Investigation of novel emission reduction technologies and use of liquid or gaseous fuels for curbing marine engines environmental impact
Authors: Χουντάλας Θεοφάνης 
Published: July 2024

Σε αυτήν τη διατριβή μελετήθηκαν τεχνολογίες μείωσης εκπομπών για τον ναυτιλιακό τομέα, με στόχο τα CO2 και NOx παραγόμενα από κινητήρες που λειτουργούν με υγρά και αέρια καύσιμα. Η βάση για την έρευνα ήταν μετρήσεις σε ναυτικούς κινητήρες που πραγματοποιήθηκαν είτε σε πλοίο είτε κατά τη διάρκεια εργοστασιακών δοκιμών. Οι κινητήρες που μελετήθηκαν ήταν μεγάλοι 2-χρονοι κινητήρες πρόωσης και 4-χρονες γεννήτριες. Εξετάστηκαν δύο τεχνικές μείωσης εκπομπών για κάθε ρύπο. Για το CO2 βιοκαύσιμα και υγροποιημένο φυσικό αέριο (LNG), και για τον έλεγχο των NOx ανακύκλωση καυσαερίων (EGR) και εκλεκτική καταλυτική αναγωγή (SCR). Όλα τα προαναφερθέντα εισήχθησαν πρόσφατα στο ναυτιλιακό τομέα και θεωρούνται προηγμένες τεχνικές. Η χρήση βιοκαυσίμων εξετάστηκε μέσω δοκιμών σε πλοία σε 2-χρόνους και 4-χρόνους κινητήρες χρησιμοποιώντας μείγμα 30% βιοντίζελ και βαρύ πετρέλαιο, και με συνοδευτικές μετρήσεις με τυπικά ναυτικά καύσιμα. Η επίδραση στους ναυτικούς κινητήρες, ειδικά 2-χρονους, δεν είχε αναλυθεί εκτενώς μέχρι την παρούσα έρευνα. Ελάχιστη επίδραση βρέθηκε στην απόδοση του κινητήρα και στη διαδικασία καύσης, με μια μικρή αύξηση κατανάλωσης. Μετρήθηκε αύξηση στις εκπομπές NOx, που αποδόθηκε στο αυξημένο περιεχομένου του βιοκαυσίμου σε Ο2 βάσει ανάλυσης των μετρημένων δεδομένων και έρευνας με χρήση ενός πολυζωνικού μοντέλου. Ο αρνητικός αντίκτυπος στην κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές ήταν μεγαλύτερος για τους 4-χρονους κινητήρες. Για όλους τους κινητήρες, η αύξηση ήταν μέτριου επιπέδου, επιτρέποντας τη λειτουργία εντός των θεσπισμένων ορίων εκπομπών. Μετρήθηκε ελάχιστη βελτίωση εκπομπών CO2, αλλά αναλύσεις κύκλου ζωής δείχνουν περίπου 25% βελτίωση στις συνολικές εκπομπές άνθρακα χρησιμοποιώντας βιοκαύσιμο. Η μελέτη χρήσης LNG πραγματοποιήθηκε σε κινητήρες διπλού καυσίμου με έγχυση του αερίου σε υψηλή πίεση. Οι μετρήσεις λειτουργίς και εκπομπών πραγματοποιήθηκαν σε 2-χρονους κινητήρων δύο συνεχόμενων γενεών κατά τη λειτουργία μόνο με πετρέλαιο και με χρήση πετρελαίου και αερίου. Η ανάλυση έδειξε ότι ο προηγούμενης γενεάς κινητήρας ήταν ικανός για σχεδόν ίδια απόδοση μεταξύ των δύο τρόπων λειτουργίας. Μία ελάχιστη μείωση αποδοτικότητας βρέθηκε κατά τη λειτουργία δύο καυσίμων. Η ποσότητα πιλοτικής έγχυσης πετρελαίου που απαιτείται για σταθερή λειτουργία διπλού καυσίμου ήταν χαμηλή. Η κυριότερη διαφορά για τη λειτουργία διπλού καυσίμου ήταν υψηλότερος αρχικός και μέγιστος ρυθμός καύσης. Γενικά η ρύθμιση του κινητήρα αυτού είχε ως στόχο ελαχιστοποιηθούν οι διαφορές μεταξύ λειτουργίας ενός και δύο καυσίμων. Στον κινητήρα νέας γενεάς βρέθηκε σημαντική βελτίωση όσον αφορά την απαιτούμενη ποσότητα πιλοτικής έγχυσης. Επίσης η οικονομία καυσίμου ήταν σημαντικά καλύτερη κατά τη χρήση φυσικού αερίου. Τα παραπάνω αποδόθηκαν σε βελτιώσεις στο σχεδιασμό του εγχυτήρα και σε διαφορετική ρύθμιση του κινητήρα. Η επίδραση των προηγουμένων στην καύση ήταν εμφανής, με πολύ υψηλότερο ρυθμό καύσης προανάμειξης. Η μέγιστη πίεση στους κυλίνδρους αυξήθηκε σε σχέση με τη λειτουργία με πετρέλαιο και με τον προηγούμενης γενεάς κινητήρα. Οι εκπομπές NOx ήταν σχετικά κοντά μεταξύ των δύο τρόπων λειτουργίας. Κατά τη λειτουργία διπλού καυσίμου οι εκπομπές επηρεάστηκαν από τη μορφή και χρονισμό της πιλοτικής έγχυσης, τις μέγιστες τιμές πίεσης και τη χαμηλότερη θερμοκρασία φλόγας του μεθανίου. Το οφέλη στις εκπομπές CO2 ήταν περίπου 23% και για τους δύο κινητήρες κατά τη λειτουργία με φυσικό αέριο. Η βελτίωση γενεάς προς γενεά ήταν περίπου 7% αναφορικά με τις εκπομπές άνθρακα. Το EGR δοκιμάστηκε σε έναν μεγάλο 2-χρονο κινητήρα πετρελαίου και έναν διπλού καυσίμου. Η τεχνική της ανακυκλοφορίας είχε μεγάλη επίδραση στο μηχανισμό καύσης. Ο ρυθμός καύσης ήταν πιο αργός και η διάρκειά της αυξήθηκε και στους δύο κινητήρες. Απαιτήθηκαν σημαντικές αλλαγές στη ρύθμιση του κινητήρα. Η επίδραση στο μηχανισμό καύσης οδήγησε σε αύξηση της κατανάλωσης, περίπου 5% για τον κινητήρα με πετρέλαιο και 4% για τον κινητήρα αερίου. Η συνολική αποδοτικότητα μείωσης NOx ήταν υψηλή, κοντά στο 80%. Πρακτικά δεν βρέθηκε διαφορά μεταξύ του κινητήρα αερίου και του κινητήρα πετρελαίου. Το ποσοστό EGR εκτιμήθηκε χρησιμοποιώντας μία προσεγγιστική μέθοδο με μετρημένα δεδομένα και ένα πολυζωνικό μοντέλο. Και οι δύο μέθοδοι έδειξαν υψηλές απαιτήσεις σε ποσοστό ανακυκλοφορίας, ενώ παράλληλα η έγχυση καυσίμου ξεκινούσε αργότερα προκαλώντας επιπλέον μείωση του σχηματισμού NOx. Το SCR δοκιμάστηκε σε δύο διαμορφώσεις πριν και μετά τον τουρμπίνα σε μεγάλους 2-χρονους κινητήρες. Η επίδραση στη λειτουργία του κινητήρα ήταν ελάχιστη. Βρέθηκε μόνο μια αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου περίπου στο 1,5%. Επιβεβαιώθηκαν ορισμένες απαιτήσεις αλλαγής ρυθμίσεων για αύξηση της θερμοκρασίας εισαγωγής αερίου στον καταλύτη, οι οποίες συνέβαλαν στην αύξηση της κατανάλωσης. Η απόδοση της μείωσης των NOx ήταν καλή, 85% και 80% για τον καταλύτη πριν και μετά τον στρόβιλο αντίστοιχα. Το σύστημα απαιτούσε τη χρήση ουρίας και η κατανάλωση ήταν υψηλή, κατά μέσο όρο 18 g/kWh. Αυτό θα οδηγήσει σε υψηλό κόστος λειτουργίας του συστήματος. Μια σύγκριση μεταξύ EGR και SCR έδειξε σημαντικά υψηλότερο κόστος του συστήματος SCR με βάση τις σύγχρονες τάσεις των τιμών καυσίμων και ουρίας, και λαμβάνοντας επίσης υπόψη την απαίτηση αντικατάστασης καταλύτη κάθε λίγα χρόνια. Συνολικά, οι τεχνολογίες που διερευνήθηκαν διαπιστώθηκε ότι παρέχουν απτά οφέλη στη μείωση των εκπομπών, ενώ είναι αρκετά ώριμες για τρέχουσα χρήση ενώ ορισμένες έχουν επίσης σημαντικές προοπτικές για μελλοντική εξέλιξη.