Gastgeber CIMAC Norwegen lädt zum 26. CIMAC-Kongress nach Bergen

Gastgeber des 26. CIMAC Weltkongresses Verbrennungsmotorentechnik für Antriebe von Schiffen, stationären Anlagen und Lokomotiven, der vom 14. bis 17. Juni 2010 in Bergen stattfindet, ist die Nationale Norwegische CIMAC Vereinigung, vertreten durch den Kongress-Präsidenten Einar Sundt. Veranstaltungsort ist Norwegens größtes kombiniertes Kultur-, Kongress- und Ausstellungszentrum, die Grieg-Hallen in Bergen. Wie dem vorläufigen Programm zu entnehmen ist, wird es wieder eine beeindruckend große Zahl technischer Präsentationen geben, die in zwölf verschiedenen Sitzungen vorgetragen werden, wobei die Hälfte davon allein den Kolbentriebwerken gewidmet ist. In vorderster Reihe stehen dabei neue Entwicklungen von Diesel- und Gasmotoren, der Umweltschutz, die Schmiertechnik und natürlich die Weiterentwicklung von Komponenten und Service.

Die wiederum große Zahl der Präsentationen allein bietet noch keine Gewähr für eine entsprechende Qualität der einzelnen Vorträge. Wie aus[ds_preview] dem Kreis des Techni­schen Programm-Kommittes beim letzten Kongress, vor drei Jahren in Wien, zu hören war, geht die Qualität der angebotenen Vorträge ständig zurück, so müssen die Mitglieder des Komitees eine strenge Auswahl treffen, um die Veranstaltung auf einem hohen Niveau zu halten. Dennoch bleibt es nicht aus, dass auch in Bergen technische Lösungen präsentiert werden, über die in der HANSA schon in den letzten Monaten berichtet wurde. Aber die Reise nach Bergen und eine Teilnahme am Kongress lohnen sich, denn auf viele Vorträge darf man gespannt sein. Von 295 eingereichten Themenvorschlägen hat das Programm-Komitee rund 180 für die verschiedenen Vortragsreihen akzeptiert und darüber hinaus 66 weitere für die sogenannten »Poster Sessions«. Das sind außerhalb der Vortragsreihen angebotene, individuell gestaltete Präsentationen, denen sich die Kongressteilnehmer in den Pausen widmen können. Ein wesentlicher Vorteil dieser Präsentationen liegt darin, dass persönliche technische Interessen ohne Zeitdruck mit den Referenten besprochen werden können. So bietet der kommende CIMAC-Kongress rund 250 Themen, an denen auch die Betreiber motortechnischer Anlagen mit zwei Vortragsreihen beteiligt sind.

Die Zwänge des Umweltschutzes – IMO Stufe 3

Wie stark die Begrenzung der Schadstoff­emission von Schiffsantrieben Motorenhersteller, Zulieferer und wissenschaftliche Institute beschäftigen, zeigt auch das technische Vortragsprogramm des kommenden Kongresses. Zwar können die von den Motorenherstellern zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte gemäß IMO Stufe 2, die bekanntlich für alle Neubauten anzuwenden ist, deren Kiellegung ab dem 1. Januar 2011 erfolgt, getroffenen Maßnahmen als bekannt vorausgesetzt werden. Denn für viele Neubauten, deren Kiellegung nach diesem Zeitpunkt erfolgen soll, dürften die Motoren längst bestellt sein. Doch bis zum 1. Januar 2016 bleiben für technische Maßnahmen zur Einhaltung der Grenzwerte der dritten Stufe nur noch wenige Jahre. Auch wenn die Grenzwerte noch unter dem Vorbehalt einer nochmaligen Überprüfung stehen, ist in jedem Fall mit einer drastischen Absenkung der NOx-Emission in den küstennahen Bereichen zu rechnen.

Danach muss recht bald von allen Motorenherstellern entschieden werden, mit welchen innermotorischen, für den Seebetrieb abschaltbaren Maßnahmen, oder äußeren Maßnahmen zur Abgasnachbehandlung sie die nach dem 1. Januar 2016 benötigten Motoren anbieten wollen. Darüber hinaus spielen bei langfristig steigenden Kraftstoffpreisen selbstverständlich Lösungsvorschläge zur Kraftstoffeinsparung eine Rolle. Das betrifft auch in dieser Hinsicht die Verwendung von Erdgas im Schiffsbetrieb, als dem länger verfügbaren fossilen Kraftstoff.

Gasmotoren für den Schiffsantrieb liegen im Trend

So werden Gasmotoren in Bergen einen besonderen Schwerpunkt bilden, sowohl Gas-Ottomotoren als auch Gas-Dieselmotoren. Allein drei japanische Motorenhersteller werden neue Gasmotorenentwicklungen vorstellen: Daihatsu, Kawasaki und Mitsubishi. Selbst wenn diese Neuentwicklungen nicht sofort für den Antrieb von Schiffen zur Verfügung stehen, zeigt sich damit doch der stark ausgeprägte Trend zu umweltfreundlichen, zukunftsträchtigen Antriebsmaschinen.

Wärtsilä hatte sich schon vor einigen Jahren klar dazu geäußert, dass die Zukunft auch im Schiffsantrieb dem Gasmotor gehört. Ein Vorstandsmitglied von MAN Diesel & Turbo äußerte sich kürzlich ähnlich zu diesem Thema in der Fachpresse mit dem Hinweis, dass Schiffsmotoren künftig mit leichtem Dieselkraftstoff oder Flüssig­erdgas als Kraftstoff laufen werden.

Da grundsätzlich jeder Dieselmotor auf den Betrieb mit Gas umgestellt werden kann, dürfte es auch für MAN Diesel & Turbo nur noch eine Frage der Zeit sein, bis das Programm stärker als bislang dem Trend angepasst wird. Zwar arbeitet das Unternehmen intensiv an dieser Technik, doch gibt es – abgesehen von einer recht allgemeinen Aussage, dass man »rechtzeitig optimale Lösungen anbieten wird, bevor der Markt solche Lösungen verlangt« – keine konkreten Hinweise auf irgendwelche Veränderungen im Produktionsprogramm. Dieses umfasst derzeit einen Viertakt- und drei Zweitaktmotoren im Leistungsbereich von rund 6.000 bis 26.000 kW, die mit Erdgas betrieben werden können.

Wärtsilä hat in jüngster Zeit sein Angebot an Wechselmotoren, die während des Betriebs flexibel vom Betrieb mit Erdgas auf den Betrieb mit Dieselkraftstoff und umgekehrt umgestellt werden können, nach unten erweitert. Zu den bislang verfügbaren zwei Baureihen im Leistungsbereich von rund 2.600 bis 17.000 kW ist eine neue Baureihe gekommen für Leistungen von rund 900 bis 1.500 kW (vgl. HANSA 1/2010, Seite 29 f.). Damit ist Wärtsilä in der Lage, Schiffe unterschiedlicher Größe komplett mit Wechselmotoren auszurüsten, vom Hauptantrieb bis zum Antrieb der Bordaggregate. Selbstverständlich sind mit diesen Motoren auch interessante Lösungen für vollständig gas-dieselelektrischen Betrieb zu realisieren.

Komponentenentwicklung – die Abgasturbolader

Bei den Komponenten des Dieselmotors kommt gegenwärtig der Weiterentwicklung der Abgasturbolader allergrößte Bedeutung zu. Das spiegelt auch das vorläufige Programm für den Kongress in Bergen. Dabei geht es einerseits um höhere Druckverhältnisse, als sie bislang verfügbar waren, um bei der Anwendung von Miller-Steuerzeiten keine Leistungseinbuße bei gegebenen Motoren hinnehmen zu müssen. Andererseits geht es um die zweistufige Aufladung der Motoren. Das sind nicht nur Themen für ABB Turbo Systems, sondern auch für MAN Diesel & Turbo, Mitsubishi, Mitsui und unter den unabhängigen Turboladerherstellern das deutsche Unternehmen Kompressorenbau Bannewitz (KBB). Darüber hinaus widmen sich selbstverständlich auch Motorenhersteller dieser Thematik, und von den Klassifikations­gesellschaften ist Lloyd’s Register dabei.

Dank »Hercules« (vgl. HANSA 8/2009, Seite 34 f.) gibt es jetzt bei MAN Turbo & Diesel und bei Wärtsilä interessante Entwicklungen, die sich unmittelbar auf die Turboladerentwicklung auswirken. Für MAN ist das eine Sache, die innerhalb des Hauses abgewickelt wird, während Wärtsilä sich mit ABB verbunden hat, um entsprechende Ergebnisse zu erzielen. Im Detail geht es um die zweistufige Aufladung von Dieselmotoren, mit der sich natürlich noch weit bessere Ergebnisse als mit der besten einstufigen Aufladung erzielen lassen. Erreichen Abgasturbolader der neuen Generation Druckverhältnisse von maximal sechs, so lassen sich zweistufig problemlos zehn erzielen, allerdings mit deutlich höherem technischen Aufwand, der seinen Preis hat. So ist nach MAN Diesel & Turbo aufgrund einer vergleichenden Untersuchung über den mit verschiedenen technischen Maßnahmen verbundenen Aufwand, höchstwahrscheinlich mit einer Steigerung der Lebensdauerkosten in der Größenordnung von 1,6 bis 7,6 % zu rechnen, je nachdem, wie stark der Einfluss der Fahrt in küstennahen Bereichen (ECAs gemäß IMO Stufe 3) sein wird.

Erstaunlicherweise ist der mit der Einhaltung der Grenzwerte von IMO Stufe 3 verbundene zusätzliche Aufwand bislang überwiegend nur technisch und weniger betriebswirtschaftlich diskutiert worden, obwohl hinreichend bekannt ist, dass der Umweltschutz nicht zum Nulltarif zu haben ist. Technisch gesehen stehen zur Lösung der mit IMO Stufe 3 verbundenen Aufgaben zwei Varianten zur Diskussion: eine innermotorische und eine äußere. Bei Viertaktmotoren könnte die innermotorische Variante aus einer Kombination von Common Rail Einspritzsystem mit Mehrfacheinspritzung, Abgasrückführung und zweistufiger Aufladung bestehen. Die äußere Variante wäre das SCR-Verfahren (Selective Cathalythic Reduction) zur Reduktion der Stickoxide.

Ausgehend vom gegenwärtigen Stand der Technik lassen sich offenbar bei den Viertaktmotoren noch keine wirtschaftlichen Vorteile für die eine oder die andere Variante erkennen, soweit es den Betrieb auf offener See betrifft. Im küstennahen Bereich stehen dem mit der Abgasrückführung verbundenen höheren Kraftstoffverbrauch die Kosten für den Harnstoffver-

brauch beim SCR-Verfahren gegenüber. Offenbar hat die innermotorische Variante dennoch zunehmend Vorteile, je größer die Fahrtanteile im küstennahen Bereich sind. Für mehr als 50 % küstennaher Einsätze dürfte demnach die innermotorische Variante die bevorzugte Lösung bieten, während bei größeren Einsatzanteilen auf offener See die SCR-Anlage vorteilhafter sein dürfte, besonders wenn die Motoren dann noch mit zweistufiger Aufladung ausgerüstet werden.

Die zweistufige Aufladung der Dieselmotoren

Im Zusammenhang mit der Entwicklung der neuen Turboladergeneration A 100 hat ABB mehrfach darauf hingewiesen, dass aus der Sicht des Unternehmens die zweistufige Aufladung für zukünftige Motoren wichtiger ist als die variable Turbinengeometrie. Unmittelbare Auswirkungen hatte diese Grundhaltung bislang nicht. Doch rechtzeitig vor dem CIMAC-Kongress in Bergen gab Wärtsilä nun die Zusammenarbeit mit ABB an einem gemeinsamen Entwicklungsprogramm zur zweistufigen Aufladung großer Dieselmotoren bekannt. Vordergründige Ziele dieses Programms sind: Senkung des Kraftstoffverbrauchs und geringere Emissionen. Während Wärtsilä sich bei dieser Kooperation auf eine »fortschrittliche Motorentechnik« konzentriert, liegt die Verantwortung von ABB Turbo Systems bei Durchsatz, Druckverhältnis und Wirkungsgrad der benötigten Abgasturbolader.

Mit jeweils zwei in Serie geschalteten Turboladern sollen ein entsprechend hoher Ladedruck und ein hoher Durchsatz sowie ein außerordentlich hoher Aufladegrad erzielt werden. Dazu wird ein Turboladerwirkungsgrad von 76 % genannt. Der hohe Ladedruck soll im Zusammenhang mit einer »fortschrittlichen Motorentechnik« eine Leistungssteigerung gegenüber vergleichbaren Motoren von bis zu 10 % und eine gleichgroße Steigerung der Volumenleistung bringen. Gleichzeitig wird eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit eine entsprechende Verringerung der CO2-Emission erwartet. Das ist nicht mehr Theorie. Wärtsilä hat in Vaasa umfangreiche Prüfstandsläufe durchgeführt, mit denen die hohen Ziele des Programms, wie es heißt, bestätigt werden konnten. Als weitere Maßnahme planen Wärtsilä und ABB für die allernächste Zukunft ein größeres Pilotprojekt mit einem Kunden.

Als ein weiteres Ziel dieser Entwicklung betrachten die Unternehmen eine nennenswerte Senkung der Lebensdauerkosten der Motoren, das ebenfalls erreicht wurde. Auf der Kostenseite geht Wärtsilä davon aus, dass der höhere Investitionsaufwand für neue Motoren mit zweistufiger Aufladung bei bestimmten Antriebsanlagen innerhalb von weniger als zwei Jahren über reduzierte Betriebskosten kompensiert werden kann. Die neue Technik wurde zunächst für das gesamte Viertaktmotorenprogramm von Wärtsilä entwickelt, sowohl für die Antriebe stationärer Anlagen, als auch für Schiffsantriebe. Die Prüfstandsläufe erfolgten mit Motoren der Baureihen 20 (600 bis 1.800 kW) und 32 (3.000 bis 9.000 kW). Wie es heißt, sei der nächste logische Schritt die Adaption dieser Technik bei den Zweitaktmotoren für Einmotorenanlagen großer Schiffe.

Diese von Wärtsilä und ABB erzielten Ergebnisse, wie auch die von MAN Diesel & Turbo, über die noch zu berichten sein wird, sind als ein greifbarer Erfolg des Hercules-Projektes zu sehen. Die Aufgabenstellung des betreffenden Teilprojektes hatte unter anderem folgende Ziele:

• Nutzmitteldruck 30 bar,

• zweistufige Aufladung mit Serienturboladern,

• maximaler Zylinderdruck 250 bar,

• NOx-Emission 30 % geringer als IMO Stufe 1 Motor,

• unveränderter Kraftstoffverbrauch,

• keine schlechteren Rauchwerte,

• Lastaufschaltverhalten wie Basismotor.

Um die Verwendung der zweistufigen Aufladung an mittelschnellaufenden Viertaktmotoren zu erproben, hat MAN Diesel & Turbo Untersuchungen mit einem Prototyp der Baureihe 32/44 mit Common Rail Einspritzsystem durchgeführt. Mit einem Sechszylindermotor wurden Versuche mit einer flexiblen zweistufigen Aufladung und veränderlichen Miller-Steuerzeiten gefahren. Damit war es möglich, bei unverändertem spezifischen Kraftstoffverbrauch die Stickoxidemission um mehr als 40 % zu senken. Der höhere Aufladegrad führte zu einer Erhöhung der Zylinderleistung um rund 14 %. MAN weist ausdrücklich darauf hin, dass diese Ergebnisse von einem sehr guten Rauchverhalten begleitet wurden und die Lastannahme des Motors sich nicht von der eines Standardmotors unterschied. Damit waren alle Ziele des Hercules-Teilprojektes erreicht.

Die letzten beiden Punkte, Rauchverhalten und Lastannahme, sind im Zusammenhang mit der zweistufigen Aufladung insofern von größter Bedeutung, als diese Technik bei allen Vorteilen auch Nachteile hat. Abgesehen vom größeren technischen Aufwand steigt das Gewicht des Motors, der Raumbedarf wird größer und die Investitionen wie die Betriebskosten erhöhen sich. Lassen sich diese Einflüsse alle über eine entsprechende Leistungssteigerung des Motors kompensieren, so bleibt das schwerer zu lösende Problem der Lastannahme im Teillastbereich. Wie es bei MAN heißt, können bei diesem Betrieb »ohne Zusatzmaßnahmen nur unzureichende Verbrennungsluftverhältnisse« erreicht werden. Insofern besteht nach MAN die Herausforderung bei der Kombination von zweistufiger Aufladung und Miller-Steuerzeiten in der »Beherrschung des Teillast- und Instationärverhaltens«. Wie die Versuchsergebnisse von MAN zeigen, lassen sich diese Probleme einwandfrei lösen, indem für die Hochdruckstufe Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und variable Ventiltriebe für die Einlassventile zum Einsatz kommen, die den betrieblichen Anforderungen entsprechend geregelt werden. Damit können bei Teillast die Miller-Steuerzeiten abgeschaltet und die variable Turbinengeometrie aktiviert werden. So lässt sich ein ausreichender Ladeluftdruck sicherstellen.

MAN Diesel & Turbo wird dieses Thema in Bergen mit einer speziellen Präsentation vertiefen. Wie im Vorfeld zu hören war, wird diese Technik »sehr bald an Serienmotoren zum Einsatz kommen«.

Schlussbemerkungen

Auf dem CIMAC-Kongress 2010 in Bergen werden für die Motorisierung von Schiffsneubauten interessante Lösungen vorgestellt, die sowohl hohen Ansprüchen an die Wirtschaftlichkeit, als auch an den Umweltschutz gerecht werden. Manche Teillösungen werden sicher für im Einsatz befindliche Motoren nachrüstbar sein und so deren Betrieb in jeder Hinsicht verbessern. Dennoch wird es sehr lange dauern, bis alle alten Motorenanlagen ihre Lebensdauer erreicht haben und ersetzt werden müssen. Da helfen nur sekundäre Maßnahmen, um wirtschaftlicher und damit auch umweltfreundlicher als bisher fahren zu können. Die Klassifikationsgesellschaften haben in der letzten Zeit verschiedene Modelle veröffentlicht, mit denen unterschiedliche Schiffe analysiert und bewertet werden können, um den Betrieb zu optimieren, so der Germanische Lloyd mit seinem »Fuel Saver« und Det Norske Veritas mit der Studie »Quantum« für ein neues Containerschiffkonzept.

Welches Potenzial allein im Wechsel eines Propellers liegen kann, zeigt sich am besten am Beispiel der »Sassnitz«, die von Scandlines auf der Route Sassnitz–Trelleborg eingesetzt wird. MAN Diesel erwartete von den neuen Propellerblättern eine Verbesserung des Propellerwirkungsgrades um 8 bis 10 %. Erreicht wurden, wie Scandlines ermittelt hat, 12 %. Grundlage dafür war allein eine umfassende Analyse des Einsatzprofils und eine konsequent darauf abgestimmte Auslegung der neuen Propellerblätter. Insofern darf man gespannt sein, was in Bergen auch von Seiten der Betreiber vorgetragen wird.

Verfasser

Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Reuß

Freier Journalist, mail @pr-reuss.de