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Abgasentsorgung

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Effiziente Filterung von Schiffsabgasen

Text: Eerke van der Glas, Phoenix Contact
Umweltschutz ist nicht nur an Land ein wichtiges Thema, sondern auch auf hoher See. Ein Abgasreinigungssystem erfordert eine leistungsfähige Steuerungstechnik und eine durchgängige Kommunikation von der Brücke bis in den Maschinenraum.

Wie bei allen anderen Verkehrsmitteln entstehen auch in der Schifffahrt Umweltbelastungen durch Abgase, Abfälle oder Abwasser, die es zu reduzieren gilt. Das Unternehmen Mecmar ist Hersteller kundenspezifischer Abgasanlagen für Dieselmotoren und Gasturbinenanlagen. Ein Merkmal dieser Abgasanlagen ist das Einblasen von Seewasser in die Abgasleitung. Ein weiteres im Schiffsbereich tätiges norwegisches Unternehmen, die Ulstein Group, beschäftigt sich unter anderem mit dem Design und Bau von Offshore-Supply-Hochseeschiffen und Kurzstreckenschiffen sowie der Erstellung entsprechender Steuerungs- und Energieversorgungssysteme. Gemeinsam haben beide Unternehmen in einem Großprojekt ein Abgassystem konzipiert, das alle Anforderungen des IMO-Green-Ship-Abkommens erfüllt. Dabei wurden die drei wesentlichen von Schiffen ausgestoßenen Gase Stickstoffoxid, Kohlendioxid und Schwefeloxid untersucht. Im Rahmen des Projekts blasen die Ingenieure Ammoniak direkt in den Abluftstrom ein. Auf diese Weise soll die selektive katalytische Reduktion (SCR) in den Dieselabgassystemen auf Schiffen weiter verfeinert werden. In Kombination mit dem Einspritzen von Seewasser deckt diese Lösung das gesamte Spektrum von Maßnahmen gegen Umweltverschmutzung ab, vermindert gleichzeitig den Lärm, wandelt umweltschädliche Gase in harmlose Bestandteile und senkt die Partikelemission. Folgende Maßnahmen kommen zur Reduzierung der Stickstoffoxid-Emission in Frage:

Anpassung betrieblicher Prozesse Verbesserung des Schiffs-Designs zur Minimierung des Energiebedarfs Verbesserung des Motoren-Designs, um eine saubere Verbrennung und einen besseren spezifischen Treibstoffverbrauch zu erreichen Abgasreinigung durch eine Art Nachbehandlung Einblasen von Meerwasser in die Abgasleitung Installation ausgewählter katalytischer Konverter in der Abgasanlage Verwendung alternativer Treibstoffe Nutzung von Additiven im Treibstoff zur Optimierung der Verbrennungseffizienz

Eine Methode zur Senkung der Stickstoffoxid-Emissionen besteht darin, Stickstoffoxid mit Ammoniak als Reduktionsmittel reagieren zu lassen. So wird der Schadstoff in Stickstoff und Wasserdampf umgewandelt. Die Komponenten reagieren normalerweise nur bei Temperaturen von über 900 °C. Trotzdem lässt sich eine Reaktion bei geringeren Abgastemperaturen von etwa 280 °C erzielen, wenn ein Katalysator eingesetzt wird. Um die Reaktion mit dem Katalysator zu beschleunigen, wird das Abgas mit Ammoniakgas gemischt. Die Mischung wird dann durch eine Wabenstruktur geleitet, die Vanadium-Pentaoxid als Katalysator enthält. Die Katalysatorstruktur befindet sich im SCR-Reaktor, wo Ammoniak und Stickoxid im Abgas reagieren und daraus Stickstoff und Wasserdampf entstehen. Ammoniak ist das Reduktionsmittel.

Gasförmiges Amoniak für den Katalysator

In einem Abgassystem mit integriertem SCR-System gibt es zwei Möglichkeiten zur Erlangung von Ammoniak: aus Urea, auch Harnstoff genannt, das kommerziell aus Ammoniak und Kohlendioxid hergestellt wird. Normalerweise wird Urea als wässerige Lösung in SCR-Systemen verwendet und kann zudem in flüssiger Form in Druckbehältern, ähnlich wie bei Flüssiggas, bereitgestellt und so bei der Direkteinspritzung genutzt werden. Egal welche Methode - Urea oder reines Ammoniak - angewendet wird: Es wird nur gasförmiges Ammoniak benötigt, damit der Katalysator nutzbringend arbeitet. Im Fall von Urea muss es demnach eine zweistufige Reaktion geben. Zunächst ist das Ammoniak vom Urea abzuspalten und anschließend mit Stickstoffoxid im SCR-Reaktor zu kombinieren, um die Reduktion in Stickstoff und Wasserstoff zu erreichen. Beim von Ulstein eingesetzten Verfahren zur Senkung des Stickstoffoxid-Ausstoßes handelt es sich um das Einblasen einer wasserbasierten Urea-Lösung in die Abgase. Die Abgasreinigung wird von vier Controllern vom Typ ILC-150-ETH von Phoenix Contact gesteuert, pro Abluftkanal einer. Die Visualisierung und die Regelung der Prozessparameter - beispielsweise des Gehalts der eingeblasenen Harnsäure - erfolgen mit einem TP-6T-Touch-Panel mit 6,5"-TFT-Display und einer Auflösung von 640 x 480 Pixel. Die Informationen über den ordnungsgemäßen Ablauf des Reinigungsvorgangs werden via Ethernet-Netzwerk an die übergeordnete IAS-Steuerungsebene von Ulstein weitergeleitet. Dort werden die Daten überwacht und aufgezeichnet, damit eine ökologisch einwandfreie Arbeitsweise des Schiffs unabhängig von seinem jeweiligen Standort sichergestellt ist. In das Panel ist die Runtime der Visualisierungs-Software Visu+ bereits integriert. Neben verschiedenen Scada-Funktionen zeichnet sich die Software durch zusätzliche Funktionen zur Betriebsdatenerfassung und Protokollierung sowie zur Anbindung an Datenbanksysteme aus. OPC dient der Ankopplung an die Steuerungsebene.Ein weiterer Vorteil des Abgasreinigungssystems ergibt sich daraus, dass sich die Ausgänge der Abgasleitungen unter Wasser befinden können - und zwar entweder an der Seite des Schiffs oder am Heck. So lässt sich das Verlegen von Hauptleitungen durch den Deckenaufbau vermeiden, was sonst viel Platz in Anspruch nimmt. Die gewonnene Fläche kann für andere Zwecke verwendet werden, zudem hat das Bedienpersonal von der Brücke und der Kommandoposition eine freie Rundumsicht. Insgesamt reduziert das Abgasfiltersystem ökologisch gefährliche Emissionen wie folgt:

Senkung des Schwefeloxid-Ausstoßes um 90 bis 95 Prozent Verringerung der Aldehyd-Emission um 60 bis 70 Prozent Reduzierung des Ausstoßes von aromatischen Kohlenwasserstoffen um 30 bis 50 Prozent erhebliche Senkung der Partikelemission Verringerung des Stickstoffoxid-Ausstoßes um 6 bis 10 Prozent

Für alle Anwender, die ein modernes Automatisierungssystem in ihre Systemlandschaft einführen möchten, bietet das Steuerungsportfolio von Phoenix Contact fünf Kleinsteuerungen mit hoher Kommunikationsfähigkeit. Die ILC-1xx werden mit der Software PC Worx Express programmiert, die den Einstieg in die Steuerungswelt aufgrund ihres geringeren Funktionsumfangs erleichtert. Auf Basis einfach bedienbarer Editoren lassen sich verschiedene Automatisierungslösungen einfach und schnell umsetzen. Sämtliche erstellten Programme können in der Standard-Programmierumgebung PC Worx weiter genutzt werden. In die von Ulstein eingesetzten Controller sind bereits ein Web- und ein FTP-Server zum Austausch von Parametrierungs- und Log-Dateien integriert. Darüber hinaus werden weitere IT-Standards wie HTTP, SNMP oder SQL unterstützt, was eine nahtlose Datenübertragung ohne Systembrüche erlaubt.

Offene Schnittstellen für mehr Durchgängigkeit

Die Anwendungsmöglichkeiten für die Kleinsteuerung mit Interbus- und Ethernet-Schnittstelle sind sehr vielfältig, da sie je nach Anforderung neben ihren acht direkten Ein- und vier direkten Ausgängen flexibel um Standard- und Funktionsklemmen aus dem Inline-Automatisierungssystem erweitert werden kann. Diese müssen nur nach der Steuerung auf die Hutschiene gesteckt werden. Die gegenseitige Verrastung und Querrangierung der Logik- und Peripherieversorgung erfolgen automatisch beim Aneinanderreihen der Module. Die für maritime Applikationen zertifizierte Kleinsteuerung zeichnet sich ferner durch ihre kompakte Bauform aus, denn der Platz in den Schaltschränken auf Schiffen ist begrenzt. Durch die Kombination der Kleinsteuerung mit dem kompakten Touch Panel entsteht eine gute Lösung zur Bedienung und Überwachung der Anlage.

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