Automatisierungstechnik für raue Einsatzbedingungen auf See

Grünes Herz für die Balmoral

Das Motorschiff Balmoral fährt sowohl in die Ostsee als auch z.B. in die Norwegischen Fjorde, wo die Bestimmungen für Schiffsabgase besonders streng sind. Bild: Omron

Schiffe und Kraftwerke arbeiten in der Regel mit Schweröl. Wegen des generell wachsenden Bedarfs an Kraftstoff sowie steigenden Brennstoffkosten wird die Qualität von Schweröl permanent schlechter. Auf der anderen Seite gibt es jedoch immer strengere Vorschriften, um Luft- und Wasserverschmutzung auf ein Minimum zu reduzieren. Ein Beispiel ist das MARPOL Umweltübereinkommen, das in seiner Anlage VI (Regeln zur Verhütung der Luftverunreinigung durch Seeschiffe) unter anderem Grenzwerte für Stickoxide und Schwefeloxide in Abgasen festlegt und somit die Verschmutzung der Luft durch die Seeschifffahrt reduzieren soll. Für die Schiffstechnik ist es nicht einfach, den Spagat zu schaffen zwischen schlechter werdenden Kraftstoffen und den immer strengeren gesetzlichen Anforderungen. Clevere Technologien gepaart mit zuverlässiger Automatisierungstechnik können hier helfen.

Der CD92 Mycronizer ist ein nach Lloyd‘s Register zertifiziertes System am Markt, mit dem sich bei Dieselmotoren und Kraftwerken der Stickoxid-Anteil in den Abgasen deutlich reduzieren lässt. Bild: Omron

Der CD92 Mycronizer ist ein nach Lloyd‘s Register zertifiziertes System am Markt, mit dem sich bei Dieselmotoren und Kraftwerken der Stickoxid-Anteil in den Abgasen deutlich reduzieren lässt.

Die Balmoral ist ein Kreuzfahrtschiff der Reederei Fred Olsen Marine Service AS, das unter anderem zu Kreuzfahrten in die norwegischen Fjorde startet. Dort sind die Bestimmungen für Schiffsabgase besonders streng. Um diesen Vorgaben gerecht zu werden, wurde die Balmoral vor 5 Jahren auf der Werft B&V mit dem durch S.I.T Hamburg entwickelten CD92 Mycronizer (Homogenisierer), genauer zwei SIT WIDE-Anlagen, ausgerüstet.

Zertifizierter Umweltschutz

Bereits seit 1973 beschäftigt sich das Hamburger Unternehmen mit dem möglichst zuverlässigen und sauberen Verbrennen von Schwerölen. Ein Lösungsansatz ist das Beimischen von Wasser, womit sich der Stickoxid-Anteil in Abgasen deutlich reduzieren lässt. Ein recht zuverlässiger Faustwert lautet: Pro beigemischtem Prozent Wasser wird ein Prozent Stickoxid (NOx) eingespart. Wie viel Wasser maximal zugegeben werden kann, ist abhängig vom eingesetzten Motor. Jeder, der schon einmal eine Salatsoße zubereitet hat, weiß aber, dass sich Wasser und Öl nicht ohne weiteres und vor allem nicht nachhaltig miteinander vermischen lassen. Hier setzt der Homogenisierer an. Bislang ist er das einzige nach Lloyd’s Register & ABS zertifizierte System am Markt. Bei dem in der Balmoral eingesetzten CD-WiDE-Verfahren werden damit Wasser und Diesel zu einer stabilen Emulsion vermischt.

Schiffsmotoren verbrennen entweder Schweröl (HFO – Heavy Fuel Oil) oder Marine-Diesel-Oil (MDO). Schweröl lässt sich mit dem Homogenisierer ohne Zusatz weiterer Stoffe mit Wasser vermischen. Damit bei MDO eine stabile Diesel-Wasser-Emulsion entsteht, muss dagegen noch ein Stabilisator zugegeben werden. Die Vorteile des Verfahrens bestehen neben der NOx-Reduzierung darin, dass dadurch der Treibstoffverbrauch nicht zunimmt und es sowohl für Leicht- als auch für Schweröle einsetzbar ist. Zudem können auf dieser Technik basierende Lösungen sowohl in neue Schiffe integriert als auch in existierenden Schiffen einfach nachgerüstet werden. Alle Verfahren lassen sich außerdem für niedertourige Zweitaktmotoren und für mittel- bzw. hochtourige Viertaktmotoren nutzen.

Durchfluss messen, Mischung regeln

Bild 2: Dipl.-Ing. Olaf Braun, Key Account Manager Marine bei Omron: „Sowohl die Steuerungen als auch das Touch Display wie alle in der Balmoral eingesetzten anderen Komponenten aus unserem Haus entsprechen den Vorgaben der Umweltbehörden (Marpol, IMO).“

Dipl.-Ing. Olaf Braun, Key Account Manager Marine bei Omron: „Sowohl die Steuerungen als auch das Touch Display wie alle in der Balmoral eingesetzten anderen Komponenten aus unserem Haus entsprechen den Vorgaben der Umweltbehörden (Marpol, IMO).“

Damit auf der Balmoral bei jeder Geschwindigkeit und somit bei jedem Treibstoffverbrauch die richtige Menge Wasser und gegebenenfalls auch Stabilisator beigemischt werden, ist eine zuverlässige Regelung unerlässlich. Hier kamen die Automatisierungsexperten von Omron ins Spiel. Das Unternehmen lieferte Steuerungen und Komponenten, mit denen sich Mischung von Wasser und Diesel überwachen und regeln lassen. Dipl.-Ing. Olaf Braun, Key Account Manager Marine bei Omron erklärt: „Es geht nicht nur darum, den Durchfluss von Schweröl oder MFO in der Leitung zu messen. Auch Temperaturen und Drücke müssen bekannt und auf den Prozess abgestimmt sein. Damit kein Schweröl in die Wasserleitung eindringt (Druckabfall im Ölsystem), wird beispielsweise ein höherer Einspritzdruck benötigt als der Öldruck in der Ölleitung. Außerdem muss die Steuerung schlüssig auf Geschwindigkeitsänderungen während der Manöver reagieren. Verlangsamt das Schiff seine Geschwindigkeit, wird entsprechend weniger Kraftstoff zugeführt. Reduziert man dann die Wasserzufuhr nicht schnell genug, könnte es passieren, dass der Motor mit Wasser überdosiert wird.“

Zentraler Punkt der Automatisierungstechnik ist das Bediendisplay am Steuerpult des Schiffes. Hier laufen über Ethernet alle Informationen der für die Vermischung von Öl und Wasser eingesetzten Einzel-Steuerungen zusammen. Visualisiert und bedient wird über ein 10-Zoll Touchdisplay der NS-Serie. An ihm kann der leitende Ingenieur, der die Motoren seines Schiffes genau kennt und weiß, welcher Treibstoff getankt wurde, einstellen, wie viel Wasser beigemischt werden soll. Generell kann durch die Wasserbeimischung maximal bis zu 20 % Stickoxid eingespart werden. Das eingesetzte Display überzeugt unter anderem durch seine einfache Konfiguration, Inbetriebnahme und Wartung. Die Grundlage dafür liefern vorgefertigte und getestete Darstellungsobjekte mit eingebettetem Kommunikationscode (sogenannte Smart Active Parts). Gleichzeitig bietet das Display standardmäßig Funktionen für Trenddiagramme. Zudem lassen sich Daten über eine bestimmte Zeit einfach aufzeichnen, anzeigen und bei Bedarf im CSV-Format auslesen. Damit die Balmoral ihren Bonus für NOx-Einsparungen erhält, muss die Schiffsleitung die dazu relevanten Daten an die jeweilige Hafenbehörde melden. Da pro beigemischtem Prozent Wasser ein Prozent Stickoxid eingespart wird, reicht es, wenn die Steuerung hierzu über die gesamte Fahrt den Anteil des zugegebenen Wassers dokumentiert. Selbstverständlich lassen sich auch alle anderen prozessrelevanten Daten für den Zeitraum der gesamten Fahrt im Touchdisplay speichern und übersichtlich darstellen, wie z.B. Temperaturen, Drücke oder Durchflüsse.

Robuste, zertifizierte Komponenten gefragt

Drei CJ2M-Steuerung helfen den Stickoxid-Anteil in den Abgasen der Balmoral zu reduzieren Bild: Omron

Drei CJ2M-Steuerung helfen den Stickoxid-Anteil in den Abgasen der Balmoral zu reduzieren.

Neben dem Bedienterminal sind auf dem Schiff weitere Komponenten gefragt für eine zuverlässige NOx-Einsparung. Am Hauptschiffsdiesel sowie den zwei Hilfsdieseln steckt jeweils im Schaltschrank eine CJ2M-Steuerung, die das Beimischen von Wasser in den Kraftstoff regelt. In dieser Steuerungsfamilie mit einem breiteren Angebot von CPUs, hohen Geschwindigkeiten und umfangreichem Speicher findet sich für jeden Anwendungsfall eine passende Lösung. Viele Kommunikationsschnittstellen ermöglichen eine einfache Integration ins Automatisierungsumfeld, z.B. die integrierte USB-Schnittstelle und die Wahlmöglichkeit zwischen Ethernet- und RS-232C/422/485-Schnittstelle. Mit kurzen Ausführungszeiten von 40 ns kann die Steuerung in der Balmoral kurzfristig auf Geschwindigkeitsänderungen reagieren.

Neben Steuerung und Touch Display haben die Automatisierungsexperten weitere Komponenten geliefert, die dafür sorgen, dass dem CD92-Mycronizer zur rechten Zeit die richtige Menge Wasser zugeführt wird. Dazu gehören Schaltnetzteile, Schütze, Koppelrelais, Überwachungsrelais, Frequenzumrichter, Ethernet-Switches, Stundenzähler und Bedienschalter. Dabei stellt der Einsatz auf einem Schiff besondere Herausforderungen an diese Automatisierungskomponenten. Braun erklärt warum: „Einerseits werden auf Schiffen hohe Vibrations- und Schockfestigkeit gefordert. Andererseits gibt es sehr hohe Umgebungstemperatur-Schwankungen und auch die EMV-Vorgaben sind strenger als in den meisten Industrieanwendungen. Somit müssen sowohl die Steuerungen und das Touchdisplay als auch alle anderen Komponenten den Vorgaben der Klassifikationsgesellschaften für den Schiffsbau entsprechen. Das ist bei den eingesetzten Omron-Komponenten der Fall.“ Neben den Zertifizierungen hat aber auch der weltweite Support der Automatisierungsexperten überzeugt. Sollte es doch einmal Probleme mit den eingesetzten Komponenten geben, können in kürzester Zeit die nötigen Ersatzteile geliefert werden, egal in welchem Hafen der Welt die Balmoral gerade liegt. Einem zuverlässigen Betrieb in der Seeschifffahrt bei reduziertem Stickoxid-Ausschuss und damit verringerter Umweltbelastung steht also nichts im Wege.

Über die S.I.T GmbH
Die S.I.T GmbH entwickelt und vertreibt bereits seit 1992 die mittlerweile weltweit bekannte CD92-Technologie zur umfassenden Behandlung von Treibstoffen für den Schiffs- und Industrieeinsatz. Bereits die ersten praktischen Anwendungen zeigten, dass sich damit die Ausgaben für Treibstoffe erheblich reduzieren lassen. Es werden aber nicht nur Betriebskosten eingespart, sondern gleichzeitig der Betrieb des Antriebs sicherer und umweltfreundlicher. Heute hat sich die patentierte CD-WiDE-Methode zur Herstellung stabiler Wasser-Diesel-Emulsionen am Markte etabliert. Sie lässt sich einfach an Dieselmotoren und Kraftwerken nachrüsten. So können Schiffseigner heute ohne großen Umrüstungsaufwand ihre Antriebe gemäß neuester Emmisionsbestimmung wie z.B. IMO MARPOL Annex VI betreiben.

Alle Bilder: Omron

Nora Crocoll

Nora Crocoll

Studium Technische Redaktion, Praxis in der Elektronik-Industrie. Diplomarbeit in der Softwareentwicklung (XML-basierte Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfaden). Seit 2005 als Autorin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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