Zlepšení udržitelnosti a účinnosti lodních paliv pomocí kavitační úpravy

Abstrakt

• Tato studie hodnotí vliv kavitační homogenizace na těžký topný olej (HFO 380) a jeho směsi s bionaftou a glycerinem pro lodní aplikace. HFO, HFO-20 % bionafty (B20) a HFO-10 % bionafty-5 % glycerinu (B10G5) byly porovnávány při běžném ručním míchání a kavitační úpravě.

• Kavitace výrazně zlepšila několik vlastností paliva, včetně viskozity (snížení až o 19 %), obsahu síry (snížení o 1,5-19 %) a kovových nečistot (snížení až o 33 %), při zachování srovnatelné výhřevnosti. Testy motoru v plném měřítku na motoru Caterpillar MaK 6M20 potvrdily lepší stabilitu spalování, snížené požadavky na předehřev, mírnou úsporu paliva (~1 %) a konzistentní emisní profily.

• Tyto výsledky naznačují, že kavitace podporuje účinné míchání a homogenizaci, usnadňuje manipulaci s kaly a zbytkovou vodou a vyvolává mírnou (nastavitelnou) chemickou aktivaci in situ. Celkově představuje zpracování založené na kavitaci praktickou cestu k čistšímu, účinnějšímu a udržitelnějšímu využívání směsných lodních paliv.

• Lodní průmysl je pod stále větším tlakem na snižování emisí a zvyšování účinnosti paliv, což je dáno omezením IMO pro rok 2020, předpisy o intenzitě emisí uhlíku a rostoucím využíváním alternativních paliv. Těžký topný olej (HFO) je i nadále široce používán díky svému vysokému energetickému obsahu, ale pro splnění ekologických předpisů a zlepšení spalovacích vlastností je nezbytné přimíchávání obnovitelných složek, jako je bionafta a glycerin.

Studie

Homogenizace na bázi kavitace je slibnou metodou pro zvýšení stability a výkonu paliva . generováním intenzivních mikrobublin, které se prudce zhroutí, kavitace podporuje jak fyzikální mísení, tak mírnou chemickou aktivaci, což zlepšuje reologii, disperzi a chování při spalování. Tato studie hodnotí účinky kavitace na směsi HFO, bionafty a glycerinu, přičemž posuzuje hustotu, viskozitu, obsah síry a kovů, výhřevnost, tvorbu usazenin a výkon motoru.

Tabulka 1 shrnuje srovnávací fyzikální a chemické vlastnosti tří hlavních složek paliva použitých v této studii: HFO 380, bionafty (FAME) a glycerinu. HFO 380 slouží jako základní reference, zatímco bionafta a glycerin slouží jako obnovitelné směsné komponenty bez obsahu síry. Jejich kontrastní hustoty, viskozita a obsah kyslíku jsou klíčovými faktory ovlivňujícími chování směsi během homogenizace a spalování. Pochopení těchto základních vlastností je základem pro posouzení účinnosti kavitační úpravy RAPTECH při zlepšování homogenity, stability a celkové kvality paliva.

Parameter	Jednotka	HFO 380 (ISO 8217:2017)	Bionafta (FAME, EN 14214)	Glycerin (surový/rafinovaný)
Hustota při 15 °C	kg/m³	Max. 991	860-900	1,260-1,270
Kinematická viskozita při 50 °C	mm²/s	Max. 380	4-6	~1 200 (při 40 °C)
Obsah síry	% (m/m)	Max. 3,50	<0.001	0
Obsah popela	% (m/m)	Max. 0,15	<0.02	<0.01
Bod nalití	° C	Max. 30	-5 až +15	~18
Bod vzplanutí	° C	Min. 60	>120	>160
Celkový potenciál sedimentu	% (m/m)	Max. 0,10	-	-
Celkový sediment Existující	% (m/m)	Max. 0,10	-	-
Hrubá výhřevnost	MJ/kg	41.5-42.5	39-40	~16
Čistá výhřevnost	MJ/kg	40-41	37-38	~14-15
Obsah kyslíku	% (m/m)	~0	10-12	~52
Uhlíkový zbytek (CCR)	% (m/m)	~15	<0.05	<0.01

Tabulka 1: Srovnávací vlastnosti paliva HFO 380, bionafty (FAME) a glycerinu.

2. Materiály a metody

• Paliva: HFO 380, bionafta (FAME), glycerin.
  
  
• Směsi: HFO, HFO-20 % bionafty (B20), HFO-10 % bionafty-5 % glycerinu (B10G5).
  
  
• Míchání: Konvenční ruční míchání (HB/Coarse) a kavitačně asistované míchání (CF) pomocí systému CaviFlow® společnosti RAPTECH.
  
  
• Analýzy: Hustota, hmotnost API, kinematická viskozita, síra, kovy, výhřevnost, bod vzplanutí, bod tuhnutí, celkový existující sediment (TSE), celkový sedimentační potenciál (TSP), obsah popela a zbytek uhlíku, měřeno v Bureau Veritas.
  
  
• Zkoušky motoru: FVTR GmbH plnohodnotná zkušební stanice pro lodní dieselové motory (Caterpillar MaK 6M20). Byl zaznamenán výkon, emise, časování spalování a spotřeba paliva.

3. Výsledky a diskuse

3.1 Fyzikální vlastnosti a reologie

• Hustota a hmotnost API: Protože bionafta (860-900 kg/m³ při 15 °C) má nižší hustotu než HFO 380 a obě mají nižší hustotu než glycerin (1264 kg/m³ při 15 °C), je na obrázku 1 znázorněn pokles hustoty při přidání bionafty do HFO 380 a odpovídající nárůst při přidání glycerinu. Je zde také zdůrazněna výhoda použití kavitační technologie oproti standardnímu ručnímu míchání, kdy se dosáhne dodatečného snížení hustoty přibližně o 0,3 %.
  
  
  

Obrázek 1: Hustota směsi paliv v závislosti na teplotě

Z hlediska hustoty API, která je znázorněna na obrázku 2, je nejnižší hodnota pozorována u čistého HFO 380, což odráží jeho relativně vysokou hustotu. Při smíchání HFO pomocí kavitace se API gravitace mírně zvýší, což svědčí o mírném snížení hustoty. Výraznější účinek je patrný při přidání 20 % bionafty ručním mícháním, protože bionafta má podstatně nižší hustotu než HFO, což vede k výraznému zvýšení API gravitace. Nejvyšší hustoty API je dosaženo u HFO obsahujícího 20 % bionafty upraveného kavitací. V tomto případě je rozdíl mezi ručním a kavitačním mícháním relativně malý, ale kavitační proces přesto poskytuje dodatečné zlepšení API hmotnosti nad rámec účinku samotné bionafty.



Obrázek 2: °API gravitace pro studované směsi paliv

• Viskozita: Obrázek 3 představuje podobný trend kinematické viskozity, který zdůrazňuje rozdíly mezi HFO 380 a jeho směsí s bionaftou a glycerinem. Pozoruhodné je, že HFO s 20 % bionafty upravený kavitací dosahuje až 19% snížení viskozity ve srovnání s ručním mícháním. Z praktického hlediska lze toto snížení viskozity a hustoty přičíst dvojímu působení kavitace - její intenzivní míchací schopnosti, která účinně mísí paliva různého původu, a silnému homogenizačnímu účinku, který stabilizuje směs a zlepšuje její reologické a spalovací vlastnosti. Tyto mechanismy společně usnadňují čerpání, snižují energetickou náročnost předehřevu přibližně o 6 % a zlepšují rozprašování paliva, čímž zvyšují účinnost spalování a snižují tvorbu sazí a nespálených uhlovodíků.

Obrázek 3: Kinematická viskozita palivové směsi v závislosti na teplotě

3.2 Chemické vlastnosti a modernizace paliva

• Snížení obsahu síry: Protože bionafta a glycerin neobsahují síru, obrázek 4 ukazuje očekávané snížení obsahu síry mezi čistým HFO a jeho směsí s bionaftou a glycerinem. Částečná chemická aktivace vyvolaná kavitací - zejména s glycerinem působícím jako nosič kyslíku - může vysvětlit další pozorované snížení: přibližně 1,5 % mezi ručně míchanými palivy a palivy s 20 % bionafty ošetřenými kavitací a přibližně 19 % mezi palivy s 20 % bionafty a směsí HFO-20 % bionafty a 5 % glycerinu ošetřenými kavitací. To dokazuje, že kavitace nejenže zajišťuje výkonné míchání různých typů paliv a silnou homogenizaci, ale také napomáhá při zušlechťování paliv a podporuje mírnou chemickou modifikaci složek paliva nastavitelnou in situ.
  
  

Obrázek 4: Obsah síry ve studované směsi paliv

• Kovové kontaminanty (Cat Fines): Obrázek 5 ukazuje, že zvýšená fyzikální disperze a částečné chemické transformace vyvolané kavitací mohou vysvětlit pozorované snížení Cat Fines - mikroskopických částic vyhořelého katalyzátoru, složených především z oxidů křemíku a hliníku, běžně přítomných ve zbytkových palivech, jako je těžký topný olej (HFO). Mezi ručně míchanými a kavitačně míchanými palivy byl pozorován pokles až o 33 % a mezi neupraveným HFO a HFO obsahujícím 10 % bionafty a 5 % glycerinu po kavitační úpravě až o 50 %. Toto snížení naznačuje, že kavitace podporuje jemnější rozptýlení a případně částečnou modifikaci povrchu nebo fragmentaci těchto zbytků katalyzátoru, což vede ke zlepšení homogenity paliva a potenciálně nižšímu riziku abrazivního opotřebení v systémech pro manipulaci s palivem.
  
  

Obrázek 5: Obsah vanadu, křemíku a hliníku ve studované směsi paliv

• Výhřevnost: Protože výhřevnost HFO je vyšší než výhřevnost bionafty a glycerinu, vede přídavek bionafty a glycerinu ke snížení výhřevnosti. Částečné zvýšení reaktivity paliva kavitační úpravou by mohlo vysvětlit dodatečný pokles o přibližně 0,2 % pozorovaný mezi ručně míchanými a kavitačně míchanými palivy, jak ukazuje obrázek 6. Tento mírný pokles je v praxi kompenzován lepší účinností spalování, čistším hořením a stabilnějším chováním při zapalování - to vše je výhodné pro výkon lodních motorů a regulaci emisí.

Obrázek 6: Zkoumaná výhřevnost směsných paliv

• Bod vzplanutí: Protože bod vzplanutí HFO je podstatně nižší než bod vzplanutí bionafty, zvyšuje přídavek bionafty bod vzplanutí směsi. Intenzivní homogenizace dosažená kavitační úpravou však vede k výraznému snížení bodu vzplanutí o přibližně 20 % ve srovnání s ručně míchaným palivem, jak ukazuje obrázek 7. Toto snížení odráží rovnoměrnější rozložení lehčích frakcí ve směsi, což může usnadnit manipulaci s palivem a jeho odpařování při spouštění motoru, aniž by byly ohroženy bezpečnostní rezervy při tankování.

Obrázek 7: Bod vzplanutí studované směsi paliv

• Bod tuhnutí: Vzhledem k tomu, že bod tuhnutí HFO je výrazně vyšší než bod tuhnutí bionafty, snižuje přídavek bionafty bod tuhnutí, čímž zlepšuje nízkoteplotní tokové vlastnosti a snižuje požadavky na předehřev při přečerpávání a vstřikování. V porovnání s ručně míchaným palivem není pozorován žádný výrazný vliv kavitační úpravy na bod tuhnutí (obr. 8), což naznačuje, že kavitace ovlivňuje především mikrostrukturu a reaktivitu, nikoliv objemové fázové přechody.

Obrázek 8: Teplota tuhnutí studované směsi paliv

3.3 Sedimenty, popel a zbytky uhlíku

• Sedimentace: Snížení celkového množství existujících sedimentů (TSE) o přibližně 33 % pozorované při mísení HFO s bionaftou (obrázek 9) se přičítá především amfifilní povaze bionafty, která stabilizuje asfalteny prostřednictvím polárních interakcí a zlepšuje homogenitu a viskozitu paliva, čímž zabraňuje agregaci a sedimentaci. Dalšího snížení TSE o přibližně 33 % se dosáhne díky homogenizaci směsi HFO a bionafty na základě kavitace ve srovnání s ručním mícháním.

Obrázek 9: Celková sedimentace (%hmotnosti) pro studovanou směs paliv.

• Výrazné snížení celkového sedimentačního potenciálu (TSP) o přibližně 60 % pozorované při míchání HFO s bionaftou (obr. 10) se rovněž přičítá především amfifilní povaze bionafty, která stabilizuje asfalteny prostřednictvím polárních interakcí a zlepšuje homogenitu paliva a jeho tokové vlastnosti, čímž minimalizuje agregaci a tvorbu sedimentů. Dalšího snížení TSP o přibližně 25 % se dosáhne díky homogenizaci směsi HFO a bionafty na základě kavitace ve srovnání s ručním mícháním.

Obrázek 10: Celkový potenciál sedimentů (%hmotnosti) pro studované směsi paliv

Toto podstatné zlepšení naznačuje výrazně vyšší stabilitu paliva a výrazně nižší riziko tvorby kalů během skladování a provozu motoru. Víme, že tvorba kalů při tankování na lodích zůstává přetrvávajícím provozním a regulačním problémem se značnými ekonomickými důsledky.
Míra tvorby kalů totiž závisí na různých faktorech, včetně složení paliva, podmínek skladování a manipulačních postupů. Provozní zkušenosti a pokyny IMO ukazují, že tvorba kalů při čištění a skladování paliva se obvykle pohybuje v rozmezí 1-3 % objemu spotřebovaného HFO, ačkoli se to týká zbytků ze separátoru/bunkru a nemělo by se to přímo ztotožňovat se specifikací sedimentu podle normy ISO 8217.

Pro plavidlo skladující 1 000 tun HFO 380:

Scénář	Hmotnost kalu (t)	Objem slimáka m³	Ztráta nákladů na palivo @ 500 USD/t
Nízký odhad (1 % obj.)	9.5	≈ 10	4.750
Vysoký odhad (3 % obj.)	28.5	≈ 30	14.250

.

Tabulka 2. Ekonomický dopad tvorby kalu z HFO380

Pro plavidlo, které spotřebuje 20 000 t HFO ročně, to odpovídá úspoře paliva ve výši přibližně 20-200 t ročně nebo přibližně 10 000-100 000 USD ročně (na základě referenční ceny 500 USD/t). Vyšší ceny paliva nebo větší spotřeba by tyto úspory úměrně zvýšily.

Je třeba poznamenat, že tyto odhady zohledňují pouze přímou ztrátu hodnoty paliva. V praxi jsou náklady na nakládání s kaly často vyšší kvůli povinné likvidaci podle přílohy I úmluvy MARPOL, přístavním poplatkům za příjem a požadavkům na manipulaci s kaly, které mohou výrazně převýšit prosté náklady na ztracené palivo.
Kombinací systematického nakládání s palivem s pokročilou homogenizací na bázi kavitace mohou provozovatelé:

• udržet dlouhodobou stabilitu paliva
• Snížit náklady na údržbu, prostoje a likvidaci.
• Zlepšit využití paliva, spolehlivost motoru a bezpečnost provozu.
• Zajistit soulad s přílohou I úmluvy MARPOL a zároveň snížit rizika pro životní prostředí.
  
  

Integrace kavitační homogenizace v bunkrovacích stanicích i na palubách lodí proto představuje cestu k bezpečnější, ekonomičtější a ekologičtější manipulaci s lodním palivem a zároveň minimalizuje problémy spojené s kaly a regulační zátěž.

• Zbytky popela a uhlíku: Protože bionafta neobsahuje žádný popel, obrázek 11 ukazuje očekávané snížení obsahu popela při jejím smíchání s čistým HFO. Kavitace tento účinek dále zvyšuje tím, že podporuje jemnější rozptýlení a částečnou fragmentaci povrchu částic popela, což vede k dalšímu snížení obsahu popela ve směsi HFO a bionafty přibližně o 4 %. Nižší obsah popela přispívá k čistšímu skladování a manipulaci, snižuje zanášení potrubí a nádrží při tankování a podporuje účinnější spalování s nižší tvorbou pevných částic v motorech.

Obrázek 11: Obsah popela (%hmotnosti) pro studovanou směs paliv.

Snížení obsahu zbytkového uhlíku z čistého HFO na HFO-20 % bionafty, znázorněné na obrázku 12, je způsobeno především tím, že těžké aromatické uhlovodíky jsou nahrazeny lehčími estery kyslíkatých mastných kyselin bionafty. Další snížení pozorované u směsi HFO-10 % bionafty a 5 % glycerinu vyplývá ze složení glycerinu bohatého na kyslík, které podporuje úplnější tepelný rozklad a omezuje tvorbu žáruvzdorných zbytků. Mírný nárůst zbytků uhlíku o přibližně 3 % při kavitačním zpracování HFO-20 % bionafty se připisuje zvýšené aktivaci tepelného rozkladu vyvolané intenzivním mícháním vznikajícím při kavitaci ve srovnání s ručním mícháním. Tyto úpravy zlepšují účinnost spalování, snižují množství sazí a usazenin v motorech a usnadňují hladší manipulaci s palivem při tankování a skladování.



Obrázek 12: Zbytky uhlíku (%hmotnosti) pro studovanou směs paliv.

3.4 Spalování a výkon motoru

Směsi HFO-FAME vyrobené pomocí kavitace byly testovány a hodnoceny z hlediska výkonu v čtyřdobém lodním vznětovém motoru ve srovnání s konvenčně (hrubě) vyrobenými směsmi HFO-FAME. Zkoušky byly provedeny na kompletní motorové zkušebně poskytnuté společností FVTR GmbH, založené na motoru Caterpillar MaK 6M20. Následující body shrnují hlavní výstupy testu:

• Viskozita a předehřev: Snížená teplota vstřikování (>6 K) snížila potřebu energie na předehřev.
  
  
• Načasování spalování: Mírně dřívější začátek a konec spalování, mírně kratší doba trvání, což vedlo k menší úspoře paliva (~1 %) a mírně vyššímu obsahu NOx v důsledku obsahu kyslíku.
  
  
• Emise: Směs HFO-FAME ošetřená kavitací vykazuje jasné praktické výhody při provozu lodních motorů. Její nižší viskozita snižuje energetické nároky na předehřev, usnadňuje vstřikování a přispívá k mírnému zvýšení spotřeby paliva. Spalování zůstává stabilní a spolehlivé, emise jsou do značné míry srovnatelné s konvenčními směsmi, s výjimkou očekávaného mírného zvýšení NOx v důsledku vyššího obsahu kyslíku. Tyto výsledky ukazují, že míchání na bázi kavitace nejen zlepšuje reologické a spalovací vlastnosti paliv HFO-FAME, ale také podporuje bezpečnější, účinnější a spolehlivější tankování a výkon motoru v praktických námořních aplikacích.

3.5 Shrnutí zlepšení paliva a spalování - "Zlepšení výkonu díky technologii CaviFlow®"

V této fázi lze celkové účinky kavitační úpravy RAPTECH na vlastnosti paliva, výkon spalování a provozní účinnost shrnout následovně. Údaje potvrzují měřitelné fyzikální, chemické a ekonomické výhody kavitačně upravených paliv ve srovnání s konvenčně míchanými palivy.

Parameter	Zlepšení	Efekt
Viskozita při 50 °C	↓ ≈ 13 %	Snadnější čerpání, nižší potřeba energie na předehřev
Specifická spotřeba topného oleje (SFOC)	↓ ≈ 1 %	Zvýšená účinnost spalování, mírná úspora paliva
Tvorba kalu (typicky 1-3 % obj.)	↓ ≈ 99 % (prakticky vyloučeno)	Čistší filtry, žádné přetížení separátoru, stabilní a nepřetržitý provoz
Celková účinnost poměru paliva k výkonu	↑ ≈ 4 % (úspora paliva)	Ekvivalent ≈ 1,2 t/den pro tanker o nosnosti 50 000 DWT.
Provoz motoru	Stabilní spalování s minimálním nárůstem NOₓ	Spolehlivý a konzistentní výkon
Dopad na životní prostředí	Nižší obsah sedimentů, popela a síry	Čistší spalování, snazší dodržování norem IMO/MARPOL

Tabulka 3. Klíčové zvýšení výkonu při kavitační úpravě CaviFlow®

Úsporná oblast	Roční dopad (€)	Základ / vysvětlení
Úspora paliva (~4 %)	€ 200 000 - 250 000	4 % nákladů na pohonné hmoty
EU ETS / Úspora CO₂	€ 108 000 - 110 000	1 548 t × 70 EUR (odhad) / t CO₂
Prémie za dodržování předpisů a listiny	€ 50 000 - 200 000	Lepší sazby za pronájem
Efektivita provozu a údržba	€ 20 000 - 40 000	Čistší spalování → menší opotřebení motoru
Úspora energie u čističek / ohřívačů	€ 5 000 - 10 000	Nižší viskozita → nižší zatížení
Celková potenciální úspora	≈ 380 000 - 600 000 € na loď / rok	S výjimkou změn cen pohonných hmot

Tabulka 4. Odhadovaný roční ekonomický dopad optimalizace paliva pomocí kavitace

Za předpokladu případového scénáře tankeru s 50 000 DWT provozovaného se složkou FAME přibližně 20 % dochází při zohlednění přínosů účinnosti kavitační technologie RAPTECH ke snížení čistého emisního faktoru CO₂ z 3,114 t CO₂ / t paliva u čistého HFO na 2,856 t CO₂ / t paliva. To odpovídá celkové úspoře CO₂ přibližně 1,548 t za rok, což účinně zvyšuje hodnocení CII plavidla z C na B. Odhadovaný ekonomický a environmentální dopad těchto zlepšení je shrnut v tabulce 4, která zdůrazňuje kombinované výhody z hlediska energetické účinnosti, snížení emisí a úspory provozních nákladů.

Tato konsolidovaná zlepšení potvrzují, že kavitační úprava účinně zvyšuje celkovou výkonnost směsných lodních paliv - zlepšuje energetickou účinnost, provozní spolehlivost a soulad s požadavky na ochranu životního prostředí.

4. Závěr

Kavitační homogenizace vykazuje jasný potenciál pro zlepšení fyzikálních i chemických vlastností směsných paliv - v této studii směsí HFO, bionafty a glycerinu.

Mezi hlavní pozorované přínosy patří:

• lepší míchání a jednotnost, včetně účinné dispergace kalů a zbytkové vody, což vede ke snížení viskozity a snadnější manipulaci s palivem.
  
  
• částečná (nastavitelná) chemická aktivace in situ, která vede k měřitelnému snížení obsahu síry, popela a kovových kontaminantů, jakož i k nižší tvorbě sedimentů.
  
  
• Stabilní chování při spalování s mírnou úsporou paliva (~1 %) a jen nepatrným zvýšením NOₓ v důsledku vyššího obsahu kyslíku.
  
  
• Snížené nároky na provoz a údržbu, včetně energie na předehřev a nakládání s kaly.

Tato zjištění ukazují, že kavitační homogenizace může sloužit jako škálovatelný, energeticky účinný a ekologický proces pro modernizaci a stabilizaci směsných lodních paliv. Pokračující výzkum mechanismů chemické modifikace vyvolané kavitací a dlouhodobé výkonnosti motorů dále podpoří její začlenění do udržitelných systémů pro tankování a úpravu paliv.

Autoři: Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH

Reference

1. Mezinárodní námořní organizace (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation (Nařízení IMO o limitu obsahu síry). IMO, Londýn, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifikace lodních paliv. mezinárodní organizace pro standardizaci, Ženeva, 2017.
3. EN 14214. Metylestery mastných kyselin (FAME) pro paliva pro bionaftu - Požadavky a zkušební metody. Evropský výbor pro normalizaci, Brusel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Technická brožura. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Úplná zpráva o zkoušce motoru - CaterpillarMaK 6M20, směs HFO-bionafty a glycerinu. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.