Forbedring af skibsbrændstoffers bæredygtighed og effektivitet gennem kavitationsbehandling

Abstrakt

• Denne undersøgelse evaluerer effekten af kavitationshomogenisering på tung brændselsolie (HFO 380) og dens blandinger med biodiesel og glycerin til marine anvendelser. HFO, HFO-20% biodiesel (B20) og HFO-10% biodiesel-5% glycerin (B10G5) blev sammenlignet under konventionel håndblanding og kavitationsbehandling.

• Kavitation forbedrede adskillige brændstofegenskaber markant, herunder viskositet (op til 19 % reduktion), svovlindhold (1,5-19 % reduktion) og metalforureninger (op til 33 % reduktion), samtidig med at en sammenlignelig brændværdi blev opretholdt. Fuldskala motortest på en Caterpillar MaK 6M20 bekræftede forbedret forbrændingsstabilitet, reducerede krav til forvarmning, mindre brændstofbesparelser (~1 %) og ensartede emissionsprofiler.

• Disse resultater indikerer, at kavitation fremmer effektiv blanding og homogenisering, letter håndteringen af slam og restvand og fremkalder mild (justerbar) kemisk in situ-aktivering. Samlet set er kavitationsbaseret behandling en praktisk vej til renere, mere effektiv og bæredygtig udnyttelse af blandede skibsbrændstoffer.

• Skibsindustrien er under stigende pres for at reducere emissioner og forbedre brændstofeffektiviteten, drevet af IMO's svovlloft for 2020, regler for kulstofintensitet og den voksende brug af alternative brændstoffer. Tung brændselsolie (HFO) er stadig meget udbredt på grund af sit høje energiindhold, men blanding med vedvarende komponenter som biodiesel og glycerin er nødvendig for at overholde miljøbestemmelserne og forbedre forbrændingsegenskaberne.

Undersøgelse

Kavitationsbaseret homogenisering er en lovende metode til at forbedre brændstoffets stabilitet og ydeevne. Ved at generere intense mikrobobler, der kollapser voldsomt, fremmer kavitation både fysisk blanding og mild kemisk aktivering, hvilket forbedrer reologi, spredning og forbrændingsadfærd. Denne undersøgelse evaluerer virkningerne af kavitation på HFO-biodiesel-glycerin-blandinger ved at vurdere densitet, viskositet, svovl- og metalindhold, brændværdi, sedimentdannelse og motorydelse.

Tabel 1 opsummerer de sammenlignende fysiske og kemiske egenskaber for de tre vigtigste brændstofkomponenter, der blev brugt i denne undersøgelse: HFO 380, biodiesel (FAME) og glycerin. HFO 380 fungerer som baseline-reference, mens biodiesel og glycerin fungerer som vedvarende, svovlfri blandingskomponenter. Deres forskellige densiteter, viskositeter og iltindhold er nøglefaktorer, der påvirker blandingens opførsel under homogenisering og forbrænding. Forståelsen af disse grundlæggende egenskaber danner grundlag for at vurdere, hvordan RAPTECH's kavitationsbehandling forbedrer brændstoffets ensartethed, stabilitet og overordnede kvalitet.

Parameter	Enhed	HFO 380 (ISO 8217:2017)	Biodiesel (FAME, EN 14214)	Glycerin (rå/raffineret)
Densitet ved 15°C	kg/m³	Maks. 991	860-900	1,260-1,270
Kinematisk viskositet ved 50°C	mm²/s	Maks. 380	4-6	~1.200 (ved 40°C)
Svovlindhold	% (m/m)	Maks. 3,50	<0.001	0
Indhold af aske	% (m/m)	Maks. 0,15	<0.02	<0.01
Hældningspunkt	°C	Maks. 30	-5 til +15	~18
Flammepunkt	°C	Min. 60	>120	>160
Samlet sedimentpotentiale	% (m/m)	Maks. 0,10	-	-
Samlet sediment Eksisterende	% (m/m)	Maks. 0,10	-	-
Brændværdi	MJ/kg	41.5-42.5	39-40	~16
Netto brændværdi	MJ/kg	40-41	37-38	~14-15
Iltindhold	% (m/m)	~0	10-12	~52
Rester af kulstof (CCR)	% (m/m)	~15	<0.05	<0.01

Tabel 1: Sammenlignende brændstofegenskaber for HFO 380, biodiesel (FAME) og glycerin.

2. Materialer og metoder

• Brændstoffer: HFO 380, biodiesel (FAME), glycerin
  
  
• Blandinger: HFO, HFO-20 % biodiesel (B20), HFO-10 % biodiesel-5 % glycerin (B10G5)
  
  
• Blanding: Konventionel håndblanding (HB/Coarse) og kavitationsassisteret blanding (CF) ved hjælp af RAPTECH's CaviFlow®-system
  
  
• Analyser: Densitet, API-tyngdekraft, kinematisk viskositet, svovl, metaller, brændværdi, flammepunkt, hældepunkt, total sedimentbestandighed (TSE), total sedimentpotentiale (TSP), askeindhold og kulstofrest, målt hos Bureau Veritas.
  
  
• Test af motorer: FVTR GmbH fuldskala marine diesel testbænk (Caterpillar MaK 6M20). Ydeevne, emissioner, forbrændingstidspunkt og brændstofforbrug blev registreret.

3. Resultater og diskussion

3.1 Fysiske egenskaber og reologi

• Massefylde og API-tyngdekraft: Da biodiesel (860-900 kg/m³ ved 15 °C) har en lavere densitet end HFO 380, og begge er mindre tætte end glycerin (1264 kg/m³ ved 15 °C), illustrerer figur 1 faldet i densitet, når biodiesel tilsættes til HFO 380, og den tilsvarende stigning, når glycerin tilsættes. Den fremhæver også fordelen ved at bruge kavitationsteknologi frem for almindelig håndblanding, idet der opnås en yderligere reduktion af massefylden på ca. 0,3 %.
  
  
  

Figur 1: Brændstofblandingens densitet som funktion af temperaturen

Med hensyn til API-tyngdekraft, vist i figur 2, ses den laveste værdi for ren HFO 380, hvilket afspejler dens relativt høje massefylde. Når HFO blandes ved hjælp af kavitation, stiger API-tyngdekraften en smule, hvilket indikerer en beskeden reduktion af densiteten. En mere udtalt effekt ses, når 20 % biodiesel tilsættes ved håndblanding, da biodiesel har en betydeligt lavere massefylde end HFO, hvilket resulterer i en betydelig stigning i API-tyngdekraften. Den højeste API-tyngdekraft opnås med HFO, der indeholder 20 % biodiesel behandlet med kavitation. I dette tilfælde er forskellen mellem håndblanding og kavitationsblanding relativt lille, men kavitationsprocessen giver stadig en yderligere forbedring af API-tyngdekraften ud over effekten af biodiesel alene.



Figur 2: °API-tyngdekraft for de undersøgte brændstofblandinger

• Viskositet: Figur 3 viser en lignende tendens for kinematisk viskositet, der fremhæver forskellene mellem HFO 380 og dets biodiesel- og glycerinblandinger. Især HFO med 20 % biodiesel behandlet med kavitation opnår en reduktion af viskositeten på op til 19 % sammenlignet med håndblanding. Fra et praktisk synspunkt kan denne reduktion i viskositet og densitet tilskrives kavitationens dobbelte virkning - dens intense blandingsevne, der effektivt blander brændstoffer af forskellig oprindelse, og dens stærke homogeniseringseffekt, der stabiliserer blandingen og forbedrer dens rheologiske og forbrændingsmæssige egenskaber. Tilsammen gør disse mekanismer det lettere at pumpe, reducerer energibehovet til forvarmning med ca. 6 % og forbedrer forstøvningen af brændstoffet, hvilket forbedrer forbrændingseffektiviteten og mindsker dannelsen af sod og uforbrændte kulbrinter.

Figur 3: Brændstofblandingens kinematiske viskositet som funktion af temperaturen

3.2 Kemiske egenskaber og opgradering af brændstof

• Reduktion af svovl: Da biodiesel og glycerin ikke indeholder svovl, viser figur 4 det forventede fald i svovlindholdet mellem ren HFO og dens blandinger med biodiesel og glycerin. Den delvise kemiske aktivering ved kavitation - især når glycerin fungerer som iltbærer - kan forklare de yderligere reduktioner, der er observeret: ca. 1,5 % mellem de håndblandede og kavitationsbehandlede HFO-20 % biodieselbrændstoffer og ca. 19 % mellem HFO-20 % biodiesel og HFO-20 % biodiesel-5 % glycerin-blandinger, der er behandlet med kavitation. Dette viser, at kavitation ikke kun giver en kraftig blanding af forskellige brændstoftyper og stærk homogenisering, men også hjælper med at opgradere brændstoffet ved at fremme en mild in situ justerbar kemisk modifikation af brændstofkomponenterne.
  
  

Figur 4: Svovlindhold for de undersøgte brændstofblandinger

• Metalforureninger (Cat Fines): Figur 5 viser, at den forbedrede fysiske spredning og delvise kemiske omdannelse, der fremkaldes af kavitation, kan forklare den observerede reduktion i Cat Fines - mikroskopiske partikler af brugt katalysator, primært sammensat af silicium- og aluminiumoxider, der ofte findes i restbrændstoffer som f.eks. tung brændselsolie (HFO). Der blev observeret et fald på op til 33 % mellem de håndblandede og kavitationsblandede brændstoffer og op til 50 % mellem den ubehandlede HFO og den HFO, der indeholdt 10 % biodiesel og 5 % glycerin efter kavitationsbehandling. Denne reduktion tyder på, at kavitation fremmer en finere spredning og muligvis delvis overflademodifikation eller fragmentering af disse katalysatorrester, hvilket fører til forbedret brændstofhomogenitet og potentielt lavere risiko for slidtage i brændstofhåndteringssystemer.
  
  

Figur 5: Vanadium-, silicium- og aluminiumindhold i de undersøgte brændstofblandinger

• Brændværdi: Da brændværdien for HFO er højere end for biodiesel og glycerin, fører tilsætning af biodiesel og glycerin til et fald i nettobrændværdien. Den delvise forbedring af brændstoffets reaktivitet gennem kavitationsbehandling kan forklare det yderligere fald på ca. 0,2 %, der er observeret mellem håndblandede og kavitationsblandede brændstoffer, som vist i figur 6. Dette lille fald kompenseres i praksis af forbedret forbrændingseffektivitet, renere forbrænding og mere stabil tændingsadfærd - alt sammen til gavn for skibsmotorens ydeevne og emissionskontrol.

Figur 6: Netto brændværdi undersøgt Brændstofblanding

• Flammepunkt: Da HFO's flammepunkt er betydeligt lavere end biodieselens, øger tilsætningen af biodiesel blandingens flammepunkt. Den intense homogenisering, der opnås gennem kavitationsbehandling, resulterer dog i et betydeligt fald på ca. 20 % i flammepunktet sammenlignet med det håndblandede brændstof, som vist i figur 7. Denne reduktion afspejler en mere ensartet fordeling af lettere fraktioner i blandingen, hvilket kan lette brændstofhåndtering og fordampning under motorstart uden at gå på kompromis med sikkerhedsmargener i bunkring.

Figur 7: Flammepunkt for den undersøgte Fuels-blanding

• Hældepunkt: Da hældepunktet for HFO er betydeligt højere end for biodiesel, sænker tilsætning af biodiesel ligeledes hældepunktet, hvilket forbedrer flowegenskaberne ved lave temperaturer og reducerer kravene til forvarmning under overførsel og indsprøjtning. Der er ikke observeret nogen mærkbar indflydelse af kavitationsbehandling på hældepunktet sammenlignet med det håndblandede brændstof (figur 8), hvilket indikerer, at kavitation primært påvirker mikrostruktur og reaktivitet snarere end bulkfaseovergange.

Figur 8: Hældepunkt for de undersøgte brændselsblandinger

3.3 Sedimenter, aske og kulstofrester

• Sedimentation: Reduktionen i den samlede mængde sediment (TSE) på ca. 33 %, der blev observeret, da HFO blev blandet med biodiesel (figur 9), tilskrives hovedsageligt biodiesels amfifile natur, som stabiliserer asfaltener gennem polære interaktioner og forbedrer brændstoffets homogenitet og viskositet og derved forhindrer aggregering og sedimentering. En yderligere reduktion på ca. 33 % i TSE opnås gennem kavitationsbaseret homogenisering af HFO-biodiesel-blandingen sammenlignet med håndblanding.

Figur 9: Totalt forekommende sediment (% masse) for de undersøgte brændstofblandinger

• Det betydelige fald i det samlede sedimentpotentiale (TSP) på ca. 60 %, der blev observeret ved blanding af HFO med biodiesel (figur 10), tilskrives også hovedsageligt biodiesels amfifile natur, som stabiliserer asfaltener gennem polære interaktioner og forbedrer brændstoffets ensartethed og flydeegenskaber, hvorved aggregering og sedimentdannelse minimeres. En yderligere reduktion på ca. 25 % i TSP opnås gennem kavitationsbaseret homogenisering af HFO-biodiesel-blandingen sammenlignet med håndblanding.

Figur 10: Samlet sedimentpotentiale (% masse) for de undersøgte brændstofblandinger

Denne væsentlige forbedring indikerer en markant højere brændstofstabilitet og en betydeligt lavere risiko for slamdannelse under opbevaring og motordrift. Vel vidende, at slamdannelse ved bunkring af skibe fortsat er en vedvarende driftsmæssig og lovgivningsmæssig udfordring med betydelige økonomiske konsekvenser.
Faktisk afhænger slamdannelseshastigheden af forskellige faktorer, herunder brændstofsammensætning, opbevaringsforhold og håndteringspraksis. Driftserfaring og IMO-vejledning viser, at slamdannelse under brændstofrensning og -opbevaring typisk ligger på 1-3 volumenprocent af den forbrugte HFO, selvom dette refererer til separator/bunkerrester og ikke bør sidestilles direkte med ISO 8217-sedimentspecifikationen.

For et skib, der opbevarer 1.000 tons HFO 380:

Scenarie	Slammasse (t)	Slugvolumen m³	Tab af brændstofomkostninger ved $500/t
Lavt anslået (1 % af volumen)	9.5	≈ 10	4.750
Højt anslået (3 % af volumen)	28.5	≈ 30	14.250

Tabel 2. Økonomiske konsekvenser af slamdannelse fra HFO380

For et fartøj, der bruger 20.000 t HFO om året, svarer dette til brændstofbesparelser på ca. 20-200 t om året eller ca. 10.000-100 .000 USD om året (baseret på en referencepris på 500 USD/t). Højere brændstofpriser eller større forbrug vil øge disse besparelser proportionalt.

Det skal bemærkes, at disse skøn kun tager højde for det direkte tab af brændstofværdi. I praksis er omkostningerne til slamhåndtering ofte højere på grund af obligatorisk bortskaffelse i henhold til MARPOL Annex I, havneafgifter og krav til håndtering af slam, som kan overstige de simple omkostninger til det tabte brændstof betydeligt.
Ved at kombinere systematisk brændstofhåndtering med avanceret kavitationsbaseret homogenisering kan operatører:

• Opretholde langsigtet brændstofstabilitet
• Reducere omkostninger til vedligeholdelse, nedetid og bortskaffelse
• Forbedre brændstofudnyttelsen, motorens pålidelighed og driftssikkerheden
• Sikre overholdelse af MARPOL Annex I og samtidig reducere miljømæssige risici
  
  

Integrering af kavitationshomogenisering på både bunkringsstationer og om bord på skibe giver derfor en vej til sikrere, mere økonomisk og miljøvenlig håndtering af skibsbrændstof, samtidig med at slamrelaterede problemer og lovgivningsmæssige byrder minimeres.

• Aske og kulstofrester: Da biodiesel ikke indeholder aske, viser figur 11 det forventede fald i askeindholdet, når det blandes med ren HFO. Kavitation forstærker yderligere denne effekt ved at fremme finere spredning og delvis overfladefragmentering af askepartikler, hvilket resulterer i en yderligere reduktion på ca. 4 % i HFO-biodiesel-blandingen. Lavere askeindhold bidrager til renere opbevaring og håndtering, reducerer begroning i rørledninger og tanke under bunkring og understøtter en mere effektiv forbrænding med mindre partikeldannelse i motorer.

Figur 11: Askeindhold (% masse) for de undersøgte brændstofblandinger.

Faldet i kulstofrester fra ren HFO til HFO-20 % biodiesel, illustreret i figur 12, skyldes primært, at tunge, aromatiske kulbrinter erstattes af lettere, iltede fedtsyreestere fra biodiesel. Den yderligere reduktion, der blev observeret for blandingen HFO-10 % biodiesel-5 % glycerin, skyldes glycerins iltrige sammensætning, som fremmer en mere fuldstændig termisk nedbrydning og begrænser dannelsen af ildfaste rester. En lille stigning på ca. 3 % i kulstofrester ved kavitationsbehandling af HFO-20 % biodiesel tilskrives øget aktivering af termisk nedbrydning forårsaget af den intense omrøring, der genereres under kavitation, sammenlignet med håndblanding. Disse ændringer forbedrer forbrændingseffektiviteten, reducerer sod og aflejringer i motorer og gør det lettere at håndtere brændstof under bunkring og opbevaring.



Figur 12: Kulstofrester (% masse) for de undersøgte brændstofblandinger.

3.4 Forbrænding og motorydelse

HFO-FAME-blandinger produceret ved hjælp af kavitation blev testet og evalueret for ydeevne i en firetakts marinedieselmotor sammenlignet med konventionelt (groft) producerede HFO-FAME-blandinger. Undersøgelserne blev udført på en fuldmotortestbænk leveret af FVTR GmbH, baseret på en Caterpillar MaK 6M20-motor. Følgende punkter opsummerer de vigtigste resultater af testen:

• Viskositet og forvarmning: Reduceret indsprøjtningstemperatur (>6 K) sænkede energibehovet til forvarmning
  
  
• Forbrændingstiming: Lidt tidligere start og afslutning af forbrændingen, lidt kortere varighed, hvilket fører til mindre brændstofbesparelser (~1 %) og lidt højere NOx på grund af iltindholdet
  
  
• Udledninger: CO, CO₂, HC, O₂ og FSN svarede til det håndblandede brændstof; ingen driftsproblemer observeret Den kavitationsbehandlede HFO-FAME-blanding viser klare praktiske fordele ved drift af skibsmotorer. Dens lavere viskositet reducerer energibehovet til forvarmning, letter indsprøjtningen og bidrager til små fordele ved brændstofforbruget. Forbrændingen forbliver stabil og pålidelig med emissioner, der stort set kan sammenlignes med konventionelle blandinger, bortset fra den forventede mindre stigning i NOx på grund af højere iltindhold. Disse resultater viser, at kavitationsbaseret blanding ikke kun forbedrer de reologiske og forbrændingsmæssige egenskaber ved HFO-FAME-brændstoffer, men også understøtter sikrere, mere effektiv og pålidelig bunkring og motorydelse i praktiske marine anvendelser.

3.5 Opsummering af brændstof- og forbrændingsforbedringer - "CaviFlow® Performance Gains"

På nuværende tidspunkt kan de overordnede effekter af RAPTECH's kavitationsbehandling på brændstofegenskaber, forbrændingsydelse og driftseffektivitet opsummeres som følger. Dataene bekræfter målbare fysiske, kemiske og økonomiske fordele for kavitationsbehandlede brændstoffer sammenlignet med konventionelt blandede brændstoffer.

Parameter	Forbedring	Effekt
Viskositet ved 50 °C	↓ ≈ 13 %	Nemmere pumpning, reduceret energibehov til forvarmning
Specifikt brændselsolieforbrug (SFOC)	↓ ≈ 1 %	Forbedret forbrændingseffektivitet, lille brændstofbesparelse
Slamdannelse (typisk 1-3 % v/v)	↓ ≈ 99 % (stort set elimineret)	Renere filtre, ingen overbelastning af separatoren, stabil og kontinuerlig drift
Samlet brændstof/effekt-effektivitet	↑ ≈ 4 % (brændstofbesparelse)	Svarer til ≈ 1,2 t/dag for et 50.000 DWT-tankskib
Betjening af motoren	Stabil forbrænding med minimal NOₓ-stigning	Pålidelig og konsekvent ydelse
Miljøpåvirkning	Lavere indhold af sediment, aske og svovl	Renere forbrænding, lettere overholdelse af IMO/MARPOL-standarder

Tabel 3. Vigtige præstationsgevinster med CaviFlow®-kavitationsbehandling

Sparer område	Årlig indvirkning (€)	Grundlag/forklaring
Brændstofeffektivitet (~4 %)	€ 200 000 - 250 000	4 % af brændstofomkostningerne
EU ETS / CO₂-besparelse	€ 108 000 - 110 000	1.548 t × € 70 (anslået) / t CO₂
Overholdelse og charterpræmie	€ 50 000 - 200 000	Bedre charterpriser
Operationel effektivitet og vedligeholdelse	€ 20 000 - 40 000	Renere forbrænding → mindre motorslitage
Energibesparende renseanlæg/varmelegeme	€ 5 000 - 10 000	Lavere viskositet → reduceret belastning
Samlet potentiel besparelse	≈ € 380 000 - 600 000 pr. skib / år	Eksklusive ændringer i brændstofpriser

Tabel 4. Anslået årlig økonomisk effekt af kavitationsbaseret brændstofoptimering

Hvis man antager et scenarie med et tankskib på 50.000 DWT, der opererer med en FAME-komponent på ca. 20 %, er der en reduktion i netto-CO₂-emissionsfaktoren fra 3,114 t CO₂/t brændstof for ren HFO til 2,856 t CO₂/t brændstof, når man tager højde for effektivitetsfordelene ved RAPTECH's kavitationsteknologi. Det svarer til en samlet CO₂-besparelse på ca. 1.548 t om året, hvilket effektivt opgraderer skibets CII-rating fra C til B. Den anslåede økonomiske og miljømæssige effekt af disse forbedringer er opsummeret i tabel 4, der fremhæver de kombinerede fordele med hensyn til energieffektivitet, emissionsreduktion og besparelser på driftsomkostninger.

Disse samlede forbedringer bekræfter, at kavitationsbehandling effektivt forbedrer den samlede ydeevne for blandede skibsbrændstoffer - og forbedrer energieffektiviteten, driftssikkerheden og miljøoverholdelsen.

4. Konklusion

Kavitationsassisteret homogenisering viser et klart potentiale for at forbedre både de fysiske og kemiske egenskaber af blandede brændstoffer - i denne undersøgelse blandinger af HFO, biodiesel og glycerin.

De vigtigste observerede fordele omfatter:

• Forbedret blanding og ensartethed, herunder effektiv spredning af slam og restvand, hvilket resulterer i reduceret viskositet og lettere håndtering af brændstof.
  
  
• Delvis (justerbar) kemisk in situ-aktivering, der fører til målbare reduktioner i svovl-, aske- og metalforureninger samt lavere sedimentdannelse.
  
  
• Stabil forbrændingsadfærd med små brændstofbesparelser (~1 %) og kun mindre stigninger i NOₓ på grund af højere iltindhold
  
  
• Reducerede drifts- og vedligeholdelseskrav, herunder forvarmningsenergi og slamhåndtering

Disse resultater viser, at kavitationshomogenisering kan fungere som en skalerbar, energieffektiv og miljøvenlig proces til opgradering og stabilisering af blandede skibsbrændstoffer. Fortsat forskning i mekanismerne for kavitationsinduceret kemisk modifikation og langsigtet motorydelse vil yderligere understøtte dens integration i bæredygtige bunkering- og brændstofbehandlingssystemer.

Forfattere: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH

Referencer

1. Den Internationale Søfartsorganisation (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifikationer for skibsbrændstoffer, International Organization for Standardization, Genève, 2017.
3. EN 14214. Fedtsyremethylestere (FAME) til biodieselbrændstof - Krav og testmetoder. European Committee for Standardization, Bruxelles, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Teknisk brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Fuld motortestrapport - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin-blandinger. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al, Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.