Schlammbildung bei der Handhabung von Schiffskraftstoffen | Mechanismen, Auswirkungen und kavitationsbasierte Abhilfemaßnahmen
Schweröle (HFOs) und Zwischenbrennstoffe (IFOs) werden aufgrund ihrer geringen Kosten und hohen Energiedichte häufig als Schiffskraftstoffe verwendet. Eine anhaltende betriebliche Herausforderung ist jedoch die Bildung von Schlamm während der Lagerung und Handhabung, insbesondere in Bunkersystemen an Land und an Bord von Schiffen.
Schlamm ist ein zähflüssiger, halbfester Rückstand, der aus Asphaltenen, Wachsen, Sedimenten, Wasser und anderen Verunreinigungen besteht. Seine Bildung wird durch die Kraftstoffzusammensetzung, die Lagertemperatur, die Verweilzeit und die Handhabungspraktiken beeinflusst. Empirische Daten aus dem IMO-Leitfaden zeigen, dass die Schlammbildung typischerweise zwischen 1-3 % des Volumens des verbrauchten HFO liegt (≈ 0,01-0,03 m³ pro Tonne).
1. Schlammbildung - Mechanismen und Zusammensetzung
1.1 Zusammensetzung
Schlamm setzt sich hauptsächlich zusammen aus:
1.2 Beeinflussende Parameter
Zu den wichtigsten Faktoren, die die Schlammbildung beeinflussen, gehören:
1.3. Wirtschaftliche und betriebliche Auswirkungen sind:
1.4. Schlammbildungsrate
Die Schlammbildungsrate hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a. von der Kraftstoffzusammensetzung, den Lagerungsbedingungen und den Handhabungsmethoden. Betriebserfahrungen und IMO-Richtlinien deuten darauf hin, dass die Schlammbildung während der Brennstoffreinigung und -lagerung typischerweise zwischen 1-3 % des Volumens des verbrauchten HFO liegt, obwohl sich dies auf Separator-/Bunkerrückstände bezieht und nicht direkt mit der ISO 8217-Sediment-Spezifikation gleichgesetzt werden sollte.
Für ein Schiff, das 1.000 Tonnen HFO 380 lagert:
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schätzungen nur den direkten Verlust an Brennstoffwert berücksichtigen. In der Praxis sind die Kosten der Schlammbewirtschaftung aufgrund der vorgeschriebenen Entsorgung gemäß MARPOL-Anhang I, der Hafengebühren und der Anforderungen an die Handhabung von Schlämmen oft höher und können die einfachen Kosten des verlorenen Brennstoffs erheblich übersteigen.
2. Ansätze zur Schlammkontrolle und -behandlung
2.1 Traditionelle Methoden
Einschränkungen
3. Kavitationsbasiertes Homogenisierungspotenzial von RAPTECH
Bei der Kavitationsmischung werden eine kontrollierte Hochdruckströmung und Kavitationsphänomene genutzt, um Mikroturbulenzen zu erzeugen, die die Schlammpartikel schnell in der Kraftstoffmasse dispergieren. Die folgenden Abbildungen zeigen die Möglichkeiten der RAPTECH-Homogenisierung bei der Behandlung der schweren Ablagerungen von Altkunststoff-Pyrolyseöl:
vor der RAPTECH-Kavitationshomogenisierung
Nach RAPTECH-Kavitationshomogenisierung
In Versuchen mit HFO 380 reduzierte die RAPTECH-Kavitationshomogenisierung das Gesamtsedimentpotenzial (TSP), einen wichtigen Stabilitätsindikator, von anfänglichen Werten von bis zu 0,10 % m/m (innerhalb der ISO 8217-Spezifikation) auf 0,04 % m/m (Bericht von Bureau Veritas). Dies bedeutet eine Verbesserung der gemessenen Kraftstoffstabilität um bis zu 60 %, was auf eine deutlich höhere Kraftstoffstabilität und ein wesentlich geringeres Risiko der Schlammbildung während der Lagerung und des Motorbetriebs hinweist.
Hauptvorteile
Für ein Schiff, das jährlich 20.000 t HFO verbraucht, entspricht dies einer Kraftstoffeinsparung von etwa 20-200 t pro Jahr oder etwa 10.000-100.000 USD pro Jahr (auf der Grundlage eines Referenzpreises von 500 USD/t). Höhere Kraftstoffpreise oder ein höherer Verbrauch würden diese Einsparungen proportional erhöhen. Neben dem direkten Wert des verlorenen Treibstoffs stellt die Entsorgung des Schlamms gemäß den Anforderungen von MARPOL Anhang I einen erheblichen Kostenfaktor dar. Die Schiffe sind verpflichtet, den Schlamm in speziellen Tanks zu lagern und ihn nur in Auffanganlagen zu entladen oder an Bord zu verbrennen. Die Gebühren für den Umgang mit MARPOL-konformen Schlämmen in den Häfen übersteigen oft die Kosten des verlorenen Treibstoffs, so dass die Minimierung von Schlämmen eine noch größere betriebliche und wirtschaftliche Priorität darstellt.
Illustrative Auswirkungen
Die Implementierung des Kavitationsmischverfahrens kann zu Folgendem führen:
4. Schlussfolgerung
Die Schlammbildung beim Bunkern von Schiffen ist nach wie vor eine anhaltende betriebliche und rechtliche Herausforderung mit erheblichen wirtschaftlichen Folgen. Zusätzlich zu den direkten Treibstoffverlusten verlangt MARPOL Annex I, dass der gesamte Schlamm gelagert, an Bord verbrannt oder in lizenzierte Auffanganlagen entsorgt wird, wo die Bearbeitungsgebühren oft den Wert des verlorenen Treibstoffs übersteigen.
Durch die Kombination eines systematischen Treibstoffmanagements mit einer fortschrittlichen Homogenisierung durch Kavitation können Betreiber:
Die Integration der Kavitationshomogenisierung sowohl in Bunkeranlagen als auch an Bord von Schiffen bietet daher einen Weg zu einem sichereren, wirtschaftlicheren und umweltverträglicheren Umgang mit Schiffskraftstoffen und minimiert gleichzeitig die mit Schlamm verbundenen Probleme und die Belastung durch Vorschriften.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
5. Referenzen
Schweröle (HFOs) und Zwischenbrennstoffe (IFOs) werden aufgrund ihrer geringen Kosten und hohen Energiedichte häufig als Schiffskraftstoffe verwendet. Eine anhaltende betriebliche Herausforderung ist jedoch die Bildung von Schlamm während der Lagerung und Handhabung, insbesondere in Bunkersystemen an Land und an Bord von Schiffen.
Schlamm ist ein zähflüssiger, halbfester Rückstand, der aus Asphaltenen, Wachsen, Sedimenten, Wasser und anderen Verunreinigungen besteht. Seine Bildung wird durch die Kraftstoffzusammensetzung, die Lagertemperatur, die Verweilzeit und die Handhabungspraktiken beeinflusst. Empirische Daten aus dem IMO-Leitfaden zeigen, dass die Schlammbildung typischerweise zwischen 1-3 % des Volumens des verbrauchten HFO liegt (≈ 0,01-0,03 m³ pro Tonne).
1. Schlammbildung - Mechanismen und Zusammensetzung
1.1 Zusammensetzung
Schlamm setzt sich hauptsächlich zusammen aus:
- Asphaltene (schwere aromatische Fraktionen, die zur Ausfällung neigen)
- Wachse (hochschmelzende paraffinische Fraktionen)
- Sedimente und Partikel (Sand, Rost, Korrosionsprodukte)
- Wasser (aus Kondensation oder Verunreinigung)
- Chemische Rückstände (aus Behandlungschemikalien, Zusatzstoffen)
| Komponente | Masse (typisch) |
|---|---|
| Asphaltene | 50-70 % |
| Wachse | 10-20 % |
| Sedimente | 5-15 % |
| Wasser | 1-5 % |
| Sonstiges (Rückstände) | 5-10 % |
1.2 Beeinflussende Parameter
Zu den wichtigsten Faktoren, die die Schlammbildung beeinflussen, gehören:
- Zusammensetzung des Kraftstoffs: Höherer Asphaltengehalt → höheres Schlammpotenzial
- Temperatur: Abkühlung unter den Wachsausfällungspunkt erhöht die Schlammbildung
- Lagerzeit: Längere Verweildauer fördert Sedimentation und Agglomeration
- Verunreinigung: Wasser- und Partikeleintrag beschleunigen die Schlammbildung
- Effizienz der Durchmischung: Schlechte Zirkulation ermöglicht lokale Ansammlung
1.3. Wirtschaftliche und betriebliche Auswirkungen sind:
- Verringertes nutzbares Kraftstoffvolumen
- Verstopfungen in Pumpen, Filtern und Kraftstoffleitungen
- Erhöhte Kosten für Wartung und Reinigung
- Gefahr einer ungleichmäßigen Verbrennung und von Motorverschmutzung
1.4. Schlammbildungsrate
Die Schlammbildungsrate hängt von verschiedenen Faktoren ab, u. a. von der Kraftstoffzusammensetzung, den Lagerungsbedingungen und den Handhabungsmethoden. Betriebserfahrungen und IMO-Richtlinien deuten darauf hin, dass die Schlammbildung während der Brennstoffreinigung und -lagerung typischerweise zwischen 1-3 % des Volumens des verbrauchten HFO liegt, obwohl sich dies auf Separator-/Bunkerrückstände bezieht und nicht direkt mit der ISO 8217-Sediment-Spezifikation gleichgesetzt werden sollte.
Für ein Schiff, das 1.000 Tonnen HFO 380 lagert:
| Szenario | Schlamm Menge (t) | Schlamm Volumen m³ | Kraftstoffkostenverlust bei 500 $/t |
|---|---|---|---|
| Niedrige Schätzung (1 Vol.-%) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Hohe Schätzung (1 Vol.-%) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schätzungen nur den direkten Verlust an Brennstoffwert berücksichtigen. In der Praxis sind die Kosten der Schlammbewirtschaftung aufgrund der vorgeschriebenen Entsorgung gemäß MARPOL-Anhang I, der Hafengebühren und der Anforderungen an die Handhabung von Schlämmen oft höher und können die einfachen Kosten des verlorenen Brennstoffs erheblich übersteigen.
2. Ansätze zur Schlammkontrolle und -behandlung
2.1 Traditionelle Methoden
- Erhitzen und Umwälzen: Kraftstoff über dem Wachsausfällungspunkt halten (~50-60°C für HFO 380)
- Zentrifugale Trennung/Dekantierung: Wasser und schwere Feststoffe entfernen
- Mechanische Filtration: Schutz von Motor und Bunkersystemen
- Chemische Zusätze: Dispergiermittel, Stabilisatoren zur Verringerung der Sedimentbildung
Einschränkungen
- Hohe Energie- und Wartungskosten
- Nicht vollständig effektiv für die Homogenisierung großer Tankvolumen
- Risiko der unvollständigen Vermischung, insbesondere an Bunkerstationen oder an Bord
3. Kavitationsbasiertes Homogenisierungspotenzial von RAPTECH
Bei der Kavitationsmischung werden eine kontrollierte Hochdruckströmung und Kavitationsphänomene genutzt, um Mikroturbulenzen zu erzeugen, die die Schlammpartikel schnell in der Kraftstoffmasse dispergieren. Die folgenden Abbildungen zeigen die Möglichkeiten der RAPTECH-Homogenisierung bei der Behandlung der schweren Ablagerungen von Altkunststoff-Pyrolyseöl:
vor der RAPTECH-Kavitationshomogenisierung
Nach RAPTECH-Kavitationshomogenisierung
In Versuchen mit HFO 380 reduzierte die RAPTECH-Kavitationshomogenisierung das Gesamtsedimentpotenzial (TSP), einen wichtigen Stabilitätsindikator, von anfänglichen Werten von bis zu 0,10 % m/m (innerhalb der ISO 8217-Spezifikation) auf 0,04 % m/m (Bericht von Bureau Veritas). Dies bedeutet eine Verbesserung der gemessenen Kraftstoffstabilität um bis zu 60 %, was auf eine deutlich höhere Kraftstoffstabilität und ein wesentlich geringeres Risiko der Schlammbildung während der Lagerung und des Motorbetriebs hinweist.
Hauptvorteile
- Effiziente Homogenisierung: Reduziert lokale Schlammansammlungen
- Langfristige Stabilität: Behält die einheitliche Kraftstoffzusammensetzung über eine längere Lagerung bei
- Betriebliche Zuverlässigkeit: Reduziert Verstopfungen und Wartungsereignisse
- Skalierbare Anwendung: Kann sowohl an Land an Bunkerstationen als auch an Bord von Schiffen eingesetzt werden
- Wirtschaftliche Einsparungen: Neben der Senkung der Kosten für die Schlammentsorgung kann die Kavitationshomogenisierung die Kraftstoffnutzung um ~0,1-1% pro Tank und Reise verbessern.
Für ein Schiff, das jährlich 20.000 t HFO verbraucht, entspricht dies einer Kraftstoffeinsparung von etwa 20-200 t pro Jahr oder etwa 10.000-100.000 USD pro Jahr (auf der Grundlage eines Referenzpreises von 500 USD/t). Höhere Kraftstoffpreise oder ein höherer Verbrauch würden diese Einsparungen proportional erhöhen. Neben dem direkten Wert des verlorenen Treibstoffs stellt die Entsorgung des Schlamms gemäß den Anforderungen von MARPOL Anhang I einen erheblichen Kostenfaktor dar. Die Schiffe sind verpflichtet, den Schlamm in speziellen Tanks zu lagern und ihn nur in Auffanganlagen zu entladen oder an Bord zu verbrennen. Die Gebühren für den Umgang mit MARPOL-konformen Schlämmen in den Häfen übersteigen oft die Kosten des verlorenen Treibstoffs, so dass die Minimierung von Schlämmen eine noch größere betriebliche und wirtschaftliche Priorität darstellt.
Illustrative Auswirkungen
Die Implementierung des Kavitationsmischverfahrens kann zu Folgendem führen:
- Verringerung der Schlammakkumulation: Durch die Dispersion von Schlammpartikeln verhindert das Verfahren lokale Ablagerungen
- Verbesserte Kraftstoffausnutzung: Eine gleichmäßigere Kraftstoffqualität führt zu einer besseren Motorleistung und Effizienz
- Kosteneinsparungen: Geringerer Bedarf an Wartung und Reinigung, was zu niedrigeren Betriebskosten führt
4. Schlussfolgerung
Die Schlammbildung beim Bunkern von Schiffen ist nach wie vor eine anhaltende betriebliche und rechtliche Herausforderung mit erheblichen wirtschaftlichen Folgen. Zusätzlich zu den direkten Treibstoffverlusten verlangt MARPOL Annex I, dass der gesamte Schlamm gelagert, an Bord verbrannt oder in lizenzierte Auffanganlagen entsorgt wird, wo die Bearbeitungsgebühren oft den Wert des verlorenen Treibstoffs übersteigen.
Durch die Kombination eines systematischen Treibstoffmanagements mit einer fortschrittlichen Homogenisierung durch Kavitation können Betreiber:
- Langfristige Kraftstoffstabilität aufrechterhalten
- Wartung, Ausfallzeiten und Entsorgungskosten reduzieren
- Verbesserung der Kraftstoffausnutzung, der Zuverlässigkeit der Motoren und der Betriebssicherheit
- Gewährleistung der Einhaltung von MARPOL Annex I bei gleichzeitiger Reduzierung der Umweltrisiken
Die Integration der Kavitationshomogenisierung sowohl in Bunkeranlagen als auch an Bord von Schiffen bietet daher einen Weg zu einem sichereren, wirtschaftlicheren und umweltverträglicheren Umgang mit Schiffskraftstoffen und minimiert gleichzeitig die mit Schlamm verbundenen Probleme und die Belastung durch Vorschriften.
Autor: Dr. Ahmad Saylam | RAPTECH Eberswalde GmbH
5. Referenzen
- Internationale Organisation für Normung (ISO). (2017). ISO 8217:2017 - Mineralölerzeugnisse - Kraftstoffe (Klasse F) - Spezifikationen für Schiffskraftstoffe.
- Concawe. (2019). Heavy Fuel Oil Stability and Sediment Formation. Report No. 5/19
- CIMAC. (2018). Fuel Reports: Sludge Formation and Fuel Handling. International Council on Combustion Engines
- RAPTECH GmbH. (2024). Interne technische Berichte zur Kavitationsmischtechnik
