Das Beste aus BOG herausholen

Nov 08, 2023

Von Jack Burke, 1. November 2017

Seit MAN Diesel & Turbo sein Dual-Fuel-Konzept mit Gaseinspritzung (GI) eingeführt hat, hat das Unternehmen bisher mehr als 200 ME-GI-Motoren bestellt. Der Zweitakt-ME-GI-Motor wird für den Antrieb in Flüssigerdgas-Tankern (LNG), Flüssiggas-Tankern (LPG) und in Containerschiffen eingebaut.

Bei unterschiedlichen Schiffstypen kann der ME-GI-Motor je nach Bunkerlieferant und Bunkerposition unterschiedlichen Gasqualitäten ausgesetzt sein. Auf LNG-Tankern schwankt die Treibgasqualität auch abhängig vom jeweiligen Zeitpunkt der Schiffsreise, beispielsweise beladen oder mit Ballast.

„Einer der Vorteile der im ME-GI eingesetzten Dieselverbrennung ist die Fähigkeit des Zweitaktmotors, mit fast jeder Treibgasqualität ohne oder nur mit begrenzter Effizienzeinbuße zu laufen“, sagte René Sejer Laursen, Promotion Manager , Dual-Fuel-ME-GI/LGI-Motoren, MAN Diesel & Turbo. „Der ME-GI-Motor ist daher nicht anfällig für Gasqualität oder niedrige Methanzahlen und Klopfen stellt kein Risiko dar.“

Durch den Betrieb des ME-GI-Motors in drei verschiedenen Modi wird ein hohes Maß an Kraftstoffflexibilität gewährleistet, so das Unternehmen. Der Dual-Fuel-Modus maximiert die Nutzung von Brenngas und reduziert den Steuerölverbrauch auf ein Minimum, während der Brenngasmodus den Betrieb mit nahezu jeder Mischung aus Heizöl und Gas ermöglicht. Am anderen Ende des Spektrums gibt es auch den reinen Heizölmodus.

Die Fähigkeit der Motoren, zwischen Gaskraftstoff und schwerem Heizöl zu wechseln, ermöglicht es den Eignern, zwischen den Kraftstoffen zu wechseln, wann immer ein Schiff einen Hafen oder eine emissionsbeschränkte Zone anläuft. Nach Angaben des Unternehmens können ME-GI-Motoren bei Lastwechseln oder Schwankungen der Umgebungsluftbedingungen einen hohen Wirkungsgrad ohne Methanschlupf aufrechterhalten.

MAN Diesel & Turbo hat eine Reihe von Brenngasversorgungssystemen (FGSS) zur Erleichterung des Motorbetriebs entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf Zuverlässigkeit und kostenoptimierten FGSS-Lösungen sowohl für LNG-Tanker als auch für LNG-betriebene Schiffe liegt. Da sowohl Zweitakt-ME-GI-Motoren als auch Viertakt-Hilfsmotoren an Bord sind, muss das FGSS in der Lage sein, unterschiedliche Gasdrücke für die Motoren bereitzustellen. Der ME-GI benötigt Hochdruck-Brenngas (HP), d. h. 300 bar bei 45 °C, während ein DF-Viertakt-Generatorsatz von MAN Holeby Niederdruck-Brenngas (LP) bei ca. 300 bar benötigt. 6 bar bei 0° bis 60°C.

LNG-Tanker verfügen in der Regel über reichlich Boil-off-Gas (BOG), und die neueste Lösung von MAN Diesel & Turbo konzentriert sich darauf, die Menge an BOG so wirtschaftlich wie möglich zu nutzen und auszugleichen, sowohl aus Sicht der Kapital- als auch der Betriebsausgaben. Für ein LNG-betriebenes Schiff wird ein LNG-Kraftstofftank installiert, der an den Kraftstoffverbrauch des Hauptmotors und der Hilfsmotoren angepasst ist.

Betrachtet man das FGSS für einen LNG-Tanker, sind die Änderungen des BOG von großer Bedeutung für die Gestaltung des Systems. MAN Diesel & Turbo hat standardmäßig von FGSS eine kombinierte Lösung entwickelt, bei der in einer ersten Variante ein fünfstufiger Kompressor den ME-GI-Motor mit Hochdruckgas und die DF-Motoren mit Niederdruck-Brenngas versorgt. Das Niederdruckgas wird aus der zweiten Stufe des Kompressors entnommen.

Eine zweite Hauptkomponente dieses Systems ist das kürzlich eingeführte Pump-Vaporizer-Unit-System (PVU) des Unternehmens, das den ME-GI-Motor mit Hochdruckgas versorgen kann. Die Hauptkomponenten des Single-Lift-PVU-Moduls sind drei hydraulisch angetriebene Hochdruck-LNG-Pumpen, ein kompaktes Verdampfersystem auf Glykolbasis, Sicherheitsventile sowie Instrumente und Filter für das LNG und das Glykol. Ebenfalls enthalten ist ein Steuerungssystem, das für die Integration der PVU in ME-GI-Motoren vorbereitet ist.

Ein drittes System, das im FGSS für LNG-Tanker enthalten ist, ist ein teilweises Rückverflüssigungssystem. Die Hauptkomponenten des Rückverflüssigungsprozesses sind eine Coldbox, die das Hochdruckgas nach dem fünfstufigen Kompressor aufnimmt, und eine Entspannungstrommel, aus der rund 70 % des LNG in den LNG-Tank zurückgeführt werden. Die verbleibende Menge wird aus der Kühlbox als 1-bar-Gasstrom zur ersten Stufe des Kompressors zurückgeführt. Bei der Coldbox handelt es sich im Prinzip um einen Wärmetauscher, in dem warmes, überschüssiges Brenngas von 300 bar abgekühlt und über zwei Joule-Thomson-Ventile auf Gas von 1 bar entspannt wird.

„Die Betriebskombinationen dieser drei Systeme hängen vom Schiffstyp, dem Reisemuster und der technischen Auslegung des Schiffes ab“, sagte Sejer Laursen. „Das System bietet tatsächlich ein hohes Maß an Brennstoffflexibilität und vollständige Redundanz im Gasbetrieb.“

Für LNG-betriebene Motoren zum Antrieb und zur Stromerzeugung bietet und liefert MAN Diesel & Turbo ein Brenngasversorgungssystem, das sich von dem für LNG-Schiffe vorgeschlagenen System unterscheidet.

Die Entwurfsstrategie besteht hier darin, dass der Eigentümer wählen kann, ob er mit LNG aus einem Kraftstofftank betrieben werden möchte, wenn dies wirtschaftlich ist, oder ob er mit einem flüssigen Kraftstoff wie Schweröl (HFO) betrieben werden möchte, wenn dies zu einem bestimmten Zeitpunkt wirtschaftlicher ist.

Zurück zu LNG-Tankern: Das FGSS verfügt in diesem Fall über ein PVU-System mit einer Hochdruckpumpe und einem LNG-Verdampfer, der den Hauptmotor mit 300 bar Gas versorgt. Das FGSS besteht aus einem fünfstufigen Kompressor, der wie im vorherigen Fall 300 bar LNG-Gas an den ME-GI-Motor und 6 bar Treibgas an die Hilfsmotoren liefert. Der Unterschied zum ersten FGSS für die LNG-Tanker besteht darin, dass dieses System nicht eine teilweise, sondern eine vollständige Rückverflüssigung des LNG bewirken und die Flüssigkeit in den LNG-Tank zurückführen kann. Diese Lösung bietet dem Betreiber volle Kraftstoffflexibilität.

Ein wichtiger Teil des Systems ist die Coldbox. Da in diesem Fall kein Betrieb mit Gas erforderlich ist, wird die Kühlbox durch einen Stickstoffkreislauf unterstützt, der für die Kühlung der Box sorgt. Das System ermöglicht eine vollständige Rückverflüssigung des LNG-Brennstoffs, was den vollständigen Betrieb mit flüssigem Ölbrennstoff ermöglicht, wenn dies bevorzugt wird.

Als fünfstufiger Kompressor kommt ein Burckhardt Compression Laby-GI-Aggregat mit fester Drehzahl zum Einsatz, mit Labyrinthdichtungen in den ersten drei ND-Stufen und Ringdichtungen in der vierten und fünften HD-Stufe. Das gesamte Kompressorgehäuse ist als einzelnes und gasdichtes Kompressorgehäuse ausgeführt und das ausgewuchtete Kurbelgetriebe soll Vibrationen minimieren.

Für diejenigen, die eine vollständige Redundanz der BOG-Lieferung benötigen, wurde ein vereinfachtes und kostenoptimiertes System vorgeschlagen, das auf zwei Brenngaskompressoren basiert und auf die Kryopumpe und den Verdampfer verzichtet. Der hier verwendete Laby-GI-Kompressor hat einen Bereich von 150 bis 300 bar. Bei geringem BOG-Volumen können eine LNG-Tankpumpe und ein Verdampfer das Gas dem Kompressor zuführen.

MAN Diesel & Turbo hat zusammen mit Burckhardt Compression ein einfaches FGSS für LNG-Tanker mit ME-GI-Antrieb sowie für andere Schiffe mit ME-GI-Antrieb entwickelt, um die Anschaffungskosten zu senken. Zu diesem Zweck hat Burckhardt Compression eine CT-D-Kompressorkonstruktionslösung entwickelt, die auf der Rumpfkolbentechnologie basiert.

Das Design kann zu einer spürbaren Kapitalreduzierung für das gesamte Antriebssystem im Vergleich zu Systemen beitragen, die auf den Laby-GI-Kompressoren basieren.

„Bei einer Mehrfachinstallation von CT-D-Kompressoren, beispielsweise bei vier parallel geschalteten CT-D-Kompressoreinheiten, verfügt jede Einheit über zwei Kompressoren, die von einem gemeinsamen Elektromotor angetrieben werden“, sagte Sejer Laursen. „Der Einsatz mehrerer Kompressoren eröffnet interessante Möglichkeiten der Teilredundanz.“

Damit die Schmierölversorgung für die Kompressoren der Anlage ordnungsgemäß funktioniert, wird Wärme von der Abgasseite der Kompressoren verwendet, um das Einlassgas zu den Kompressoren zu erwärmen.

„Wir sehen auch einen Markt für unsere ME-GI-Einheiten für LNG-Tanker mit einer Größe von nur 30 m3, bei denen zwei CT-D-Kompressoren mit BOG und ergänzt durch eine LNG-Pumpe und einen Verdampfer den vom Motor benötigten 300-bar-Gaskraftstoff bereitstellen “, sagte Sejer Laursen.

Um einen umweltfreundlicheren Betrieb zu erreichen, kündigte MAN Diesel & Turbo an, künftig den Nebenabtrieb (PTO) der ME-GI-Antriebseinheiten zu nutzen. Die Zapfwelle wird während des Schiffsbetriebs verwendet, außer beim Manövrieren in Häfen, wenn kleinere Hilfsaggregate zum Einsatz kommen. Eines der Stromaggregate könnte ein Dual-Fuel-Aggregat sein, das mit LNG oder MGO betrieben wird. Eine zweite Einheit könnte mit HFO oder Marinegasöl (MGO) betrieben werden.

„Wir sehen eine Zukunft, in der unsere PVU die Hauptbrennstoffquelle für den Hauptmotor und bei Bedarf auch für Hilfsaggregate sein wird“, sagte Sejer Laursen. „Um das BOG im LNG-Tank zu steuern, können wir einen kleinen CT-D-Kompressor verwenden, der die 300 bar parallel zur PVU bereitstellt, falls dies für die BOG-Steuerung erforderlich ist.“