Erprobung von Partikelfiltern für den Einsatz in der Binnenschifffahrt

Auch die Binnenschifffahrt soll sauberer werden (Quelle: fotolia/Otto Durst)

Die Bundesregierung unterstützt ausdrücklich - wie bei anderen Verkehrsträgern auch - die Reduzierung des Schadstoffausstoßes im Binnenschifffahrtsbereich.

Im Rahmen der Europäischen Union wurden ab 2006 Grenzwerte für die Emissionen von Partikeln aus Binnenschiffsmotoren eingeführt, die in absehbarer Zeit verschärft werden sollen. Die Grenzwerte der nächsten Stufen werden vermutlich den Einsatz von Partikelfiltern erforderlich machen.

Partikelfilter sind für eine Anwendung im Bereich der Binnenschifffahrt noch nicht erprobt. Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben (F&E Vorhaben) soll prüfen, ob und wenn ja, unter welchen Bedingungen Partikelfilter in der Binnenschifffahrt einsetzbar sind.
Dabei müssen folgenden Belange berücksichtigt werden:

• Ausfallsicherheit
• sehr langer Dauerbetrieb
• langer Betrieb im unteren Lastfeld des Motors
• Verwendung spezieller Kraftstoffe
• ggf. ungünstige Einbaubedingungen

Erwartet werden konkrete Aussagen zu:

• Möglichkeiten der Schadstoffminderung, 
• den Randbedingungen beim Einbau und der Wartung,
• dem Langzeitverhalten und 
• der Funktionsüberprüfung eines Partikelfilters in einem Binnenschiff, sowie ggf.
• ein Vorschlag für entsprechende Vorschriften,
• Anpassungen von Partikelfiltern durch die Industrie für den Einsatz in Binnenschiffen
• und Aussagen zu den Auswirkungen auf den Kraftstoff (benötigte Qualität / Verbrauch).

Untersuchung

Untersuchungsumfang

Untersucht werden zwei Anwendungen:
   a) Einsatz an zwei älteren bereits in Betrieb befindlichen Motoren,
   b) Einsatz an zwei neuen Motoren.

Zu lösende Forschungs- und Entwicklungsvorhaben Fragestellungen

Zu untersuchen sind unter anderem

• der geeignete Filtertyp,
• eine geeignete Anordnung,
• das Verhalten bei den unter Punkt 2 genannten Einsatzbedingungen,
• der Einfluss auf den Motor,
• die erreichbare Abgasreduktion,
• die Wirkung auf den Kraftstoffverbrauch,
• das Regenerationsverhalten,
• die Wirkung auf die weiteren Abgaskomponenten,
• mögliche positive Nebeneffekte wie Schalldämpfung.

Am Vorhaben Beteiligte

• Projektleiter (BMVBS)
• Projektkoordinator (Germanischer Lloyd Hamburg)
• Schifffahrtsgewerbe (MSG eG, Würzburg, Rhenus PartnerShip GmbH & Co. KG, Duisburg, MS LEA, Frank Fischer Berlin, Saarbrücker Personenschiffahrt Günter Emmer GmbH)
• Partikelfilterhersteller (Energietechnik Bremen GmbH Bremen, GREENTOP Aircondition and Filtersystems GmbH Neu-Anspach; Hug Engineering GmbH Magdeburg)
• Motorenhersteller (MTU Friedrichshafen GmbH)
• anerkannte technische Dienste TÜV NORD Mobilität GmbH, IFM - Institut für Fahrzeugtechnik und Mobilität Essen)
• Sachverständiger (Herr Prof. Zikoridse, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, Geschäftsführer Förderkreis Abgasnachbehandlungstechnologien für Dieselmotoren e.V.)

Zeitrahmen

• Herbst 2006: Projektbeginn
• Mitte 2007/Mitte 2008: Einbau DPF
• Mitte 2007 bis Herbst 2010: Testbetrieb
• Herbst bis Ende 2010: Auswertung und Übergabe der Ergebnisse
• Ende 2010: Abschluss des Vorhabens
• Projekttoleranz: 6 Monate

Praktische Umsetzung des Vorhabens

Schiff 1: Fahrgastschiff "Frohsina" (Betriebaufnahme des Filters am 25. August 2007)

Eigner: Saarbrücker Personenschifffahrt Günter Emmer GmbH
Näheres siehe http://www.saarbruecker-personenschiffahrt.de

Fahrgastschiff "Frohsina" (Quelle: Günter Emmer)

Schiffsdaten:
Baujahr: 1907 (Umbau 1964+1991)
Länge: 36,64 m
Breite: 4,62 m
Tiefgang: 0,99 m
Motor: Iveco 8210SRM36 (Nennleistung: 258 kW, Nenndrehzahl: 1500 min ^-1, Baujahr 1995)

Dieselpartikelfilter:
Typ: Nauticlean S FSN 6/400
Hersteller: Hug Engineering GmbH (http://www.hug-eng.ch)

Dieselpartikelfilter Nauticlean S FSN 6/400 (Quelle: Uwe Schmidt)

Systembeschreibung:
Das modular aufgebaute System mit katalytischer Beschichtung wurde zur drastischen Reduzierung der Russpartikel (bis 99%)in Motorabgasen speziell für Schiffsanwendungen für die Leistungsbereiche von 70 bis 3000 kW entwickelt. Um die Filterregeneration auch bei niedrigen Abgastemperaturen sowie während längerer Niederlast- und Leerlaufphasen zu gewährleisten, sichert ein Dieselvollstrombrenner ein autonomes und zuverlässiges Regenerieren des Filters.

Dieselpartikelfilter Nauticlean S FSN 6/400 (Quelle: Günter Emmer)

Technische Daten:
Gehäusematerial: Reaktor aus Edelstahl 1.4306, Wärmeisolation 60 mm;
Filtermaterial: Siliziumkarbid
Filtereinbau: Filter als Kassetten in Reaktor eingebaut, zur Wartung / Reinigung ausbaubar;
Filterkassetten: Maße: 190 x 190 x 420 mm;
Gewicht: 18 kg;
Platzbedarf für den Kassettenwechsel: stirnseitig 350 mm;
Regenerationsbrenner: Diesel- und Druckluftversorgung Anlageseitig, Luft: 5 bar, Strom: 24V DC;
Platzbedarf für den Brennereinbau: 400 mm senkrecht zu Flansch;

Fahrgastschiff "Frohsina" (Quelle: Günter Emmer)

Schalldämmung: Frequenzabhängige Einfügedämmung ca. 15 bis 20 dB(A)
Bypass: extern NO2
Schlupf: nein
Zertifikat: Das Diesel-Partikelfilter-System entspricht den Lloyds Vorschriften.

Schiff 2: Schubgütermotorschiff (SMGS) "WILLI RAAB" mit Güterschubleichter (GSL) (Betriebsaufnahme des Motors mit Filter Mai 2008)

Eigner: Rhenus PartnerShip GmbH Co. KG, Duisburg
Näheres siehe http://www.rhenus.com

SMGS "WILLI RAAB" (Quelle: Georg Hötte)

Schiffsdaten:
Länge Gesamt (SGMS+GSL): 182,00 m (100,00 m + 81,92 m)
Breite: 9,50 m (GSL: 11,40 m)
Tiefgang SGMS/GSL max.: 3,20/2,80 m
Tragfähigkeit max. (SGMS+GSL): 4171 t (2143 t + 2028 t)
Bauwerft: Arminiuswerft Bodenwerder
Baujahr SGMS: 1976; Verlängerung 1985; Kürzung 2007
GSL: 1976

Dieselpartikelfilter (auf Neumotor abgestimmt):
Typ: EER 10 BRV 400 an Motor MTU 12V 4000 M60
Hersteller/Lieferant: MTU Friedrichshafen GmbH (http://www.mtu-online.de) in Kooperation mit ETB Bremen (http://www.etb-bremen.com)

Motor MTU 12V 4000 M60(Quelle: Sebastian Schwarz)

Systembeschreibung:
Das Anlagenkonzept ist für Dieselmotoren im Leistungsbereich bis ca. 5000 kW vorgesehen. Die Dieselabgase werden mit Hilfe von wechselbaren beschichteten SiC - Filterwaben, die in einem Edelstahlgehäuse aufgehängt sind, von den Partikeln befreit. Der separat vor dem Filtergehäuse eingebaute Kraftstoffbrenner erhöht, bei laufendem Motor und unabhängig von dessen Lastverhalten die Abgastemperatur auf die Zündtemperatur der Partikel.

Dieselpartikelfilter EER 10 BRV 400 (Quelle: Michael Bajohr)

Durch eine präzise Abstimmung zwischen Motor und Filter wird ein optimaler Abgasgegendruck erreicht. Die Überwachung für Motor, Getriebe und Abgasnachbehandlungssystem erfolgt zentral über die MTU-Schiffsautomation BlueVision. BlueVision ermöglicht dem Schiffsführer zu jederzeit die notwendigen Informationen über die Gesamtanlage abzufragen und bietet zum anderen die Möglichkeit der Datenfernübertragung und somit der Ferndiagnose.

SMGS "WILLI RAAB" (Quelle: Georg Hötte)

Technische Daten:
Abscheiderate: > 95%
Gehäusematerial: Edelstahl
Filtermaterial: SiC
Filtervolumen: 230 l
Regeneration: aktiv durch Brenneranlage mit variabler Brennerleistung
Brennerart: Vollstrombrenner
Einsatzbereich: im gesamten Motorkennfeld
Brennerleistung: 120 - 380 kW
Schalldämmung: 32 dB(A)
Bypass: integriert
NO2 Schlupf: nein
Bauweise: nach GL Vorschriften

Motor der SMGS "WILLI RAAB" (Quelle: Georg Hötte)

Technische Daten Motor:
Baujahr: 2007/2008
Baureihe: 12V 4000 M60; V-Motor mit 12 Zylindern
Nennleistung: 1320 kW
Nenndrehzahl: 1800 min-1
Hubraum: 48,7 l, pro Zylinder 4,06 l
Abgasgrenzwerte: ZKR Stufe 2
Einspritzsystem: Common Rail
Aufladung: 2 x ATL, Registeraufladung

Schiff 3: Schubgütermotorschiff (SGMS) "Stadt Würzburg" mit Güterschubleichter (GSL) "Mainfranken" (Betriebsaufnahme des Filters Juli 2008)

Eigner: MSG eG, Würzburg
Näheres siehe http://www.msgeg.de/

SGMS "Stadt Würzburg" mit GSL "Mainfranken" (Quelle: Kurt Duller)

Schiffsdaten
Länge Gesamt (SGMS+GSL): 172,00 m (110,00 m + 61,98 m)
Breite: 11,00 m
Tiefgang SGMS/GSL max.: 3,16 m / 3,05 m
Tragfähigkeit max.: 4334 t / 4784 m³ (SGMS+GSL) (2725 t / 2850 m³ + 1609 t / 1937 m³)
Containerstellplätze: 3 Breiten und 3 Lagen
TEU 20 " Gesamt (SGMS+GSL): 189 (117 + 72)
TEU 40 " Gesamt (SGMS+GSL): 90 (54 + 36)
Bauwerft: Erlenbacher Schiffswerft Maschinen- und Stahlbau GmbH, Erlenbach am Main und MSG eG, Schiffsmotoren und Werftbetrieb, Dorfprozelten
Baujahr GMS: April bis Oktober 1989
Umbau zum SGMS: April bis Mai und Juli bis August 2008
GSL: Januar bis August 2008
Motor: Cummins KTA 50-M2 (ZKR Stufe 1; Nennleistung: 1193 kW; Nenndrehzahl: 1800 min-1; Baujahr 2005)

Dieselpartikelfilter
Typ: EER 8 BR 350
Hersteller/Lieferant: ETB Energietechnik Bremen (http://www.etb-bremen.com)

Dieselpartikelfilter EER 8 BR 350 (Quelle: Michael Bajohr)

Systembeschreibung:
Das Anlagenkonzept ist für Dieselmotoren im Leistungsbereich bis ca. 5000 kW vorgesehen. Die Dieselabgase werden mit Hilfe von wechselbaren beschichteten SiC - Filterwaben, die in einem Edelstahlgehäuse aufgehängt sind, von den Partikeln befreit. Der im Filter integrierte Kraftstoffbrenner erhöht, bei laufendem Motor und unabhängig von dessen Lastverhalten die Abgastemperatur auf die benötigte Abbrandtemperatur der abgeschiedenen Partikel. Durch eine gezielte Überwachung ausgewählter Abgasdaten wird eine optimierte Filterreinigung zur Aufrechterhaltung eines relativ geringen Abgasgegendruck erreicht.

Dieselpartikelfilter EER 8 BR 350 (Quelle: Michael Bajohr)

Technische Daten Dieselpartikelfilter
Abscheiderate: > 98%
Gehäusematerial Edelstahl
Filtermaterial: SiC
Filtervolumen: 180 l
Regeneration: aktiv durch Brenneranlage mit variabler Brennerleistung
Brennerart: Vollstrombrenner
Einsatzbereich: im gesamten Motorkennfeld
Brennerleistung: 120 - 340 kW
Schalldämmung: 28 - 30 dB(A)
Bypass: integriert
NO2 Schlupf: nein
Bauweise: nach GL Vorschriften

Schiff 4: Gütermotorschiff MS-LEA (Betriebsaufnahme des Filters April 2009)

Eigner: Frank Fischer, Berlin

Gütermotorschiff MS-LEA (Quelle: Frank Fischer)

Schiffsdaten
Länge: 85,00 m
Breite: 8,20 m
Tiefgang: 2,53 m
Tragfähigkeit: 1168 t
Bauwerft: Boizenburg
Baujahr 1961, Verlängerung 2000
Motor: Deutz, 816 BAM 12, (Nennleistung: 615 kW, Nenndrehzahl: 1800 min-1), Baujahr: 1983/1997

Dieselpartikelfilter
Typ: PERMACLEAN® 3.2
Hersteller/Lieferant: GREENTOP Emission Reduction Systems GmbH (http://www.dieselpartikelfilter.de)

Dieselpartikelfilter PERMACLEAN® 3.2 (Quelle: Marcel Lees)

Systembeschreibung:
Das PERMACLEAN®-System besitzt Filterelemente aus Sintermetall welche über einen geringen Druckverlust und eine hohe Aschespeicherkapazität verfügen und sich sehr leicht reinigen lassen. Die Regeneration der Filter erfolgt im Nebenstrom-Prinzip mittels kleinen Kraftstoffbrennern; das bedeutet, dass der Abgasvolumenstrom über mehrere Kammern aufgeteilt wird, welche einzeln und nacheinander regeneriert werden. Dadurch verfügt dieses System über einen minimalen Brennluft- und Kraftstoffbedarf.

beengte Platzverhältnisse im Motorraum (Quelle: Marcel Lees)

Technische Daten:
Gehäusematerial: Edelstahl, 1.4301 und 1.4841
Isolierung: 80 mm
Filtermaterial: Sintermetall
Abscheiderate: > 90%
Regeneration: Nebenstromregeneration
Regenerationsbrenner:GREENTOP TEMPBOOSTER®-27 kW
Benötigte Brennluftmenge: max. 20 m³/h / 1 bar
Einsatzbereich: unabhängig vom Betriebszustand des Motors
Schalldämmung: ca. 20 dB(A), zusätzlich zum original Schalldämpfer
Bypass: extern, automatisch gesteuert
NO2-Schlupf: nein
Zugänglichkeit: zusätzliche Hebe- und Senkvorrichtung für Wartungsarbeiten (notwendig durch beengte Platzverhältnisse im Motorraum)
Bauweise: nach GL-Vorschriften

Ansprechpartner:

BMVBS (Projektleitung)
Herr Winfried Kliche
Tel: +49 (0)30 18 300 4551

Germanischer Lloyd (Projektkoordination, http://www.gl-group.com)
Herr Torsten Mundt
Tel:+49 (0)40 36149 5652