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Auch die Binnenschifffahrt soll sauberer werden
Auch die Binnenschifffahrt soll sauberer werden

Quelle: Fotolia / Schneider Foto

Die Bundesregierung unterstützt - wie bei anderen Verkehrsträgern auch - die Reduzierung des Schadstoffausstoßes in der Binnenschifffahrt.

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 voraussichtlich den Einsatz von Partikelfiltern erforderlich machen.

Partikelfilter sind für eine Anwendung auf Binnenschiffen noch nicht erprobt. Das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben (F&E-Vorhaben) sollte dazu dienen, zu prüfen, ob und wenn ja, unter welchen Bedingungen Partikelfilter in der Binnenschifffahrt einsetzbar sind.

Dabei müssen die speziellen Rahmenbedingungen des Einsatzes in Binnenschiffen berücksichtigt werden. Hierzu gehören unter anderem:

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


Erwartet wurden konkrete Aussagen zu:

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

Am Vorhaben Beteiligte

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  1. Projektleiter (Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur)
  2. Projektkoordinator (Germanischer Lloyd AG Hamburg)
  3. Schifffahrtsgewerbe (MSG eG, Würzburg, Rhenus PartnerShip GmbH & Co.KG, Duisburg, MS LEA, Frank Fischer Berlin, Saarbrücker Personenschifffahrt Günter Emmer GmbH)
  4. Partikelfilterhersteller (Energietechnik Bremen GmbH Bremen, GREENTOP Aircondition and Filtersystems GmbH Neu-Anspach; Hug Engineering GmbH Magdeburg)
  5. Motorenhersteller (MTU Friedrichshafen GmbH)
  6. Anerkannter technischer Dienst TÜV NORD Mobilität GmbH, IFM - Institut für Fahrzeugtechnik und Mobilität Essen)
  7. Sachverständiger (Herr Prof. Zikoridse, Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden, Geschäftsführer Förderkreis Abgasnachbehandlungstechnologien für Dieselmotoren e. V.)

Zeitrahmen

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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

Der Zeitrahmen wurde im Wesentlichen eingehalten. Die Messergebnisse lagen abschließend Ende Januar 2011 vor. Der Bericht des Sachverständigen wurde im März 2011, der überarbeitete Abschlussbericht im August 2011 übergeben, der Kurzbericht Ende September 2011.

Untersuchung

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Untersuchungsumfang:

Untersucht wurden zwei Anwendungen

  1. Einsatz an drei älteren bereits in Betrieb befindlichen Motoren, davon ein Motor auf einem Fahrgastschiff
  2. Einsatz an einem neuen Motor.

Zu lösende Fragestellungen:

Zu untersuchen waren unter anderem

  • der geeignete Filtertyp,
  • eine geeignete Anordnung,
  • das Verhalten bei den oben genannten Einsatzbedingungen,
  • der Einfluss auf den Motor,
  • die erreichbare Reduktion der Schadstoff- und Partikelemissionen,
  • die Wirkung auf den Kraftstoffverbrauch,
  • das Regenerationsverhalten der Filter,
  • die Wirkung auf die weiteren Abgaskomponenten,
  • mögliche positive Nebeneffekte wie z.B. Schalldämpfung.

Das Vorhaben wurde praktisch bei den nachfolgend dargestellten Schiffen umgesetzt.

Schiff 1: Fahrgastschiff "Frohsina"

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(Betriebsaufnahme Filter: 25. August 2007)

Fahrgastschiff "Frohsina" - Link zu einer vergrößerten Bildansicht in einem neuen Browserfenster
Fahrgastschiff "Frohsina"

Quelle: Günter Emmer

Eigner

Saarbrücker Personenschifffahrt Günter Emmer GmbH
Näheres siehe:

http://www.saarbruecker-personenschiffahrt.de




 

Schiffsdaten

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

 

Dieselpartikelfilter Nauticlean S FSN 6/400 - Link zu einer vergrößerten Bildansicht in einem neuen Browserfenster
Dieselpartikelfilter Nauticlean S FSN 6/400

Quelle: Uwe Schmidt


Dieselpartikelfilter

Typ: Nauticlean S FSN 6/400
Hersteller: Hug Engineering GmbH

http://www.hug-eng.ch

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 - Link zu einer vergrößerten Bildansicht in einem neuen Browserfenster
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--Millimeter senkrecht zu Flansch;
Schalldämmung: Frequenzabhängige Einfügedämmung ca. 15 bis 20 dB(A)
Bypass: extern
NO2-Schlupf: nein
Zertifikat: Diesel-Partikelfilter-System entspricht den Vorschriften von Lloyds Register.

Versuchsaufbau / Erfasste Messgrößen

(Versuchsbeschreibung siehe Kapitel 7 Abschlussbericht)

Messstellenplan (Gesamtübersicht) FGS Frohsina
Messstellenplan (Gesamtübersicht) FGS Frohsina

Quelle: BMVBS

erfasste Messgrößen:

  • Maschinenraumtemperatur
  • Abgastemperatur vor und nach Diesel-Partikel-Filter (DPF)
  • Differenzdruck über DPF (Delta p)
  • Kraftstoffverbrauch kg/h (zeitweise)
  • Kraftstoffzulauf Volumeter A (zeitweise)
  • Drehzahl des Motors (zeitweise)
  • Drehmoment an der Propellerwelle (bei den Messkampagnen)
  • Brennerbetrieb: Ja / Nein (zeitweise)
  • Bypassklappenstellung (zeitweise)
  • Betriebsstunden (Bh)
  • GPS: Geschwindigkeit, Zeit, Breite, Länge, Kurs


Die Datenaufzeichnung erfolgte mit zwei unterschiedlichen Abtastraten:

  • Abtastrate von einer Minute für Langzeitbetrachtung über den Projektzeitraum;
  • Zur Betrachtung von ausgewählten Ereignissen und Betriebszuständen parallele Messdatenspeicherung mit einer Frequenz von einem Hz;

Schiff 2: MS "WILLI RAAB" mit Güterschubleichter (GSL)

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(Betriebsaufnahme Motor mit Filter: Mai 2008)

Foto des Schiffes MS "WILLI RAAB"
MS "WILLI RAAB"

Quelle: Georg Hötte

Eigner

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

Schiffsdaten

Länge gesamt (MS+GSL):182,00 m (100,00 m + 81,92 m)
Breite:9,50 m (GSL: 11,40 m)
Tiefgang (MS/GSL) max.:3,20/2,80 m
Tragfähigkeit max. (MS+GSL):4171 t (2143 t + 2028 t)
Baujahr (MS+GSL):1976; Verlängerung (MS) 1985; Kürzung (MS) 2007
Fot der Schiffes MS "WILLI RAAB"
MS "WILLI RAAB"

Quelle: Georg Hötte

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)

Systembeschreibung

Das Anlagenkonzept ist für Dieselmotoren im Leistungsbereich bis ca. 5000 kW vorgesehen. Die Abgase 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.

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 die Möglichkeit der Datenfernübertragung und somit der Ferndiagnose.

Foto des Motors der MS "WILLI RAAB"
Motor der MS "WILLI RAAB"

Quelle: Georg Hötte

Technische Daten Dieselpartikelfilter

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 Vorschriften des Germanischen Lloyd

Technische Daten Motor

Foto des Motors MTU 12V 4000 M60
Motor MTU 12V 4000 M60

Quelle: Sebastian Schwarz

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

Versuchsaufbau / Erfasste Messgrößen

(Versuchsbeschreibung siehe Kapitel 7 Abschlussbericht)

Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Willi Raab
Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Willi Raab

Quelle: BMVBS

erfasste Messgrößen

  • Maschinenraumtemperatur
  • Abgastemperatur vor und nach Diesel- Partikel- Filter (DPF)
  • Differenzdruck über DPF (Delta p)
  • Kraftstoffverbrauch kg/h (zeitweise)
  • Kraftstoffzulauf Volumeter A (zeitweise)
  • Drehzahl des Motors (zeitweise)
  • Drehmoment an der Propellerwelle (bei den Messkampagnen)
  • Brennerbetrieb: Ja / Nein (zeitweise)
  • Bypassklappenstellung (zeitweise)
  • Betriebsstunden (Bh)
  • GPS: Geschwindigkeit, Zeit, Breite, Länge, Kurs




Die Datenaufzeichnung erfolgte mit zwei unterschiedlichen Abtastraten:

  • Abtastrate von einer Minute für Langzeitbetrachtung über den Projektzeitraum;
  • Zur Betrachtung von ausgewählten Ereignissen und Betriebszuständen parallele Messdatenspeicherung mit einer Frequenz von einem Hz;

Schiff 3: Schubgütermotorschiff (MS) "Stadt Würzburg" mit Güterschubleichter (GSL) "Mainfranken"

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(Betriebsaufnahme Filter: Juli 2008)

Foto der SGMS "Stadt Würzburg" mit GSL "Mainfranken"
SGMS "Stadt Würzburg" mit GSL "Mainfranken"

Quelle: Kurt Duller

Eigner

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



 

Schiffsdaten

Länge Gesamt (MS+GSL):172,00 m (110,00 m + 61,98 m)
Breite:11,00 m
Tiefgang (MS/GSL) max.:3,16 m / 3,05 m
Tragfähigkeit max. (MS+GSL):4334 t / 4784 m³ (2725 t / 2850 m³ + 1609 t / 1937 m³)
Containerstellplätze:3 Breiten und 3 Lagen
TEU 20 " gesamt (MS+GSL):189 (117 + 72)
TEU 40 " gesamt (MS+GSL):90 (54 + 36)
Baujahr MS:1989 (April bis Oktober)
Umbau zum Schubschiff:April bis Mai und Juli bis August 2008
Baujahr GSL: 2008 (Januar bis August)
Motor:Cummins KTA 50-M2 (ZKR Stufe 1; Nennleistung: 1193 kW; Nenndrehzahl: 1800 min-1; Baujahr 2005)
GRafik des Dieselpartikelfilters EER 8 BR 350
Dieselpartikelfilter EER 8 BR 350

Quelle: Michael Bajohr

Dieselpartikelfilter

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

Systembeschreibung

Das Anlagenkonzept ist für Dieselmotoren im Leistungsbereich bis ca. 5000 kW vorgesehen. Die Abgase 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.

Foto des Dieselpartikelfilters EER 8 BR 350
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

Versuchsaufbau / Erfasste Messgrößen

(Versuchsbeschreibung siehe Kapitel 7 Abschlussbericht)

Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Stadt Würzburg
Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Stadt Würzburg

Quelle: BMVBS

erfasste Messgrößen:

  • Maschinenraumtemperatur
  • Abgastemperatur vor und nach Diesel-Partikel-Filter (DPF)
  • Differenzdruck über DPF (Delta p)
  • Kraftstoffverbrauch kg/h (zeitweise)
  • Kraftstoffzulauf Volumeter A (zeitweise)
  • Drehzahl des Motors (zeitweise)
  • Drehmoment an der Propellerwelle (bei den Messkampagnen)
  • Brennerbetrieb: Ja / Nein (zeitweise)
  • Betriebsstunden (Bh)
  • GPS Geschwindigkeit, Zeit, Breite, Länge, Kurs
  • Rußsensorsignal hinter DPF (zeitweise)






Die Datenaufzeichnung erfolgte mit zwei unterschiedlichen Abtastraten:

  • Abtastrate von einer Minute für Langzeitbetrachtung über den Projektzeitraum;
  • Zur Betrachtung von ausgewählten Ereignissen und Betriebszuständen parallele Messdatenspeicherung mit einer Frequenz von einem Hz;

Schiff 4: Gütermotorschiff MS-LEA

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(Betriebsaufnahme des Filters April 2009)

Foto des Gütermotorschiffs MS-LEA
Gütermotorschiff MS-LEA

Quelle: Frank Fischer

Eigner

Frank Fischer, Berlin


 

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

 

Grafik des Dieselpartikelfilters PERMACLEAN® 3.2
Dieselpartikelfilter PERMACLEAN® 3.2

Quelle: Marcel Lees

Dieselpartikelfilter

Typ: PERMACLEAN® 3.2
Hersteller/Lieferant: GREENTOP Emission Reduction Systems GmbH (Diese Firma ist nicht mehr am Markt präsent)

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 kleiner 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 der MS-LEA
Motorraum MS-LEA

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

Versuchsaufbau / Erfasste Messgrößen

(Versuchsbeschreibung siehe Kapitel 7 Abschlussbericht)

Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Lea
Messstellenplan (Gesamtübersicht) MS Lea

Quelle: BMVBS

erfasste Messgrößen:

  • Maschinenraumtemperatur
  • Abgastemperatur rechte und linke Zylinderbank
  • Abgastemperatur vor und nach Diesel-Partikel-Filter (DPF)
  • Differenzdruck über DPF (Delta p)
  • Kraftstoffverbrauch kg/h (zeitweise)
  • Kraftstoffzulauf Volumeter A (zeitweise)
  • Drehzahl des Motors (zeitweise)
  • Drehmoment an der Propellerwelle (bei den Messkampagnen)
  • Brennerbetrieb: Ja / Nein (zeitweise)
  • Betriebsstunden (Bh)
  • GPS: Geschwindigkeit, Zeit, Breite, Länge, Kurs






Die Datenaufzeichnung erfolgte mit zwei unterschiedlichen Abtastraten:

  • Abtastrate von einer Minute für Langzeitbetrachtung über den Projektzeitraum;
  • Zur Betrachtung von ausgewählten Ereignissen und Betriebszuständen parallele Messdatenspeicherung mit einer Frequenz von einem Hz;

Messdurchführungen

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Je Schiff wurden in etwa fünf Messkampagnen durchgeführt. Nähere Informationen enthält der Abschlussbericht (siehe Kapitel 8). Hierbei wurde deutlich, wie anspruchsvoll die Anforderungen an Messungen von Emissionen im Betrieb der Binnenschiffe unter den ggf. komplizierten räumlichen Verhältnissen und den vorgegeben Möglichkeiten für die Anordnung des Messequipments sind. Diesbezügliche Auswirkungen betreffen unter anderem die Messgenauigkeit, die mit Prüfstandsmessungen nicht vergleichbar sein kann.

Untersuchungsergebnisse

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Das Projekt hat für alle Teilnehmer wertvolle Erfahrungen geliefert und gezeigt, dass weitere Auslegungskriterien zu berücksichtigen sind, die zuvor nicht genügend beachtet wurden. Hierzu gehören unter anderem der Wärmehaushalt, die sichere Spannungsversorgung, der Einfluss der Bypassklappe sowie Informationen über den DPF-Systemzustand für den Schiffsführer.

Alle Ergebnisse sowie Informationen zum Vorhaben können dem  Abschlussbericht des Germanischen Lloyd entnommen werden. Im Folgenden werden einige der Ergebnisse kurz dargestellt.

Schiffssicherheit, Informationen für den Schiffsführer

Oberste Priorität beim Einsatz einer neuen Technologie auf einem Binnenschiff, die in das Antriebsregime eingreifen kann, ist die Betriebssicherheit und unbedingte Sicherstellung der Manövrierfähigkeit des Schiffes bei einem Ausfall dieser Technologie. Da alle am Versuch beteiligten Schiffe jeweils nur einen Hauptantrieb hatten, durfte dieser nicht ausfallen. Daher waren alle DFP mit Bypass ausgerüstet. In Auswertung des Versuches kamen alle Beteiligten zu der Auffassung, dass dies eine unumgänglich notwendige Forderung ist. Allerdings kann der Bypass, sofern er nicht absolut dicht ist, einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad beziehungsweise die Abscheiderate des Gesamtsystems haben. Eine weitere negative Auswirkung des Einsatzes eines Bypasses ist die Möglichkeit, diesen missbräuchlich zu nutzen, um z.B. die Wartungsintervalle zu verlängern oder im Problemfall ohne umgehende Problemlösung zu fahren. Die Zusammenfassung der Erfahrungen aus dem Versuch enthält der Abschlussbericht in Kapitel 9.3.5.

Alle Schiffsführer waren einheitlich der Auffassung, dass die Anzeige der wichtigsten Systemparameter des DPF im Steuerhaus angezeigt werden müssen. Die ursprüngliche Absicht, einen DPF so zu gestalten, dass eine Anzeige nicht erforderlich sei, konnte nicht beibehalten werden.

Gemessene Partikel-Emissionen (Auszug aus dem Abschlussbericht)

Das F&E-Vorhaben zeigte, dass die ab 2016 erwarteten Grenzwerte von PM = 0,04 g/kWh nach dem Vorschlag der Stufe IV der Motorenindustrie und sogar den Vorschlägen der ZKR von 0,025 g/kWh prinzipiell eingehalten werden können. Die ermittelten Partikelemissionen zeigen die beiden Grafiken.

Partikelemissionen vor- und nach DPF (MS "Willi Raab")
Partikelemissionen vor- und nach DPF (MS "Willi Raab")

Quelle: BMVBS

Partikelemissionen vor- und nach DPF (MS "Stadt Würzburg")
Partikelemissionen vor- und nach DPF (MS "Stadt Würzburg")

Quelle: BMVBS


Das remotorisierte MS "Willi Raab", bei dem die Systemkomponenten optimal aufeinander abgestimmt werden konnten, weist die geringsten Partikelemissionen auf. Auch die für das  MS "Stadt Würzburg" gemessenen Emissionen blieben unter den von der ZKR vorgeschlagenen Partikelgrenzwerten. Für das MS "LEA" konnten keine Werte ermittelt werden (siehe Abschnitt "Anforderungen an die Nachrüstung"). Die Messwerte für das FGS "Frohsina" lagen mit einer Ausnahme im Bereich um 0,7 g/kWh. Auf Grund der während des Versuches erst spät festgestellten mangelhaften Abdichtung der Filterkartuschen sollten diese Werte jedoch nicht als repräsentativ für vergleichbare Anlagen gesehen werden. Es ist davon auszugehen, dass mit einem solchen System nach Behebung des Fehlers der Grenzwert von 0,025 g/kWh erreichbar ist.

Langzeitverhalten

Obwohl der Versuchszeitraum sich über mehr als zwei Jahre erstreckte, können keine Aussagen zum Langzeitverhalten der DPF gemacht werden. Dies liegt zum einen daran, dass die DPF während des Versuchs entgegen der ursprünglichen Absicht hinsichtlich einer Optimierung der Systeme modifiziert wurden. Zum anderen erwies sich die Einsatzdauer in Summa noch als zu kurz, um zu belastbaren Aussagen zu kommen.

Regenerationskonzept

Binnenschiffe verkehren häufig im Teil- beziehungsweise Niedriglastbereich, z.B. während der Kanalfahrt (siehe Ergebnisse Fahrprofil). Eine wesentliche Forderung des Versuches war daher die zuverlässige Filterregeneration unter allen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs. Passive Regenerationsmethoden (additivgestützte Regeneration, NO2- oder O2-Regeneration) ermöglichen keine zuverlässige Filterregeneration unter den Bedingungen der Fahrt unter Teillast, da die für die Abbrennung erforderliche Abgastemperatur nicht erreicht wird. Daher mussten aktive Filterkonzepte zum Einsatz kommen. Nähere Informationen zu den Konzepten enthält der Abschlussbericht in Kapitel 8 und 9.

Filterwirkungsgrad

Vergleich der Wirkungsgrade der untersuchten DPF-Systeme
Vergleich der Wirkungsgrade der untersuchten DPF-Systeme

Quelle: BMVBS

Aus der Abbildung zum Vergleich der Wirkungsgrade der untersuchten DPF-Systeme ist ersichtlich, dass kein DPF-System die Vorgabe hinsichtlich des Filterabscheidegrades größer 90% erfüllt. Die Filtersysteme auf dem MS "Willi Raab" und dem MS "Stadt Würzburg" kommen dieser Anforderung sehr nahe. Hingegen zeigt das DPF-System auf dem FGS "Frohsina" große Defizite und Schwankungen in der Filtrationsleistung. Die Hauptursachen dafür liegen einerseits in der hohen Schwefelkonzentration im verwendeten Kraftstoff (insbesondere für FGS "Frohsina") und anderseits in konstruktiven und/oder funktionalen Defiziten bei den DPF-Systemen selbst, die im Verlauf des F&E-Projektes nicht vollständig behoben werden konnten.

Abgasgegendruck

Abgasgegendruck über DPF-Betriebszeit (MS Willi Raab)
Abgasgegendruck über DPF-Betriebszeit (MS Willi Raab)

Quelle: BMVBS

Die Grafik zeigt das Abgasgegendruckverhalten des System Systems Motor-DPF auf dem MS "Willi Raab" über den Versuchszeitraum. Gut erkennbar ist der Einfluss der Ascheeinlagerung und der Filterreinigung in den Prüfstufen über die Betriebszeit. Dies war jedoch nicht bei allen Schiffen so eindeutig darstellbar. Die Messergebnisse für das FGS "Frohsina" geben z.B. auch zu erkennen, dass der DPF möglicherweise hätte kleiner dimensioniert werden können. Bei dem Motor des ursprünglich geplanten Schiffes MS "Hoffmann" war der zulässige Abgasgegendruck so gering, dass der Einsatz eines DPF weder technisch noch wirtschaftlich vernünftig darstellbar war.

Dynamisches Verhalten der Dieselpartikelfilter

Die Rußemissionsmessungen unter Beschleunigungen zeigten zum Teil deutlich überhöhte Werte der Opazität und des elementaren Kohlenstoffs. Die Einordnung dieser Ergebnisse (so genannte "Durchblaseneigung") ist insofern schwierig, da für instationäre Vorgänge keine Bewertungsstandards existieren und die Messreihen zudem uneinheitliche Tendenzen aufweisen.

Messmethoden für Messung der Partikelemission

Vergleich der gewichteten Rußemission (MS Stadt Würzburg)
Vergleich der gewichteten Rußemission (MS Stadt Würzburg)

Quelle: Abschlussbericht

Bei der Auswertung der Versuchsergebnisse wurde deutlich, dass die Messung der Partikelemissionen mittels unterschiedlicher Verfahren zwar die gleiche Tendenz widerspiegelt und die Messwerte in ähnlicher Größenordnung liegen, dass sie aber durchaus im Detail erheblich abweichen können. Die Grafik zeigt einen Vergleich der mit den im Versuch genutzten Messverfahren ermittelten gewichteten Rußemissionen für das MS "Stadt Würzburg". Die Messung mit dem Micro-Sampling-System mit dem nach ISO 8178-4 genormten Partikelmessverfahren (PM) zeigt Abscheideraten bis 88%. Die Messung der Bosch-Schwärzungszahl (BSZ) mit dem "Smokemeter" und die Bestimmung des elementaren Kohlenstoffes (EC) mit dem Micro-Scoot-Sensor weisen höhere Abscheideraten um bis zu 99% aus. Eindeutige Korrelationswerte lassen sich nicht bestimmen und wären aus statistischen Gründen nicht zulässig.

Kraftstoffmehrverbrauch

Der zusätzliche Kraftstoffverbrauch des Brenners für die Regeneration ist erheblich geringer ausgefallen, als selbst von den DPF-Herstellern vor Projektbeginn erwartet wurde.

Wartung

Für alle untersuchten DPF-Systeme liegen technisch schlüssige, i. d. R. mehrstufige Wartungskonzepte vor. Allerdings sind die bis dato von den Herstellern angegebenen Wartungskosten hoch. Diese Kosten müssen wirtschaftlich tragbarer werden.

Die Wartung im Einzelnen ist mit einem nicht unerheblichen Aufwand verbunden. So wurde z.B. auf dem MS LEA ein spezieller Rahmen installiert, der den Austausch der Filterelemente erleichtern sollte. Die Dauer einer Wartung hängt vom jeweiligen Umfang ab und beträgt bei ETB zwischen 6 bis 8 Arbeitsstunden (Liegezeit des Schiffes) und bei Hug Engineering bis maximal einen Tag. Zeiten zur Lebensdauer und zu den Wartungszyklen sowie die geschätzten Watungskosten sind der Tabelle unter Punkt "Kosten" zu entnehmen.

Lärmauswirkungen

Der Versuch bestätigte die Angaben der Hersteller, dass die DPF weitgehend den Schalldämpfer ersetzen können. Es gab keine negativen Auswirkungen. Die Lärmgrenzwerte der BinSchUO wurden deutlich unterschritten. Ein Problem beim Einsatz eines DPF als alleiniger Schallschutz könnte die Funktion des Bypasses sein. Im Bypassbetrieb könnte es dann zu größeren Belästigungen kommen, wenn dieser nicht schallisoliert ist.

Rahmenbedingungen

Nachrüstung externe Maschinenraumbelüftung
Nachrüstung externe Maschinenraumbelüftung

Quelle: Abschlussbericht MTU

Neben den in der Aufgabenstellung bereits genannten Rahmenbedingungen hohe Ausfallsicherheit, Einfluss des Kraftstoffes, lange Betriebszeiten, etc. (Ergebnisse siehe oben) galt es zu berücksichtigen, wie die äußerst begrenzten Einbaumöglichkeiten genutzt wurden. Der Abschlussbericht gibt hier die wesentlichsten Erfahrungen in Kapitel 9.3.2 wieder.

Weitere Kriterien, denen nach den Erkenntnissen dieses Vorhabens zukünftig unbedingt Aufmerksamkeit zu widmen sein wird sind die hohe Wärmeentwicklung der DPF (siehe Kapitel 9.3.3) sowie eine stabile Stromversorgung (siehe Kapitel 9.3.4).

Fahrprofile

Das Projekt bestätigte dreierlei:

  1. Binnenschiffe fahren häufig im Teil- oder gar Niedriglastbereich.
  2. Sie fahren häufig längere Zeit in diesem Bereich.
  3. Es ist wahrscheinlich, dass eine DPF-Regeneration während dieser Zeiten notwendig wird.

Kosten (Investition, Betrieb)

MS "Willi Raab": Motorlastprofile nach 1841 Bh und 9589 Bh
MS "Willi Raab": Motorlastprofile nach 1841 Bh und 9589 Bh

Quelle: Abschlussbericht MTU

Das Projekt zeigte eindrucksvoll, dass es sich bei DPF, die in Binnenschiffe eingebaut werden, i. d. R. um Kleinserien, sehr viel wahrscheinlicher sogar um Einzelanfertigungen, die auf das jeweilige Schiff zugeschnitten sein müssen, handeln wird. Unter Berücksichtigung der zudem hohen Anforderungen bezüglich der Ausfallsicherheit und der Lebenserwartung sind die  nicht unerheblichen Investitions- und Betriebskosten für solche Anlagen nachvollziehbar. Eine nähere Aufschlüsselung dieser Kosten enthält der Abschlussbericht unter anderem in Kapitel 9.4. Die Investitionskosten für die im Projekt genutzten Anlagen lagen zwischen 70,- und 120,- €/kW installierter Motorleistung. Die Tabelle gibt die Ergebnisse der Kostenschätzung im Abschlussbericht wieder. Beispielsweise werden die Betriebskosten (inklusive Wartung) bei einer Lebensdauer von 24.000 Betriebsstunden (Bh) geschätzt auf Werte von 5,25 €/Bh oder 0,83 €Cent/kWh für das MS "Willi Raab" und 4,89 €/Bh oder 0,89 €Cent/kWh für das MW "Stadt Würzburg". Für das FGS "Frohsina" lautet die Schätzung 7,26 €/Bh oder 10,37 €Cent/kWh bei 300 Bh/Jahr.

Die in den Abschlussberichten der Hersteller genannten Optimierungsmöglichkeiten sollten konsequent genutzt werden, um in der Frage der Kosten zu deutlichen Verbesserungen zu kommen.

DPF - Wartungskostenvergleich aller Projektschiffe (es ist zu berücksichtigen, dass es sich hier um Schätzungen handelt)
DPF - Wartungskostenvergleich aller Projektschiffe (es ist zu berücksichtigen, dass es sich hier um Schätzungen handelt)

Quelle: Abschlussbericht

Störungen/besondere Vorkommnisse 

Zu den speziellen Vorkommnissen zählten in diesem Projekt der Einsatz ungeeigneter Abgasturbolader, der unerwünschte Einsatz von Betriebsstoffadditiven und Ähnliches mehr. Nähere Informationen enthält der Abschlussbericht (siehe Kapitel 9.3.7). Die Beschreibung der aufgetretenen Betriebsstörungen (Überhitzung eines Brenners, Defekte an den verschiedenen  Steuerungen, Probleme am Bypass, etc.) sind ebenfalls dem Bericht zu entnehmen (siehe Kapitel 9.5).

Anforderungen an die Nachrüstung

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Die Nachrüstung von vorhandenen Motorenanlagen mit Abgasnachbehandlungsanlagen stellt an den DPF-Hersteller größere Anforderungen als bei Neuanlagen beziehungsweise neuen Schiffen. Neben den äußerst beschränkten Einbaubedingungen sind die entsprechenden Systemstrategien und die Bauformen der Filter von großer Bedeutung für das Gelingen einer vorgegebenen Aufgabenstellung. So war z.B. für eine ursprünglich vorgesehene Kombination eine Nachrüstung technisch nicht verhältnismäßig. Auf diese gerade auf Grund der Motordaten interessante Kombination musste daher verzichtet werden. Das DPF-System, das für das MS "Lea" vorgesehen war, konnte trotz hohem Engagement des Herstellers und mehrmaliger Nachbesserung nicht dauerhaft in Betrieb genommen werden. Dieser Teil des Versuches musste letztendlich abgebrochen werden, obwohl die zwischenzeitlich gewonnenen Erkenntnisse zu den Rahmenbedingungen und zum geplanten Konzept sehr wertvoll waren.

Weiterbetrieb der Dieselpartikelfilter nach Ende des F&E-Vorhabens

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Gemäß Vorhabensbeschreibung konnten die Schiffseigner nach Ende des Vorhabens entscheiden, ob die DPF an Bord weiter betrieben oder ausgebaut werden sollten.

Leider wird nur der DPF an Bord des FGS "Frohsina" weiterbetrieben. Wie oben beschrieben, musste der Versuch mit dem DPF der Firma Greentop an Bord des MS "LEA" abgebrochen und der DPF ausgebaut werden. Die Schiffseigner des MS "Willi Raab" und des MS "Stadt Würzburg" sahen keine Möglichkeit für einen Weiterbetrieb der funktionsfähigen DPF. Wesentliche Gründe waren hier die hohen Betriebskosten, die als Wettbewerbsnachteil genannt wurden und der als erheblich angesehene Aufwand für die Wartung der DPF.

Schlussfolgerungen

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  1. Einsetzbarkeit von Dieselpartikelfiltern (DPF)

    1. Der Einsatz von Dieselpartikelfiltern (DPF) auf Binnenschiffen ist grundsätzlich möglich;
    2. Beim Einsatz von DPF sind spezielle Rahmenbedingungen (unter anderem: Schiffssicherheit; Teil-, Niedriglastbetrieb, lange Lebensdauer, Wärmeentwicklung, Stromversorgung, Systemanzeigen) zu beachten;
    3. Der Einsatz von DPF ist ohne eine entsprechende Überwachung uneffektiv;
    4. DPF für Binnenschiffe werden in der Regel als Einzelfertigung (gegebenenfalls zusammengesetzt aus Serienkomponenten), eventuell auch als Kleinserien zum Einsatz kommen;
    5. Mindestens bei der Nachrüstung von DPF werden schiffsspezifische Anpassungen unumgänglich sein;
  2. Reduktionspotential

    1. Anspruchsvolle Grenzwerte für die Partikelemission sind möglich (z.B. Vorschlag der ZKR);
    2. Die Beachtung sicherheitstechnischer Aspekte kann unter Umständen zu einer Verringerung des Wirkungsgrades des DPF führen (Bsp. Bypass). Dies ist gegebenenfalls bei der Festlegung von Grenzwerten zu beachten;
  3. Kosten

    1. Die Kosten (sowohl Investitionskosten als auch Betriebskosten, zu denen auch die Wartungskosten gehören) für ein DPF-System sind hoch;
    2. siehe 5-e;
  4. Vorschriften

    1. Die heutigen rechtlichen Vorgaben für den Einsatz von DPF auf Binnenschiffen sind im Ergebnis des Versuches zu prüfen und ggf. anzupassen;
    2. siehe 2 und 5-d;
  5. Sonstiges

    1. Die Wartung der DPF ist relativ aufwendig;
    2. Die Kraftstoffqualität hat einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Filtergestaltung;
    3. Normgerechte Messungen der Schadstoff / Partikelemissonen an Bord sind komplex und äußerst anspruchsvoll. Der Nachweis einer der Aufgabenstellung entsprechenden Qualifikation und Erfahrung sollte gefordert werden; Die Reaktion von DPF auf dynamische Zustände sollte zukünftig mehr Beachtung finden;
    4. Normgerechte Messungen der Schadstoff / Partikelemissonen an Bord sind komplex und äußerst anspruchsvoll. Der Nachweis einer der Aufgabenstellung entsprechenden Qualifikation und Erfahrung sollte gefordert werden;
    5. Die von den DPF-Herstellern angegebenen Optimierungsmöglichkeiten sind konsequent zu nutzen (auch im Hinblick auf die Senkung der Kosten)

Berichte

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Für das Projekt liegt ein umfassender Abschlussbericht in Lang- und Kurzfassung vor.

Ansprechpartner

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BMVI (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