp geplaatst die de urea naar de dagtank in de machinekamer pompt. In de afbeelding 21 is te zien dat de achterste container Bay boven de machinekamer is gepositioneerd. Dit is een goede plek om de container neer te zetten. Als de tankcontainer op deze positie geplaatst wordt kunnen de luiken nog steeds bediend worden. Het enige nadeel van deze oplossing is dat op deze Bay nu één container minder geplaatst kan worden. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 47

55 Afbeelding 21 Overzicht schip voor plaatsen van tankcontainer De capaciteit van een twintig voet tankcontainer varieert tussen de liter. Het ledige gewicht van de container is 3695 kg. Het maximale gewicht van de container varieert tussen de en kg. De container mag dus maximaal 39 ton wegen, wanneer hier het gewicht van de container afgetrokken wordt blijft er kg over. Er kan dus kg urea per tankcontainer opgeslagen worden. Bij vol vermogen zijn de volgende gegevens bekend: - Urea verbruik: 83 liter l/ h ; - Soortelijk gewicht urea: 1,1 kg/ l ; - Massa urea per uur: 91 kg/ h ; - Snelheid: 16 mijl/ h. aantal uur op 1 tankcontainer =!"!#"!" = 387 uur Met één volle container urea kan het schip zestien dagen varen, dit komt overeen met 3584 zeemijl. Een route waarmee je dit kan vergelijken is van Houston naar Québec. In Europa kan met één container gevaren worden vanaf het oosten van de vijf graden west lijn naar Sint Petersburg en vervolgens weer terug naar de vijf graden west lijn. Met één container kan dus een ECA gebied overgestoken worden zonder dat het onderweg bijgevuld moet worden. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 48

56 4.6 Pomp unit De pomp unit bestaat uit twee schroefpompen. Met twee pompen kan onderhoud aan één pomp gepleegd worden zonder dat het systeem afgezet moet worden. Ook is dit een back-up zodat het systeem niet plat gaat wanneer één pomp uitvalt. De pompen zijn elektrisch aangedreven schroefpompen. Zie afbeelding 22 Afbeelding 22 Schroefpomp De schroefpomp moet afgesteld worden op het urea verbruik van het systeem. Het maximale urea verbruik is 100 liter per uur, dit moet de pomp in ieder geval op brengen. De schroefpomp moet corrosie bestendigt zijn in verband met aanraking van urea. Daarom worden de gedeeltes die in aanraking komen met urea gemaakt van RVS. Bij de pomp unit wordt standaard bijgeleverd: - filter om de pompen en de rest van het systeem tegen vuil te beschermen; - Terugslag kleppen na de pompen zodat de urea niet terug kan stromen; - Controlesysteem om de druk en temperatuur in de gaten te houden; - Overdruk klep om het systeem tegen overdruk te beschermen. 4.7 Het reactorhuis De afmetingen van het reactorhuis zijn afhankelijk van het motor vermogen. Wärtsilä heeft een overzicht gemaakt van de afmetingen van het reactorhuis bij verschillende motorvermogens. Er zijn twee verschillende reactorhuizen mogelijk, namelijk een kort breed huis of een lang smal huis. Doordat bij de Jan van Gent het uitlaatgassenkanaal boven de thermische olieketel langs loopt valt het brede maar korte reactorhuis af. Op de Jan van Gent is de enige mogelijkheid om een lang en smal reactorhuis te plaatsen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 49

57 Tabel 11 Afmeting van reactorhuis De hoofdmotor op de Jan van Gent heeft een vermogen van 6000 kw, dit vermogen is niet te vinden in het tabel 11. De reactor voor 5 MW heeft te weinig capaciteit om de uitlaatgassen schoon te maken. De installatie is gebouwd voor een motor vermogen van 7,5 kw en heeft een overcapaciteit maar is toch verstandig om deze installatie te nemen. De afmetingen van de reactor staan in tabel 12 Afmetingen reactorhuis vermogen L H W Flanges DN Gewicht Tabel 12 Afmetingen reactorhuis Het vermogen is uitgedrukt in MW, de afmetingen zijn uitgedrukt in millimeter en het gewicht in kg. De afmetingen van het reactorhuis is inclusief 150 mm isolatie materiaal wat om het reactorhuis zit. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 50

58 4.8 Katalytische elementen In het reactorhuis zijn drie katalytische elementen achterelkaar geplaatst. De afmetingen van de katalytische elementen zijn: afmetingen elementen L B H Gewicht Tabel 13 Afmetingen van elementen In het reactorhuis zijn speciale frames gemaakt waar de elementen ingeschoven worden. Door deze frames zijn de elementen makkelijk te verwisselen. Het gewicht van de elementen zijn tot het minimum gehouden, de elementen wegen veertig kilo per stuk. Hierdoor zijn de elementen makkelijk te hanteren tijdens het vervangen. Het aantal cellen per element is afhankelijk van het zwavel percentage in de brandstof. Wanneer HFO gebruikt wordt zijn het aantal cellen per element 30 x 30, wanneer er MDO gebruikt wordt zijn het aantal cellen per element 40 x 40. HFO heeft minder cellen omdat bij het verbranden van HFO meer vuil bij vrij komt. Wanneer er minder cellen gebruikt worden, zijn de cellen groter en verstoppen deze minder snel. De afstand tussen twee elementen varieert tussen de 600 en 700 millimeter. Omdat de Jan van Gent altijd op HFO vaart zal deze alleen de elementen van 40 x 40 met een afstand van 700 millimeter aan boord moeten hebben. 4.7 Air unit De Air unit zorgt voor werklucht op het NOR systeem. De werklucht staat op het doseersysteem en staat ook op het roetblaassysteem om de afzetting van de katalytische elementen te blazen. Voordat de lucht het systeem ingaat, moet de lucht eerst door een luchtfilter en een waterafscheider. Op de air unit zitten drukmeters en drukregelaars. Het luchtverbruik van de air unit is: Hier bij is: V!"#!! = 0,007 P + n 15 V lucht = luchtverbruik [Nm 3 / h ] P= Motor vermogen [kw] n= aantal motoren met NOR V!"#!! = 0, = 57 Nm! h Dit is het maximale luchtverbruik, dit wordt gebruikt als het systeem stil staat en de leidingen en katalytische elementen schoon geblazen worden. Het luchtverbruik is ongeveer 20% minder wanneer het systeem in werking is. Het roetblaassysteem neemt tijdens zijn werking Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 51

59 zes Nm 3 /h. Op de verstuiver staat een luchtdruk van vier bar. Op het roetblaassysteem staat een druk van acht bar. 4.8 Elektrisch verbruik De pomp unit en het controle- doseersysteem vragen vermogen van het boordnet. - Controle- doseersysteem: 0,5 kw; - Pomp unit afhankelijk van vermogen: 0,4 3,0 kw. Het systeem is leverbaar in 400V/50 Hz of 440V/60 Hz of wordt speciaal aangepast aan het boordnet. Het boordnet van de Jan van Gent is 400V/50 Hz. 4.9 Onderhoudsschema Interval Unit Benodigd onderhoud 6 maanden Urea pomp unit Pomp overhalen Urea pomp unit Filter inspectie Urea verstuiver Verstuiver controleren en schoonmaken 1 jaar Reactor Inspectie van reactor en elementen + schoonmaken Leidingwerk en flexibels Inspecteren Controle instrumenten Inspecteren en testen van het systeem 2 jaar of 5000 uur Urea pomp unit Electromotoren smeren Wanneer nodig Doseersysteem Systeem inspectie inclusief leiding connecties en kabels Roetblaassysteem Schoonmaken en inspecteren van de kleppen en nossels Tabel 14 Onderhoudsschema Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 52

60 H5 Constructie 5.0 Inleiding In dit hoofdstuk wordt onderzocht welke materialen gebruikt worden in de NOR installatie. 5.1 Wat voor materiaal wordt gebruikt Ammoniak is een agressieve bijtende stof is. Urea gedraagt zich ongeveer hetzelfde als ammoniak ten opzichte van metalen. In aanwezigheid van water worden metaalsoorten zoals koper, tin, zilver en zink zeer snel aangetast. Metalen Droge NH 3 vochtige NH 3 Aluminium M M Koper en legeringen G S koper - Silicium legeringen M S gewoon staal S G RVS G G Zilver en legeringen G S Nikkel G S Kunststof G G Tabel 15 Weerstand van metalen tegen ammoniak In Tabel 15 is een overzicht van de weerstand van metalen tegen Ammoniak gemaakt. De letters in het tabel staan voor het volgende: G: goede weerstand tegen Ammoniak; M: matige weerstand tegen Ammoniak; S: slechte weerstand tegen Ammoniak. Bij de bouw van dit systeem kan dus niet gekozen worden voor het goedkoopste materiaal. Er moet van te voren eerst gekeken worden of dit materiaal gebruikt kan worden in combinatie met ammoniak. Daarom worden alle delen in de NOR installatie die in aanraking komen met urea gemaakt van RVS RVS RVS (roestvaststaal) is een legering van ijzer, chroom en andere elementen die in veel omgevingen bestand zijn tegen corrosie. Om van roestvaststaal te spreken, is minimaal 10,5% chroom en maximaal 1,2% koolstof nodig. Verder zijn in veel soorten roestvaststaal ook de elementen molybdeen, titanium, mangaan, stikstof en silicium terug te vinden. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 53

61 Wärtsilä raadt aan om RVS AISI 316 te gebruiken dit is een corrosiebestendige maar duurder soort RVS. AISI 316 bestaat uit 16% chroom, 10% nikkel en 2% molybdeen. Dit type is beter bestand tegen spleet-, spanning-, en zoutcorrosie. Het is makkelijk te bewerken, is schokbestendig en heeft een groot temperatuurbereik zowel hoge als lage temperaturen. 5.2 Waar wordt de katalysator van gemaakt De katalysator wordt voor het grootste gedeelte gemaakt van titanium dioxide wat in een honinggaard patroon gelegd wordt zoals in afbeelding 25 te zien is Afbeelding 23 De honinggraat constructie van de katalysator De elementen zijn gemaakt van een poreus materiaal dat bestaat uit 80% Titanium dioxide TiO 2 en 13% Wolfraam tri oxide. Over het poreuze materiaal wordt 4,5% Vanadium pent oxide verspreid, dit is het actieve katalytische materiaal van de katalysator. Vanadium pent oxide verlaagt de energiebarrière door tijdelijk zuurstof atomen af te staan aan de reactie tussen NO x en NH 3. Tijdens deze reactie verandert het Vanadium pent oxide niet van moleculaire structuur. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 54

62 H6 Kosten NOR installatie 6.0 Inleiding In dit hoofdstuk wordt berekend wat het ongeveer gaat kosten om met een NOR installatie te varen. 6.1 Algemeen De totale kosten van de inbouw van een NOR installatie is afhankelijk van een aantal factoren. Het is natuurlijk van belang voor het schip dat de kosten van de installatie zo laag mogelijk blijft. Om achter de exacte kosten van de inbouw te komen moet een scheepswerf een prijsopgave maken. De scheepswerf kan de hele inbouw doorrekenen zoals materiaal kosten, man uren, krachten berekeningen etc. Op deze manier wordt een plan van aanpak gemaakt en wordt berekend wat de inbouw gaat kosten. In dit hoofdstuk staat beschreven waar rekening mee gehouden moet worden tijdens de verbouwing. 6.2 Downtime Als de Jan van Gent geen lading vervoert, komt er geen geld binnen. Gesteld kan worden hoe langer de downtime is des te hoger de kosten worden. Het is belangrijk dat van te voren een planning gemaakt wordt. Deze planning moet zo snel, efficiënt en reëel mogelijk zijn. De voorbereiding van de installatie kan al gedaan worden wanneer het schip in bedrijf is. Een monteur komt langs en meet alvast alle maten op. Wanneer dit is gebeurd kan de tekening gemaakt worden waar het NOR systeem geplaatst wordt. Tijdens een anual of special survey moet het schip droog gelegd worden, dit zou de perfecte gelegenheid zijn om ook het systeem in te bouwen. Tijdens het droogdok wordt de hoofdmotor niet gebruikt dus is dit de beste en efficiëntste periode om de verbouwing te plannen. De tijd die nodig is voor de survey en de reparatie werkzaamheden, komt overeen met de tijd die nodig is om de NOR installatie in te bouwen. Het in bedrijf stellen van de installatie valt hier buiten, het in bedrijfstellen van de installatie kan ook wanneer het schip aan het varen is. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 55

63 6.3 Scheepswerf De kosten van de installatie zijn afhankelijk van de scheepswerf die de verbouwing heeft aangenomen. De kosten van de installatie zijn afhankelijk van veel factoren. Afhankelijk van de positie van het schip, wordt de keuze gemaakt welke scheepswerven de opdracht krijgt. De scheepswerven moeten de klus doorrekenen en een prijsopgave maken. Het is verstandig om in overleg met de leverancier van de NOR installatie de keuze te maken. Stel de leverancier heeft goede ervaringen met een scheepswerf, gaat de voorkeur daar vanzelfsprekend naar uit. 6.4 Complexiteit Om een NOR installatie in een bestaand schip te bouwen is vrij complex, de machinekamer moet namelijk omgebouwd worden om het reactorhuis te plaatsen. Ook de systemen zoals de pomp unit, opslagtank, controle kast etc. moeten allemaal een plek krijgen. Bij het inbouwen van een NOR installatie is het verbouwen van de machinekamer nodig. Het is niet alleen het bestaande systeem wat op een andere plek wordt geplaatst, ook het leidingwerk en elektriciteit moet omgelegd worden. Hierdoor is het inbouwen van een NOR systeem in een bestaande machinekamer een uitdagende en dure klus. 6.5 Aanschaf NOR systeem Wanneer het NOR systeem bij Wärtsilä aanschaft wordt, begint het met een standaard pakket. Dit pakket is nog uit te bereiden met een aantal extra mogelijkheden. Het standaardpakket heeft de volgende inhoud: - Reactorhuis met katalytische elementen; - Mix buis en verstuiver; - Doseer unit; - Pomp unit; - Roetblaassysteem; - Controlesysteem. De aanschaf prijs van een NOR systeem ligt tussen de 30,- en 50,- per kw het standaardpakket ligt dus ongeveer rond de 30,- per kw dit betekent dat het systeem ongeveer ,- kost. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 56

64 Het standaardsysteem voldoet niet op de Jan van Gent. Dit komt doordat een aantal onderdelen missen namelijk: - lucht tank en compressor; - urea voorraadtank; - isolatie materiaal. De investering blijft niet bij ,- in het slechtste geval zit de aanschafprijs van het NOR systeem rond de , Operationele- en onderhoudskosten van NOR systeem Alleen bij de aanschaf van het NOR systeem blijft het niet. Doordat het systeem urea nodig heeft om te werken wordt de urea ook ingekocht. De werking van de katalytische elementen neemt in de loop der tijd ook af. De levensduur van de elementen is vooral afhankelijk van het zwavelgehalte van de brandstof. 6.7 Kosten urea De kosten van een ton urea is afhankelijk van de wereldmarkt, de prijs schommelt de laatste tijd tussen de 160,- en 200,- in. Op vol vermogen verbruikt het systeem 91 kg/ h, dit is 1911 kg/ dag bijna twee ton per dag. Het systeem verbruikt dus maximaal 400,- aan urea per dag. 6.8 Onderhoudskosten De onderhoudskosten zijn sterk afhankelijk van de soort brandstof. Brandstof met een hoog zwavel gehalte die in de regelmaat goedkoper is, heeft een negatief effect op de onderhoudskosten. De onderhoudskosten van het systeem blijven het laagst wanneer een brandstof gekozen wordt met een zwavel gehalte van 0%. Om de optimale verhouding uit de brandstofkosten/ onderhoudskosten te halen moet gekeken worden waar het break even punt ligt. Bij welk zwavelpercentage kunnen de onderhoudskosten maximaal onderdrukt worden zonder dat teveel geld aan de zwavelarme brandstof uitgegeven wordt. Afhankelijk van het zwavel gehalte van de brandstof gaan de elementen twee jaar tot maximaal drie jaar mee. Het vervangen van de elementen kost tussen de ,- en ,-. In het slechtste geval kost het vervangen dus ,- per jaar. De onderhoudskosten voor het vervangen van de overige onderdelen van het systeem, zitten bij de kosten voor het vervangen van de elementen in. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 57

65 6.9 Financiële voordelen van NOR installatie Het installeren van een NOR installatie op de Jan van Gent heeft niet direct een financieel voordeel. In werkelijkheid kost het alleen maar geld. Dit komt door een aantal factoren: Brandstof besparing De hoofdmotor is een Tier I motor. Deze motor is niet extreem aangepast voor een lage NO x uitstoot. Tier II motoren daar in tegen zijn zo geoptimaliseerd dat de NO x uitstoot minimaal is. Dit wordt gedaan door de eind verbrandingstemperatuur zo laag mogelijk te houden. Dit heeft het nadeel dat lage verbrandingstemperaturen gepaard gaan met een slecht motor rendement. Wanneer achter een Tier II motor een NOR installatie geplaatst wordt kunnen de verbrandingstemperaturen verhoogd worden. Hierdoor gaat het rendement van de motor omhoog en op die manier wordt brandstof bespaard. Het installeren van een NOR installatie achter een Tier I motor heeft geen grote invloed op het motor rendement. Hierdoor heeft de NOR installatie geen brandstof besparing tot gevolg Havengeld reductie Om havengeld reductie te krijgen moet het schip eerst aangemeld worden voor het ESI en CSI keurmerk. Vervolgens moet het schip 31 punten of meer scoren. De score is afhankelijk van een aantal factoren namelijk: - NO x : is geëlimineerd door de NOR installatie; - SO x : Afhankelijk van soort brandstof. Om een goede SO x score te krijgen is het noodzakelijk om de zwaveluitstoot zo laag mogelijk te houden. Dit gebeurt wanneer het schip op laagzwavelige brandstof vaart. Dit heeft als nadeel dat laag zwavelige brandstof duurder is dan gewone HFO. Om een goede SO x score te krijgen is het bijna noodzakelijk om op MDO te varen. Het prijsniveau tussen HFO, HFO low sulfer en MDO is enorm. Tabel 16 HFO380 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 58

66 Tabel 17 HFO380 LS Tabel 18 MDO LS 6.10 Voorbeeld De Jan van Gent vaart ongeveer 2/3 van het jaar op zee. 1/3 in een ECA gebied en 1/3 buiten een ECA gebied. Dit betekent dat 1/3 van het jaar geen brandstof wordt verstookt, 1/3 van het jaar normale brandstof verstookt wordt en 1/3 van het jaar op laagzwavelige brandstof gedraaid wordt. Met deze gegevens kan tabel 19 gemaakt worden: Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 59

67 Kosten per jaar met NOR systeem Brandstofverbruik 16 t/dag Urea verbruik 2 t/dag Vaardagen 240 dagen In ECA gebied 120 dagen buiten ECA gebied 120 dagen Brandstof Kosten per ton in $ Kosten per ton in HFO ,50 419,23 MDO 0,1%S 797,50 620,86 Urea 180,- per dag per jaar Onderhoud 87, ,00 Kosten per dag per jaar 120 dagen HFO 6.707, , dagen MDO 9.933, , dagen Urea 180, ,- Totale kosten per dag per jaar 5.677, ,80 Tabel 19 Kosten plaatje met NOR installatie Om de kosten uit te rekenen zijn de gemiddelde kosten genomen van urea 180,-. Ook de gemiddelde onderhoudskosten zijn gebruikt. Het vervangen van de katalytische elementen kost ,- de elementen moeten na 2,5 jaar vervangen worden. Om één van de 25 schepen te zijn die in aanmerking komen op havengeld reductie is het schip twee miljoen kwijt aan brandstof, urea en onderhoud. In deze berekening zijn de aankoop en inbouwkosten van het NOR systeem niet meegerekend. Wanneer het schip behoort tot de 25 schepen met het ESI keurmerk, is de kans groot dat deze ook in aanmerking komt voor het CSI keurmerk. Als het schip in aanmerking komt voor het CSI keurmerk, wordt het schip eerder benaderd door bedrijven zoals Volvo en H&M. Deze bedrijven willen hun producten zo groen mogelijk afleveren bij hun klant. Schepen die in aanmerking komen voor het CSI keurmerk krijgen een hogere dagprijs voor het verschepen van deze producten. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 60

68 Verschil met NOR systeem en zonder NOR systeem De kosten om met een NOR systeem te varen is ,80 per jaar. Wanneer het schip zonder NOR systeem vaart, hoeft het schip niet aan de strenge emissie eisen te voldoen. De motor is al een Tier I motor en deze draait op HFO380 buiten ECA gebieden en HFO380 low sulfer in ECA gebieden. In tabel 20 zijn deze kosten berekend. Kosten per jaar zonder NOR systeem Brandstofverbruik 16 t/dag Urea verbruik 2 t/dag Vaardagen 240 dagen In ECA gebied 120 dagen buiten ECA gebied 120 dagen Brandstof Kosten per ton in $ Kosten per ton in HFO ,50 419,23 HFO380 LS 552,00 429,74 Kosten per dag per jaar 120 dagen HFO 6.707, , dagen HFO LS 6.875, ,80 Totale kosten per dag per jaar 4.465, ,40 Tabel 20 Kostenplaatje per jaar zonder NOR systeem Is de investering terug te verdienen? Het verschil in jaarkosten tussen met NOR systeem met ESI en CSI keurmerk en zonder NOR systeem is: verschil = , ,40 = ,41 Kosten verschil per dag komt neer op: , = 1.211,37 Om quitte te spelen op de hogere brandstof + urea kosten, moet het schip in vorm van havengeld reductie + hogere dagprijs door CSI keurmerk een dagprijs verhoging hebben van 1.211,37. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 61

69 Afbeelding 24 is een overzicht van de havenkosten in Rotterdam voor de Jan van Gent. Afbeelding 24 Havenkosten Rotterdam De korting van 10% wordt over het gedeelte harbourdues berekend. 7472,70 10% = 747, De Jan van Gent heeft een vaste ronde waarbij het schip in drie havens aankomt waar het schip korting op het havengeld krijgt. De harbourdues in alle drie de havens is De die aangelopen worden zijn: - Rotterdam; - Hamburg; - Gotenburg. 2/3 van het jaar vaart het schip, dit staat gelijk aan 243 dagen. Het schip doet er 11 dagen over om deze steden aan te lopen. Dit komt neer op 22 calls per haven per jaar. Maximaal heeft het schip per haven 20 calls per kwartaal met korting. Het schip krijgt dus elke call de korting op het havengeld. Per jaar heeft het schip dus 66 calls met korting. Dit bespaard dus per jaar: ,20 = ,20 De kosten van het urea verbruik per jaar is ,-. De korting van het havengeld dekt dus de kosten van het urea verbruik. Daarnaast zijn de kosten van het onderhoud de extra brandstofkosten niet gedekt door de korting. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 62

70 Om de brandstofkosten en onderhoudskosten quitte te spelen moet het schip een goed betaald charter krijgen door het CSI keurmerk. De totale dagprijs verhoging moet 1.211,37 zijn. Hier gaat de korting van het havengeld af dit is per dag: , = 135, ,37 135,10 = 1076,27 De dagprijs verhoging door het CSI keurmerk moet dus minimaal 1076,27 zijn. Anders kan het varen met een NOR installatie niet kosten dekkend worden. Een verhoging van een dagprijs met bijna 1000,- is een forse prijsstijging. Vooral omdat de economische crisis in de scheepvaart nog steeds niet voorbij is. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 63

71 H7 Conclusie 7.0 inleiding In dit hoofdstuk wordt aan de hand van de aanbevelingen antwoord gegeven op de hoofdvraag: Gaat de Jan van Gent voldoen aan Tier III als deze gebruik gaat maken van een NOR systeem en is dit financieel haalbaar? 7.1 Conclusie De Jan van Gent voldoet aan de Tier III regeling als een NOR installatie wordt ingebouwd. De NO x uitstoot kan zelfs verder terug gedrongen worden dan wettelijk nodig is. Dit is voordelig want hiermee worden punten gescoord voor de ESI en CSI keurmerk. Aan de hand van het onderzoek of de NOR installatie past in de Jan van Gent, is gekeken naar de temperatuur van de hoofdmotor, werkgebied van het NOR systeem en of het gebruik van de NOR installatie invloed op andere systemen heeft. De uitkomst van het onderzoek is dat het systeem op alle gebieden goed samenwerkt met de huidige situatie aan boord. De temperaturen van de hoofdmotor komen overeen met het werkgebied van de NOR installatie. Door het inspuiten van de urea daalt de uitlaatgassen temperatuur niet meer dan één graden. Hierdoor kan gesteld worden dat de NOR installatie geen invloed heeft op de werking van de uitlaatgassenketel. Financieel gezien is het onaantrekkelijk om een NOR installatie in te bouwen. Doordat nog niet genoeg havens het ESI keurmerk opgenomen hebben in het havenbeleid. Krijgen de schepen niet genoeg korting om het gebruik van een NOR installatie financieel quitte te spelen. Uiteindelijk legt de eigenaar van het schip dus alleen geld bij om met een milieu vriendelijk schip te varen. Het eindoordeel is: zolang de verschillende landen, overheden en havens de scheepseigenaren niet tegemoet komen in vorm van subsidie voor de inbouw van het systeem en korting op het havengeld, is het niet de moeite waard om vrijwillig een NOR installatie in te bouwen. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 64

72 Referenties Boekwerken [1] P. van Maanen. Scheepsdieselmotoren; [2] W. Smit. Hulpwerktuigen 1; [3] W. Smit. Hulpwerktuigen 2; [4] UBE-MaK. Oparations and maintenance manual; [5] MaK. Project guide; [6] A Stoomtabellen [7] W. Buijze Thermodynamica [8] Malberg Havo 5 Scheikunde boek Documenten [9] MAK Testprotocol 6M43 [10] Caterpillar Marine Brochure M43 Low Emission Engine [11] Jacob Sinkeldam Clean shipping index [12] Solfic Tier 3 SCR solutions and system configurations [13] Wärtsilä Wärtsilä NO x Reducer (NOR) [14] Wärtsilä Wärtsilä Environmental Product Guide [15] L.C. Den Boer Hoe schoon is de zeevaart [16] DNV MARPOL Brochure Internet [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 65

73 Bijlagen Bijlage I Surveys and inspections Following the regime of the IAPP certificate, the diesel engines will also be subject for the following surveys: - An initial survey before the ship is put into service or before the IAPP Certificate is issued for the first time. - Periodical surveys at intervals specified by the Administration, but not exceeding five years. A minimum of one intermediate survey during the period of validity of the certificate. - Annual Surveys (or a Flag Administration may instead implement unscheduled inspections as an alternative to Annual surveys) - An initial survey if the manager wants to change to an other onboard verification procedure than the one stated in the Technical File (the most common method is the Engine Parameter Check Method ) If the Engine Parameter Check Method is the selected onboard verification procedure, the surveyor will typically want to see during initial and periodical surveys: - EIAPP Certificates (or Certificates/Statements of Compliance) for all applicable diesel engines onboard - Approved Technical Files including Onboard verification procedure for all the applicable diesel engines onboard - Record Book of Engine parameters for all the applicable diesel engines onboard - One or all of the identified components, settings or operating values specified in the engines Technical File. Available spare parts may be used as an alternative to opening up the engine in order to verify the IMO-markings on the NOx-influencing components. If the Simplified Measurement Method is the selected onboard verification procedure, the surveyor will witness the testing in addition to review the following documentation during initial and periodical surveys: - EIAPP Certificates (or Certificates/Statements of Compliance) for all applicable diesel engines onboard. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 66

74 - Approved Technical Files including Onboard verification procedure for all the applicable diesel engines onboard - All recommendations from engine manufacturer and approvals from the Administration concerning the Simplified Measurement Method - Test results If the Direct Monitoring and Measurement Method is the selected onboard verification procedure, the surveyor will typically want to see during initial and periodical surveys: - EIAPP Certificates (or Certificates/Statements of Compliance) for all applicable diesel engines onboard - Approved Technical Files including Onboard Monitoring Manual for all the applicable diesel engines onboard - Approval of the installed measuring equipment (DNV Type Approval Certificate) - Logged measurement results in order to verify that the engines comply with the NOx Technical Code (in no case older than 30 days). Regardless of what onboard verification procedure the Ship-Owner chooses, the IAPP Certificate for the vessel will be issued if all other requirements are found to comply with the applicable requirements. Engines with Technical File and EIAPP certificates approved and issued by another company There are a number of different companies that are certifying diesel engines with regards to NOx-emissions. DNV, on behalf of the Flag Administration, can only accept certification from companies that are authorized by the applicable flag to perform certification on their behalf. Documentation from another IACS member is normally accepted as is. For other organizations, the applicable Flag Administration has to be contacted for acceptance. In both cases the certification procedure will be on a case-by-case approval. The EIAPP Certificates and Technical Files, including all possible updates, are to be submitted to DNV for review and filing. Change of Flag If the vessel changes flag, both IAPP Certificate and EIAPP Certificates have to be re-issued. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 67

75 bijlage II Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 68

76 Bijlage III Engine parameter check method For the purpose of assessing compliance with Regulation 13 of Annex VI, it is not always necessary to measure the NOx level to know that an engine is likely to comply with the NOx emission limits. It will be sufficient to know that the present state of the engine corresponds to the specified components, calibration or parameter adjustment state at the time of initial certification. The engine s Technical File is identifying its components, settings and operating values that influences the exhaust emissions, and these must be checked to ensure compliance during surveys and inspections. Ship owners or people responsible for vessels equipped with diesel engines required to undergo an engine parameter check method shall ensure that the following documentation is at all times kept onboard and updated as applicable: - Original Technical File including the onboard verification procedure. - Record book of engine parameters for recording all of the changes made relative to an engine s components and settings. Also to include technical documentation in case of modification of any of the engine s designated components. This may be a printout from the Planned Maintenance System on-board. We recommend to include ALL changes potentially affecting the NOx emission characteristics of the engine as Flag States and Port States may have different interpretations of what to be included. - Original EIAPP certificate (or Certificate/Statement of Compliance) for each applicable engine. The NOx-influencing components and settings depend on the design of the particular engine, and shall be listed in the engine s Technical File. The below list shows typical NOxinfluencing parameters, but are not limited to: - Injection timing - Injection system components (nozzle, injector, fuel pump) - Software no, checksums, or other identification of software version - Hardware for fuel injection control - Camshaft components (fuel cam, inlet- and exhaust cam) - Valve timing - Combustion chamber (piston, cylinder head, cylinder liner) - Compression ratio (connecting rod, piston rod, shim, gaskets) - Turbocharger type and build (internal components) Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 69

77 - Charge air cooler/charge air pre-heater - Auxiliary blower - NOx reducing equipment water injection - NOx reducing equipment emulsified fuel (fuel/water emulsion) - NOx reducing equipment exhaust gas recirculation - NOx reducing equipment selective catalytic reduction The actual Technical File of an engine may include less components and/or parameters other than the list above, depending on the particular engine and the specific engine design. Simplified measurement method For onboard verification tests during periodical and intermediate surveys, the NOx Technical Code opens for a simplified measurement method. Note that every first engine test for certification shall be performed on the engine maker s test-bed. The simplified measurement method is to be performed more or less like the parent testing at the engine manufacturer s test bed, but simplifications according to the NOx Technical Code 6.3 are accepted. However, the testing shall be performed in accordance with the applicable test cycle as specified in the engine s Technical File. This involves full load running of the engine for about 20 minutes, and will in most cases require a test trial. Due to the possible deviations when applying The simplified measurement method, an allowance of 10% of the applicable NOx limit value given in Regulation 13 in the NOx Technical Code is accepted for confirmation tests and during periodical and intermediate surveys. Another 10% deviation is permitted when using heavy fuel oil during the on-board test. However, in no case the total allowable deviation is to exceed 15%. Direct measurement and monitoring method The ship-owner will have the option of direct measurement of the NOx emissions during the engine operation. Such data can either take the form of spot checks logged with other engine operating data on a regular basis and over the full range of engine operation, or they can result from continuous monitoring and date storage. Data must be taken within the last 30 days, and must have been acquired using the test procedures given in the NOx Technical Code. These monitoring records are to be kept onboard for at least three months for verification purposes. We would however recommend maintaining the documents, on board or in shore office, for a longer period of time. To demonstrate the compliance by the direct measurement method, Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 70

78 sufficient data shall be collected to calculate the weighed average NOx emissions in accordance with the NOx Technical Code. The procedure to follow in order to use the direct measurement and monitoring method is outlined in MEPC Resolution 103(49) Guidelines for On-Board NOx Verification Procedure. DNV requires that the system for direct measurements is approved and holds a valid DNV Type Approval Certificate. If the direct measurement and monitoring method is the preferred On-Board Verification procedure, an initial survey has to be carried out in order to verify the installation and the use of the system. Prior to the initial survey, a ship specific On-board Monitoring Manual has to be submitted to DNV Høvik, MGGNO894, for approval. In case the engine is to be adjusted outside the limits specified in the Technical File, the fuel consumption and load have to be measured. Procedures describing how this is intended handled have to be submitted for approval. However, the engine cannot be adjusted before the On-Board Monitoring Manual has been approved and new EIAPP Certificates issued and confirmed available on-board. All changes to the engine shall be logged in the record book of engine parameters. If any adjustment to the engine is made, new NOx measurements have to be taken at earliest convenience. The operation of the NOx continuous monitoring system to be performed according to the approved On-Board Monitoring Manual. If any measurement of NOx is above the allowable limits, required adjustments have to be made immediately and new measurements taken. If further information about how to proceed in order to change to the direct measurement and monitoring method, DNV Høvik, MGGNO894 Machinery Systems can be contacted for assistance. It should be noted that the two methods that involve measurements of the exhaust emissions do not include any kind of identification markings of the NOx influencing components. However, components should only be changed in accordance with applicable Class requirements. In addition, if the engine s NOx emissions are no longer to be verified according to the Direct Measurement and Monitoring method, the engine has to be adjusted as per its original Technical File. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 71

79 Bijlage IV Spare parts and IMO-marking One of the main consequences of MARPOL Annex VI is that the onboard verification procedure Engine parameter check method requires identification markings on the NOx influencing components. All the components listed are to be fitted with identification markings according to the Technical File, normally referred to as IMO-marking. Please note that these markings may not be the same as the article no s usually found on the engine components. DNV, on behalf of the Flag Administration, cannot accept components with IMO-marking other than those stated in the Technical File. Manufacturer s producing engines/ components on licensee from an engine designer usually have their own Id Numbers on the engine components. It is advisable to always verify that the purchased spare part has the same IMOmarking as in the applicable Technical File. In order to make the purchasing easier, it could be an idea to keep a copy of the Technical Files in the purchasing section. There may be situations where the engine maker comes up with a new design for one of the NOx-influencing components, with a different Id No/IMO marking from the one stated in the Technical File. The new design should then be approved by the Administration (or DNV on behalf of a Flag Administration when authorized) and the change is to be documented in the Record book of engine parameters. In such a case, the Technical File has to be amended and the engine manufacturer will have to document that the NOx emissions do not increase with the new design. The same is applicable for all other changes the engine may be approved for during its lifetime. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 72

80 Bijlage V Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 73

81 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 74

82 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 75

83 Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 76

84 Bijlage VI Environmental parameters The scoring in Clean Shipping Index is based on five areas and groups of environmental impacts which are all important to address, those are CO2, SOx & PM, NOx, Water & Waste, and Chemicals. Each area of emission has a maximum score of 30 points each. The scoring system may be seen as a tool to estimate how well a vessel or an entire carrier is doing in each area and/or to obtain a picture of the overall performance. Our basis for scoring in CO2 is how well a vessel performs compared to a reference ship. To get scores vessels must have emissions below this reference. It is also possible to view answers about ship recycling policies. The final index score on the carrier level is the total average score multiplied with the percentage of reported ships of the totally owned or managed fleet. Whilst the final score on separate ship level is an average point based on each field of environmental impact. Furthermore, the ranking can be made and displayed for any of the parameters separately both on a ship and carrier level. Data can also be analyzed in much more detail, down to the level of NOx emissions for a single engine or stern tube oil usage on a single ship for example. A vessel or shipping company cannot perform well in only one area of the index (for instance sulfer emissions) and get a good overall performance. The index is dynamic; what is good environmental performance at one time might change as new technology gets accessible and/or the environmental legislation becomes stricter. As basic guidance, a Low, Medium or Good performance is given on both vessel and carrier level based on the scores. CO2 Information needed for carrying out the CO2 calculations is the cargo carried, the distance travelled and the fuel consumption. Operational factors are accounted for by using estimates of average load- and payload factors. Two ways of submitting CO2 data are accepted; either CO2 emissions in grams/tonne-nm calculated according to IMO s Energy Efficiency Operational Indicator or calculated CO2 emissions in grams/teu-km according to the Clean Cargo Working Group calculation formula. Calculations cover a period of one calendar year. NOx The basis for NOx scoring is how the NOx emissions from main/auxiliary engines relates to the standards set in the Revised MARPOL Annex VI. Only complying with global standards does not score. The reference emission levels are tied to the same levels as defined in the Tier I, II and III in the Annex VI. Pre- and post combustion reduction techniques are rewarded. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 77

85 SOx and PM Scores can be obtained if sulfur content in fuel during a calendar year is lower than global standards for both main and auxiliary engines. A distinction is made between operations in ECAs (emission control areas) and non-ecas. Particulate matter is included because of the close link between SOx emissions and PM emissions. Use of abatement technologies is rewarded. Chemicals Scoring relies on the environmental effects of different types of chemicals used on board. Properties of chemicals present in antifouling, stern tube oils, external hydraulic fluids, gear oils for thrusters and/or controllable pitch propellers, boiler/cooling water treatment, cleaning agents and refrigerants are covered by the index. For example, non-toxic antifouling coatings i.e. coatings without chemical or biological activity and water lubricated stern tubes get high scores. Water and Waste control Questions in this section are about ballast water treatment, sewage/black water treatment, garbage handling, sludge oil handling, bilge water treatment and last but not least crew awareness. The basis for scoring on ballast water treatment is how international vessels are treating their ballast water for to hinder transport of invasive species. The basis for scoring regarding sewage is how sewage water is treated in PSSAs (Particularly Sensitive Sea Areas). The options are either an approved sewage treatment plant according to MEPC (20) Certificate of Type Approval for Sewage Treatment Plant and a control of its usage and function through a maintenance record. An alternative option is that no sewage discharge in PSSAs can be shown through operation manuals. Connected to waste collected on board, there should be no incinerator on board or documentation of no incineration of garbage. Additionally there should be no waste overboard (food waste excluded) and separate garbage handling for reuse, recycling and disposal. When it comes to sludge, there should be no incinerator on board or documentation of no incineration of sludge oil. Additionally there should be documented disposal of sludge oil to treatment facilities on shore. Bilge water mixtures are often complex and results in stable oil/water emulsions, hard to be broken in traditional gravimetric separators. Scoring is received only if active treatment equipment is installed on board. The basis for scoring regarding crew Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 78

86 awareness is a documented education for all crew on board with special emphasis on engine room personnel and handling of heavy fuel oil. Technisch verdiepend onderzoek Voldoen aan Tier III 79