Neuer Viertakt-Motor von MAN Diesel für LNG-Tanker

(PresseBox) ( Augsburg, )
In vielen Ländern werden gasförmige Treibstoffe für die Energiewirtschaft in Zukunft stark an Bedeutung gewinnen. So geht eine Prognose für die Mitgliedsstaaten der Europäischen Union von einer Gesamtverbrauchssteigerung bis zum Jahr 2030 von 130 auf 300 Millionen Tonnen pro Jahr aus. Darüber hinaus sollen sich Erdgas und Synthesegase sogar zu den wichtigsten Energiequellen für die Stromerzeugung innerhalb der EU entwickeln.

Neben der Gasgewinnung im Inland und Förderung über Pipelines aus Russland und anderen Gaslieferanten des eurasischen Kontinents, wird Flüssigerdgas (Liquified Natural Gas - LNG) ein zunehmend wichtiger Faktor sein. Auf Tieftemperaturen von -160 °C abgekühlt, kann es mit großen Tankern aus den Erzeugerländern auf dem Seeweg nach Europa und anderen Kontinenten transportiert werden. MAN Diesel, das bereits auf jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Dual-Fuel-Technologie zurückblicken kann, arbeitet derzeit am Standort Augsburg an der Entwicklung eines neuen Viertakt-Dual-Fuel-Motors. Eingebettet in ein elektrisches Antriebskonzept soll dieser Motor den Markt für LNG-Tanker mit einer Ladekapazität von 150.000 bis 270.000 Kubikmetern und Seewegen von bis zu 8.000 Seemeilen bedienen. Das Dual-Fuel-Modell 51/60DF (Bohrung: 510 mm, Hub: 600 mm) kann dabei im Gasmodus mit verdampftem LNG (Boil-Off-Gas) und im Flüssigtreibstoffmodus entweder mit Dieselöl (Marine Diesel Oil - MDO) oder Schweröl (Heavy Fuel Oil - HFO) betrieben werden. Derzeit durchläuft das Aggregat ausgiebige Tests in den Augsburger Werken von MAN Diesel.

Schon jetzt sorgt der neu entwickelte Antrieb für großes Interesse auf Seiten potenzieller Käufer. "Der 51/60DF hat sowohl im Diesel- als auch im Diesel-Gas-Modus eine maximale Nennleistung pro Zylinder von 1.000 kW bei einer Nenndrehzahl von 514 min-1 und treibt damit die Generatoren an, die die Energie sowohl für das elektrische Antriebssystem des LNG-Tankers als auch für die restliche Stromversorgung an Bord liefern. Der 51/60DF ist der leistungsstärkste Viertakt-Dual-Fuel-Motor, der derzeit auf dem Weltmarkt erhältlich ist", erklärt Sokrates Tolgos. "Mit diesen Leistungswerten besitzt der neue Motor genug Kraft, um die zuvor erwähnten Klassen von LNG-Tankern auf Geschwindigkeiten von 19 - 20 Knoten zu bringen. Dabei verbraucht das 51/60DF-elektrische Antriebssystem aber eindrucksvolle 50 % weniger Treibstoff als der Dampfturbinenantrieb, der bei LNG-Tankern in den letzten 30 Jahren ausschließlich zum Einsatz kam."

Der 51/60DF wird als Reihenmotor mit 6, 7, 8 und 9 Zylindern und als V-Motor mit 12, 14, 16 und 18 Zylindern angeboten. Im Gasbetrieb erfolgt die Einspritzung über ein Common-Rail-Konzept mit Micro-Pilot-Einspritzung. Wie der Name schon verrät, basiert der neue Motor auf dem bewährten Konzept der 48/60B-HFO-Baureihe von MAN Diesel: In der Praxis kämen vier bis fünf Motoren vom Typ 51/60DF in einem dieselelektrischen 50- oder 60-Hz-Antriebssystem mit elektrischer Bordstromversorgung zum Einsatz, bei Nenndrehzahlen von 500 oder 514 min-1.

Dem Ganzen liegt ein altbewährtes, deshalb jedoch nicht minder überzeugendes Konzept zugrunde: Über das so genannte Boil-Off-Gas, welches durch die Verdampfung des geladenen LNGs entsteht, versorgt sich der Tanker über seine eigene Ladung selbst mit Treibstoff. Lange Zeit wurde das Boil-Off-Gas zur Dampferzeugung für die Dampfturbinen eingesetzt, die das Schiff mittels eines mechanischen Antriebs über die Meere fortbewegten. Derzeit lässt sich jedoch ein Trend zum Umstieg auf Dual-Fuel-Motoren feststellen, der dem Wunsch der Schiffscharterer und -betreiber nachkommt, deutlich höhere Wirkungsgrade zu erzielen und dabei weiterhin möglichst frei in der Wahl des Kraftstoffs zu bleiben (Gas, MDO, HFO).

"Ein elektrisches Antriebssystem auf Basis der 51/60DF Dual-Fuel-Motoren erreicht Gesamt-wirkungsgrade von 42 %, herkömmliche, mit einer Dampfturbine angetriebene Systeme hingegen nur Gesamtwirkungsgrade von ungefähr 28 %", erklärt der Leiter der Produktlinie, Dr. Axel Hanenkamp. "Die beiden alternativen Betriebsmodi - Gastreibstoffe mit feinen Micro-Pilot-Injektionen oder 100 % Dieselkraftstoffe - bieten Schiffscharterern und -betreibern größere Flexibilität bei der Treibstoffwahl und erfüllen die Forderungen der Klassifikationsgesellschaften nach einem vollständig redundanten Betrieb."

Projektleiter Dipl.-Ing. Nicolaus Böckhoff fasst weitere Entwicklungsziele zusammen: "Neben einem hohen thermischen Wirkungsgrad und hohem Leistungsausstoß sowohl im Gas- als auch im Flüssigkraftstoffbetrieb lag das Augenmerk bei der Entwicklung des Motors auch darauf, möglichst geringe NOx-Emissionen im Gasbetrieb (500 mg/mn3 bei 5 % O2) zu erzielen und im Flüssigkraftstoffbetrieb die aktuellen IMO-Grenzwerte für NOx einzuhalten. Um diese Ziele zu erreichen, setzten wir bei der Arbeit an den Komponenten für den Gasbetrieb ausgefeilte Entwicklungswerkzeuge ein, die dem letzten Stand der Technik entsprechen, etwa 3D-CAD und 3D-Computational Fluid Dynamics. Zudem übernahmen wir so viele Komponenten wie möglich aus dem bewährten Konzept der 48/60B HFO-Motoren, die pro Zylinder eine Nennleistung von 1200 kW erreichen. Diese Motoren können auf hervorragende Verfügbarkeitsstatistiken verweisen und haben sich seit der Einführung 2002 mit über 150 verkauften Modellen und insgesamt über 330.000 Betriebsstunden einen festen Platz auf dem Markt gesichert. Die Vergrößerung der Zylinderbohrung von 480 mm beim 48/60B auf 510 mm bei den 51/60DF-Modellen sorgt für eine hohe Motorleistung trotz des für den Gasbetrieb erforderlichen niedrigen effektiven Mitteldrucks (BMEP).

Gemäß dem neuesten Stand der Technik bei Dual-Fuel-Motoren ist der 51/60DF für den Gasbetrieb mit einem Micro-Pilot-System für die Einspritzung von Flüssigkraftstoff ausgestattet", so Hanenkamp weiter. "Durch die Einspritzung von weniger als 1% der benötigten Energie an Kraftstoff lassen sich mit dem 51/60DF außerordentlich niedrige NOx-Werte erzielen. Die Micro-Pilot-Einspritzung erfolgt über eine Common-Rail-Pumpe und einen per Elektromagnet geregelten Pilot-Injektor. Im Gasbetrieb erfolgt die Verbrennung beim 51/60DF im Otto-Magerbetrieb, wobei die Zündung des mageren, bereits vorgemischten Gas-Luft-Gemischs durch die Kompressionszündung der kleinen Pilot-Dieselölmenge erfolgt.

Im Flüssigkraftstoffbetrieb hingegen erfolgt die Einspritzung des Dieselöls über die herkömmlichen, vom 48/60B-HFO-Motor übernommenen Einspritz-pumpen. In diesem Modus wird der thermo-dynamische Prozess durch die Diesel- Verbrennung bewirkt - die Bandbreite möglicher Treibstoffe reicht hier von MDO bis hin zu HFO."

Die Einspritzung des Flüssigkraftstoffs und das Ansaugen von Luft und Gasen werden über eine modifizierte Version des bewährten und von den Klassifikationsgesellschaften anerkannten "SaCoS"-Systems (Safety and Control System) gesteuert. "Die Architektur des SaCoS-Systems zeichnet sich durch zwei unabhängig voneinander agierende Regler aus", erklärt Hanenkamp. "Einer der Regler steuert je nach Betriebsmodus den Betätigungsmechanismus für die Regelstange der Haupteinspritzpumpen oder die einzelnen Gaseinlassventile der Zylinder. Der zweite Regler steuert die Pilot-Injektoren des Common-Rail-Systems."

Bei "SaCoS DF", wie die Version für Dual-Fuel-Motoren bezeichnet wird, regelt das System die Pilot-Einspritzung und den Gaseinlass individuell für jeden Zylinder, wobei eine Bypass-Klappe am Turbolader mithilft, das richtige Verhältnis der benötigten Menge an Kraftstoff und Luft sicherzustellen. "Ein Phasenmesser des Kurbelwinkels liefert in beiden Betriebsmodi die jeweils für die Steuerung notwendigen Signale", erläutert Böckhoff. "In einem geschlossenen Regelkreis erreichen wir eine exakte Leistungsbalance über alle Zylinder des 51/60DF hinweg, indem wir die Abgastemperatur am Auslassventil als Feedbackwert für die Zylinderleistung verwenden."

Zu den wichtigen Eingangsdaten für das Regelsystem im Gasbetrieb zählen auch die Klopfwerte bei der Verbrennung, die von einem Klopfsensor erfasst werden. "Bei jedem Gasmotor ist es sehr wichtig, ein zu frühes Zünden oder Klopfen bei der Verbrennung zu vermeiden, wenn man einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten möchte", merkt Böckhoff an. "Beim 51/60DF kann Klopfen für jeden Zylinder einzeln über akustische Sensoren auf den einzelnen Zylinderköpfen festgestellt werden. Die einzelnen Signale laufen am Hauptsensor zusammen, wo die Klopffrequenz ermittelt wird. Das Regelsystem reagiert auf das Klopfsignal und nimmt entsprechende Änderungen an den Motoreinstellungen vor. Aus Sicherheitsgründen sind Ladeluft- und Abgaskrümmer mit Druckablassventilen versehen.

Auf diese Weise gewährleisten die Bestandteile des SaCoS DF-Systems einen stabilen Gasbetrieb bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und geringen Emissionen. Zudem sorgen sie dafür, dass stets ein gewisser Abstand zur Klopfgrenze eingehalten wird und keine Fehlzündungen erfolgen."

MAN Diesel weist darauf hin, dass die Installation von Dual-Fuel-Motoren in dieselelektrischen Schiffs-antriebssystemen zahlreiche Sicherheits-bestimmungen berücksichtigen muss, die unter anderem von der IMO und den Klassifikationsgesellschaften formuliert wurden. Um dies zu gewährleisten, hat das Unternehmen in Zusammenarbeit mit den wichtigsten Institutionen ein Gesamtkonzept entwickelt, das alle relevanten Themen hinsichtlich eines sicheren und zuverlässigen Betriebs solcher Antriebssysteme abdeckt. Zur Erarbeitung dieses Sicherheits-konzeptes wurden laut MAN Diesel Analysemethoden wie HAZID/HAZOP und FMEA eingesetzt. Aktuell wurde das Konzept bereits von Lloyds Register anerkannt, einer der wichtigsten Klassifikationsgesellschaften im Bereich der Flüssiggastanker. Die Anerkennung durch weitere wichtige Gesellschaften soll in Kürze erfolgen. "Wir sind der Überzeugung, die Dual-Fuel-Technologie durch unsere kontinuierliche Arbeit an der Motorenentwicklung sowie der Architektur der Regelsysteme und durch das neue Sicherheitskonzept auf einen Stand gebracht zu haben, der die Aggregate sowohl in der Seefahrt als auch bei stationären Anwendungen zu einer idealen und zuverlässigen Lösung für Antrieb und Stromerzeugung macht", schließt Hanenkamp.
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