Abstrakt
Studie
Die Homogenisierung durch Kavitation ist eine vielversprechende Methode, um die Stabilität und Leistung von Kraftstoffen zu verbessern: Durch die Erzeugung intensiver Mikrobläschen, die gewaltsam zusammenbrechen, fördert die Kavitation sowohl die physikalische Vermischung als auch eine milde chemische Aktivierung, wodurch sich die Rheologie, die Dispersion und das Verbrennungsverhalten verbessern. In dieser Studie werden die Auswirkungen der Kavitation auf HFO-Biodiesel-Glycerin-Mischungen bewertet, wobei Dichte, Viskosität, Schwefel- und Metallgehalt, Heizwert, Sedimentbildung und Motorleistung untersucht werden.
Tabelle 1 fasst die vergleichenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der drei in dieser Studie verwendeten Hauptkraftstoffkomponenten zusammen: HFO 380, Biodiesel (FAME) und Glycerin. HFO 380 dient als Basisreferenz, während Biodiesel und Glyzerin als erneuerbare, schwefelfreie Mischungskomponenten dienen. Ihre unterschiedlichen Dichten, Viskositäten und Sauerstoffgehalte sind Schlüsselfaktoren, die das Mischungsverhalten während der Homogenisierung und Verbrennung beeinflussen. Das Verständnis dieser Basiseigenschaften bildet die Grundlage für die Bewertung der Leistung der Kavitationsbehandlung von RAPTECH bei der Verbesserung der Gleichmäßigkeit, Stabilität und Gesamtqualität des Kraftstoffs.
Tabelle 1: Vergleichende Kraftstoffeigenschaften von HFO 380, Biodiesel (FAME) und Glycerin.
2. Materialien und Methoden
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1 Physikalische Eigenschaften und Rheologie
Abbildung 1: Dichte der Kraftstoffmischung in Abhängigkeit von der Temperatur
Der in Abbildung 2 dargestellte API-Grad ist bei reinem HFO 380 am niedrigsten, was seine relativ hohe Dichte widerspiegelt. Wenn HFO durch Kavitation gemischt wird, steigt die API-Dichte leicht an, was auf eine geringfügige Verringerung der Dichte hindeutet. Ein deutlicherer Effekt ist zu beobachten, wenn 20 % Biodiesel von Hand beigemischt werden, da Biodiesel eine wesentlich geringere Dichte als HFO hat, was zu einem deutlichen Anstieg des API-Grads führt. Der höchste API-Grad wird bei HFO mit 20 % Biodiesel erreicht, das durch Kavitation behandelt wurde. In diesem Fall ist der Unterschied zwischen der Handmischung und der Kavitationsmischung relativ gering, aber das Kavitationsverfahren führt dennoch zu einer zusätzlichen Verbesserung des API-Grads, die über die Wirkung von Biodiesel allein hinausgeht.
Abbildung 2: °API-Grad für die untersuchte Kraftstoffmischung
Abbildung 3: Kinematische Viskosität von Kraftstoffmischungen in Abhängigkeit von der Temperatur
3.2 Chemische Eigenschaften und Brennstoffverbesserung
Abbildung 4: Schwefelgehalt der untersuchten Kraftstoffmischung
Abbildung 5: Vanadium-, Silizium- und Aluminiumgehalt der untersuchten Kraftstoffmischungen
Abbildung 6: Untersuchtes Heizwertgemisch Kraftstoffe
Abbildung 7: Flammpunkt der untersuchten Kraftstoffmischung
Abbildung 8: Pourpoint der untersuchten Kraftstoffmischung
3.3 Sedimente, Asche und Kohlenstoffrückstände
Abbildung 9: Vorhandene Gesamtablagerungen (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung
Abbildung 10: Gesamtsedimentpotenzial (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung
Diese erhebliche Verbesserung deutet auf eine deutlich höhere Kraftstoffstabilität und ein wesentlich geringeres Risiko der Schlammbildung während der Lagerung und des Motorbetriebs hin. Es ist bekannt, dass die Schlammbildung beim Bunkern von Schiffen eine anhaltende betriebliche und rechtliche Herausforderung mit erheblichen wirtschaftlichen Folgen bleibt.
Die Geschwindigkeit der Schlammbildung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Kraftstoffzusammensetzung, die Lagerungsbedingungen und die Handhabungspraktiken. Betriebserfahrungen und IMO-Richtlinien deuten darauf hin, dass die Schlammbildung bei der Brennstoffreinigung und -lagerung typischerweise zwischen 1 und 3 Volumenprozent 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:
Tabelle 2. Wirtschaftliche Auswirkungen der Schlammbildung aus HFO380
Für ein Schiff, das jährlich 20.000 t HFO verbraucht, entspricht dies einer Treibstoffeinsparung von etwa 20-200 t pro Jahr oder etwa 10.000-100.000 USD pro Jahr (basierend auf einem Referenzpreis von 500 USD/t). Höhere Kraftstoffpreise oder ein höherer Verbrauch würden diese Einsparungen proportional erhöhen.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schätzungen nur den direkten Verlust an Brennstoffwert berücksichtigen. In der Praxis sind die Kosten für die Schlammbehandlung aufgrund der vorgeschriebenen Entsorgung gemäß MARPOL-Anhang I, der Hafengebühren und der Anforderungen an die Schlammbehandlung oft höher und können die einfachen Kosten des verlorenen Kraftstoffs deutlich übersteigen.
Durch die Kombination von systematischem Kraftstoffmanagement mit fortschrittlicher Homogenisierung auf Kavitationsbasis können Betreiber:
Abbildung 11: Aschegehalt (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung.
Der in Abbildung 12 dargestellte Rückgang des Kohlenstoffrückstands von reinem HFO zu HFO-20% Biodiesel ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass schwere, aromatische Kohlenwasserstoffe durch leichtere, sauerstoffhaltige Fettsäureester des Biodiesels ersetzt werden. Die zusätzliche Verringerung, die bei der HFO-10%-Biodiesel-5%-Glycerin-Mischung zu beobachten ist, ergibt sich aus der sauerstoffreichen Zusammensetzung von Glycerin, die eine vollständigere thermische Zersetzung fördert und die Bildung von feuerfesten Rückständen begrenzt. Der leichte Anstieg des Kohlenstoffrückstands um etwa 3 % bei der Kavitationsbehandlung von HFO-20 % Biodiesel ist auf die verstärkte Aktivierung der thermischen Zersetzung zurückzuführen, die durch die intensive Bewegung während der Kavitation im Vergleich zum manuellen Mischen hervorgerufen wird. Diese Änderungen verbessern die Verbrennungseffizienz, verringern Ruß und Ablagerungen in den Motoren und erleichtern die reibungslose Handhabung des Kraftstoffs beim Bunkern und Lagern.
Abbildung 12: Kohlenstoffrückstände (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung.
3.4 Verbrennung und Motorleistung
Mittels Kavitation hergestellte HFO-FAME-Gemische wurden in einem Viertakt-Schiffsdieselmotor getestet und ihre Leistung im Vergleich zu konventionell (grob) hergestellten HFO-FAME-Gemischen bewertet. Die Untersuchungen wurden auf einem von der FVTR GmbH zur Verfügung gestellten Vollmotorenprüfstand durchgeführt, der auf einem Caterpillar MaK 6M20 Motor basiert. Die folgenden Punkte fassen die wichtigsten Ergebnisse des Tests zusammen:
3.5 Zusammenfassung der Kraftstoff- und Verbrennungsverbesserungen - "CaviFlow® Performance Gains"
Zum jetzigen Zeitpunkt können die allgemeinen Auswirkungen der RAPTECH-Kavitationsbehandlung auf die Kraftstoffeigenschaften, die Verbrennungsleistung und die Betriebseffizienz wie folgt zusammengefasst werden. Die Daten bestätigen messbare physikalische, chemische und wirtschaftliche Vorteile für kavitationsbehandelte Brennstoffe im Vergleich zu konventionell gemischten Brennstoffen.
Tabelle 3. Wesentliche Leistungssteigerungen mit CaviFlow® Kavitationsbehandlung
Tabelle 4. Geschätzte jährliche wirtschaftliche Auswirkungen der kavitationsbasierten Kraftstoffoptimierung
Geht man von dem Szenario eines Tankers mit 50 000 DWT aus, der mit einem FAME-Anteil von ca. 20 % betrieben wird, ergibt sich eine Reduzierung des Netto-CO₂-Emissionsfaktors von 3,114 t CO₂ / t Kraftstoff für reines HFO auf 2,856 t CO₂ / t Kraftstoff, wenn man die Effizienzvorteile der Kavitationstechnologie von RAPTECH berücksichtigt. Dies entspricht einer CO₂-Gesamteinsparung von etwa 1,548 t pro Jahr, wodurch sich die CII-Einstufung des Schiffes von C auf B verbessert. Die geschätzten wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen dieser Verbesserungen sind in Tabelle 4 zusammengefasst, wobei die kombinierten Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Emissionsminderung und Betriebskosteneinsparungen hervorgehoben werden.
Diese konsolidierten Verbesserungen bestätigen, dass die Kavitationsbehandlung die Gesamtleistung von gemischten Schiffskraftstoffen effektiv steigert und damit die Energieeffizienz, die Betriebssicherheit und die Umweltverträglichkeit verbessert.
4. Schlussfolgerung
Die kavitationsunterstützte Homogenisierung zeigt ein deutliches Potenzial zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Mischkraftstoffen - in dieser Studie Mischungen aus HFO, Biodiesel und Glycerin.
Zu den wichtigsten beobachteten Vorteilen gehören:
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kavitationshomogenisierung ein skalierbares, energieeffizientes und umweltverträgliches Verfahren zur Verbesserung und Stabilisierung von gemischten Schiffskraftstoffen sein kann. Die weitere Erforschung der Mechanismen der durch Kavitation induzierten chemischen Modifikation und der langfristigen Motorleistung wird die Integration dieses Verfahrens in nachhaltige Bunker- und Kraftstoffaufbereitungssysteme weiter unterstützen.
Die Autoren: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenzen
1. Internationale Seeschifffahrtsorganisation (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Spezifikationen für Schiffskraftstoffe. Internationale Organisation für Normung, Genf, 2017.
3. EN 14214. Fettsäuremethylester (FAME) für Biodieselkraftstoff - Anforderungen und Prüfverfahren. Europäisches Komitee für Normung, Brüssel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Technical Brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Vollständiger Motorentestbericht - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerin-Gemische. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- In dieser Studie werden die Auswirkungen der Kavitationshomogenisierung auf Schweröl (HFO 380) und seine Mischungen mit Biodiesel und Glycerin für Schiffsanwendungen untersucht. HFO, HFO-20% Biodiesel (B20) und HFO-10% Biodiesel-5% Glycerin (B10G5) wurden unter konventioneller Handmischung und Kavitationsbehandlung verglichen.
- Durch die Kavitation wurden mehrere Kraftstoffeigenschaften deutlich verbessert, darunter die Viskosität (um bis zu 19 %), der Schwefelgehalt (um 1,5 bis 19 %) und die Metallverunreinigungen (um bis zu 33 %), während gleichzeitig ein vergleichbarer Heizwert beibehalten wurde. Tests an einem Caterpillar MaK 6M20-Motor bestätigten eine verbesserte Verbrennungsstabilität, einen geringeren Vorwärmbedarf, leichte Kraftstoffeinsparungen (~1%) und konsistente Emissionsprofile.
- Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kavitation eine effiziente Mischung und Homogenisierung fördert , die Handhabung von Schlamm und Restwasser erleichtert und eine milde (einstellbare) chemische Aktivierung in situ bewirkt . Insgesamt stellt die kavitationsbasierte Verarbeitung einen praktischen Weg zu einer saubereren, effizienteren und nachhaltigen Nutzung von gemischten Schiffskraftstoffen dar.
- Die Schifffahrtsindustrie steht unter zunehmendem Druck, die Emissionen zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, was durch die Schwefelobergrenze der IMO für 2020, Vorschriften zur Kohlenstoffintensität und die zunehmende Verwendung alternativer Kraftstoffe bedingt ist. Schweres Heizöl (HFO) ist aufgrund seines hohen Energiegehalts nach wie vor weit verbreitet, aber die Beimischung von erneuerbaren Komponenten wie Biodiesel und Glyzerin ist notwendig, um die Umweltvorschriften zu erfüllen und die Verbrennungseigenschaften zu verbessern.
Studie
Die Homogenisierung durch Kavitation ist eine vielversprechende Methode, um die Stabilität und Leistung von Kraftstoffen zu verbessern: Durch die Erzeugung intensiver Mikrobläschen, die gewaltsam zusammenbrechen, fördert die Kavitation sowohl die physikalische Vermischung als auch eine milde chemische Aktivierung, wodurch sich die Rheologie, die Dispersion und das Verbrennungsverhalten verbessern. In dieser Studie werden die Auswirkungen der Kavitation auf HFO-Biodiesel-Glycerin-Mischungen bewertet, wobei Dichte, Viskosität, Schwefel- und Metallgehalt, Heizwert, Sedimentbildung und Motorleistung untersucht werden.
Tabelle 1 fasst die vergleichenden physikalischen und chemischen Eigenschaften der drei in dieser Studie verwendeten Hauptkraftstoffkomponenten zusammen: HFO 380, Biodiesel (FAME) und Glycerin. HFO 380 dient als Basisreferenz, während Biodiesel und Glyzerin als erneuerbare, schwefelfreie Mischungskomponenten dienen. Ihre unterschiedlichen Dichten, Viskositäten und Sauerstoffgehalte sind Schlüsselfaktoren, die das Mischungsverhalten während der Homogenisierung und Verbrennung beeinflussen. Das Verständnis dieser Basiseigenschaften bildet die Grundlage für die Bewertung der Leistung der Kavitationsbehandlung von RAPTECH bei der Verbesserung der Gleichmäßigkeit, Stabilität und Gesamtqualität des Kraftstoffs.
| Parameter | Unit | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiesel (FAME, EN 14214) | Glycerin (Crude/Refined) |
|---|---|---|---|---|
| Density at 15°C | kg/m³ | Max. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Kinematic Viscosity at 50°C | mm²/s | Max. 380 | 4-6 | ~1,200 (at 40°C) |
| Sulfur Content | % (m/m) | Max. 3.50 | <0.001 | 0 |
| Ash Content | % (m/m) | Max. 0.15 | <0.02 | <0.01 |
| Pour Point | °C | Max. 30 | −5 to +15 | ~18 |
| Flash Point | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Total Sediment Potential | % (m/m) | Max. 0.10 | - | - |
| Total Sediment Existent | % (m/m) | Max. 0.10 | - | - |
| Gross Calorific Value | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Net Calorific Value | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Oxygen Content | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Carbon Residue (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tabelle 1: Vergleichende Kraftstoffeigenschaften von HFO 380, Biodiesel (FAME) und Glycerin.
2. Materialien und Methoden
- Kraftstoffe: HFO 380, Biodiesel (FAME), Glyzerin
- Mischungen: HFO, HFO-20% Biodiesel (B20), HFO-10% Biodiesel-5% Glyzerin (B10G5)
- Mischen: Konventionelles Handmischen (HB/Coarse) und kavitationsunterstütztes Mischen (CF) mit dem CaviFlow®-System von RAPTECH
- Analysen: Dichte, API-Gravität, kinematische Viskosität, Schwefel, Metalle, Brennwert, Flammpunkt, Stockpunkt, Gesamtsedimentgehalt (TSE), Gesamtsedimentpotenzial (TSP), Aschegehalt und Kohlenstoffrückstand, gemessen bei Bureau Veritas
- Motorentests: FVTR GmbH Prüfstand für Schiffsdiesel in Originalgröße (Caterpillar MaK 6M20). Leistung, Emissionen, Verbrennungszeitpunkt und Kraftstoffverbrauch wurden aufgezeichnet.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1 Physikalische Eigenschaften und Rheologie
- Dichte und API-Gravität: Da Biodiesel (860-900 kg/m³ bei 15 °C) eine geringere Dichte als HFO 380 hat und beide eine geringere Dichte als Glycerin (1264 kg/m³ bei 15 °C) aufweisen, veranschaulicht Abbildung 1 die Abnahme der Dichte, wenn Biodiesel zu HFO 380 hinzugefügt wird, und die entsprechende Zunahme, wenn Glycerin hinzugefügt wird. Sie verdeutlicht auch den Vorteil des Einsatzes der Kavitationstechnologie gegenüber der herkömmlichen Handmischung, die eine zusätzliche Verringerung der Dichte um etwa 0,3 % bewirkt.
Abbildung 1: Dichte der Kraftstoffmischung in Abhängigkeit von der Temperatur
Der in Abbildung 2 dargestellte API-Grad ist bei reinem HFO 380 am niedrigsten, was seine relativ hohe Dichte widerspiegelt. Wenn HFO durch Kavitation gemischt wird, steigt die API-Dichte leicht an, was auf eine geringfügige Verringerung der Dichte hindeutet. Ein deutlicherer Effekt ist zu beobachten, wenn 20 % Biodiesel von Hand beigemischt werden, da Biodiesel eine wesentlich geringere Dichte als HFO hat, was zu einem deutlichen Anstieg des API-Grads führt. Der höchste API-Grad wird bei HFO mit 20 % Biodiesel erreicht, das durch Kavitation behandelt wurde. In diesem Fall ist der Unterschied zwischen der Handmischung und der Kavitationsmischung relativ gering, aber das Kavitationsverfahren führt dennoch zu einer zusätzlichen Verbesserung des API-Grads, die über die Wirkung von Biodiesel allein hinausgeht.
Abbildung 2: °API-Grad für die untersuchte Kraftstoffmischung
- Viskosität: Abbildung 3 zeigt einen ähnlichen Trend für die kinematische Viskosität und verdeutlicht die Unterschiede zwischen HFO 380 und seinen Biodiesel- und Glycerinmischungen. Insbesondere HFO mit 20 % Biodiesel, das durch Kavitation behandelt wurde, erreicht eine Viskositätssenkung von bis zu 19 % im Vergleich zur manuellen Mischung. Aus praktischer Sicht kann diese Verringerung der Viskosität und der Dichte auf die doppelte Wirkung der Kavitation zurückgeführt werden - ihre intensive Mischfähigkeit, die Kraftstoffe unterschiedlicher Herkunft effektiv vermischt, und ihre starke Homogenisierungswirkung, die das Gemisch stabilisiert und seine rheologischen und Verbrennungseigenschaften verbessert. Zusammengenommen erleichtern diese Mechanismen das Pumpen, verringern den Energiebedarf für das Vorheizen um etwa 6 % und verbessern die Kraftstoffzerstäubung, wodurch die Verbrennungseffizienz verbessert und die Bildung von Ruß und unverbrannten Kohlenwasserstoffen verringert wird.
Abbildung 3: Kinematische Viskosität von Kraftstoffmischungen in Abhängigkeit von der Temperatur
3.2 Chemische Eigenschaften und Brennstoffverbesserung
- Schwefelreduzierung: Da Biodiesel und Glycerin keinen Schwefel enthalten, zeigt Abbildung 4 die erwartete Verringerung des Schwefelgehalts zwischen reinem HFO und seinen Mischungen mit Biodiesel und Glycerin. Die durch die Kavitation induzierte partielle chemische Aktivierung - insbesondere mit Glycerin als Sauerstoffträger - kann die zusätzlich beobachteten Verringerungen erklären: etwa 1,5 % zwischen den handgemischten und den kavitationsbehandelten HFO-20%-Biodiesel-Kraftstoffen und etwa 19 % zwischen den HFO-20%-Biodiesel- und den kavitationsbehandelten HFO-20%-Biodiesel-5%-Glycerin-Mischungen. Dies zeigt, dass die Kavitation nicht nur eine leistungsstarke Mischung verschiedener Kraftstofftypen und eine starke Homogenisierung ermöglicht, sondern auch bei der Kraftstoffverbesserung hilft, indem sie eine milde, einstellbare chemische Modifizierung der Kraftstoffkomponenten in situ fördert.
Abbildung 4: Schwefelgehalt der untersuchten Kraftstoffmischung
- Metallische Verunreinigungen (Cat Fines): Abbildung 5 zeigt, dass die verbesserte physikalische Dispersion und die partiellen chemischen Umwandlungen, die durch die Kavitation induziert werden, die beobachtete Verringerung der Cat Fines erklären können - mikroskopisch kleine Partikel aus verbrauchtem Katalysator, die hauptsächlich aus Silizium- und Aluminiumoxiden bestehen und häufig in Restbrennstoffen wie Schweröl (HFO) vorkommen. Zwischen den handgemischten und den mit Kavitation gemischten Kraftstoffen wurde ein Rückgang von bis zu 33 % festgestellt, zwischen dem unbehandelten HFO und dem HFO mit 10 % Biodiesel und 5 % Glyzerin nach der Kavitationsbehandlung sogar von bis zu 50 %. Diese Verringerung deutet darauf hin, dass die Kavitation eine feinere Dispersion und möglicherweise eine partielle Oberflächenmodifikation oder Fragmentierung dieser Katalysatorrückstände fördert, was zu einer verbesserten Kraftstoffhomogenität und einem potenziell geringeren Verschleißrisiko in Kraftstoffhandhabungssystemen führt.
Abbildung 5: Vanadium-, Silizium- und Aluminiumgehalt der untersuchten Kraftstoffmischungen
- Heizwert: Da der Heizwert von HFO höher ist als der von Biodiesel und Glycerin, führt die Zugabe von Biodiesel und Glycerin zu einer Verringerung des Nettobrennwerts. Die teilweise Verbesserung der Kraftstoffreaktivität durch die Kavitationsbehandlung könnte den zusätzlichen Rückgang von etwa 0,2 % erklären, der zwischen handgemischten und kavitationsgemischten Kraftstoffen beobachtet wurde (siehe Abbildung 6). Dieser leichte Rückgang wird in der Praxis durch eine bessere Verbrennungseffizienz, eine sauberere Verbrennung und ein stabileres Zündverhalten kompensiert - allesamt vorteilhaft für die Leistung von Schiffsmotoren und die Emissionskontrolle.
Abbildung 6: Untersuchtes Heizwertgemisch Kraftstoffe
- Flammpunkt: Da der Flammpunkt von HFO wesentlich niedriger ist als der von Biodiesel, erhöht die Zugabe von Biodiesel den Flammpunkt der Mischung. Die durch die Kavitationsbehandlung erzielte intensive Homogenisierung führt jedoch zu einer deutlichen Senkung des Flammpunkts um etwa 20 % im Vergleich zu dem von Hand gemischten Kraftstoff, wie in Abbildung 7 dargestellt. Diese Senkung spiegelt eine gleichmäßigere Verteilung der leichteren Fraktionen in der Mischung wider, was die Handhabung des Kraftstoffs und die Verdampfung beim Anlassen des Motors erleichtern kann, ohne die Sicherheitsmargen beim Bunkern zu beeinträchtigen.
Abbildung 7: Flammpunkt der untersuchten Kraftstoffmischung
- Pourpoint: Da der Pourpoint von HFO deutlich höher ist als der von Biodiesel, wird durch die Zugabe von Biodiesel der Pourpoint gesenkt, wodurch sich die Fließeigenschaften bei niedrigen Temperaturen verbessern und die Anforderungen an die Vorwärmung beim Umfüllen und Einspritzen verringert werden. Im Vergleich zum handgemischten Kraftstoff ist kein nennenswerter Einfluss der Kavitationsbehandlung auf den Pourpoint zu beobachten (Abbildung 8), was darauf hindeutet, dass die Kavitation in erster Linie die Mikrostruktur und Reaktivität und nicht die Phasenübergänge in der Masse beeinflusst.
Abbildung 8: Pourpoint der untersuchten Kraftstoffmischung
3.3 Sedimente, Asche und Kohlenstoffrückstände
- Sedimentation: Die beim Mischen von HFO mit Biodiesel beobachtete Verringerung der Gesamtablagerung (Total Sediment Existent, TSE) um etwa 33 % (Abbildung 9) wird hauptsächlich auf die amphiphile Natur von Biodiesel zurückgeführt, die Asphaltene durch polare Wechselwirkungen stabilisiert und die Homogenität und Viskosität des Kraftstoffs verbessert, wodurch Aggregation und Sedimentation verhindert werden. Eine zusätzliche Verringerung der TSE um ca. 33 % wird durch die kavitationsbasierte Homogenisierung der HFO-Biodiesel-Mischung im Vergleich zur Handmischung erreicht.
Abbildung 9: Vorhandene Gesamtablagerungen (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung
- Der signifikante Rückgang des Gesamtsedimentpotenzials (TSP) um etwa 60 %, der beim Mischen von HFO mit Biodiesel beobachtet wurde (Abbildung 10), ist ebenfalls hauptsächlich auf die amphiphile Natur von Biodiesel zurückzuführen, die Asphaltene durch polare Wechselwirkungen stabilisiert und die Gleichmäßigkeit und Fließeigenschaften des Kraftstoffs verbessert, wodurch die Aggregation und Sedimentbildung minimiert werden. Eine weitere Reduzierung des TSP um etwa 25 % wird durch die kavitationsbasierte Homogenisierung der HFO-Biodiesel-Mischung im Vergleich zur manuellen Mischung erreicht.
Abbildung 10: Gesamtsedimentpotenzial (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung
Diese erhebliche Verbesserung deutet auf eine deutlich höhere Kraftstoffstabilität und ein wesentlich geringeres Risiko der Schlammbildung während der Lagerung und des Motorbetriebs hin. Es ist bekannt, dass die Schlammbildung beim Bunkern von Schiffen eine anhaltende betriebliche und rechtliche Herausforderung mit erheblichen wirtschaftlichen Folgen bleibt.
Die Geschwindigkeit der Schlammbildung hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die Kraftstoffzusammensetzung, die Lagerungsbedingungen und die Handhabungspraktiken. Betriebserfahrungen und IMO-Richtlinien deuten darauf hin, dass die Schlammbildung bei der Brennstoffreinigung und -lagerung typischerweise zwischen 1 und 3 Volumenprozent 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 |
Tabelle 2. Wirtschaftliche Auswirkungen der Schlammbildung aus HFO380
Für ein Schiff, das jährlich 20.000 t HFO verbraucht, entspricht dies einer Treibstoffeinsparung von etwa 20-200 t pro Jahr oder etwa 10.000-100.000 USD pro Jahr (basierend auf einem Referenzpreis von 500 USD/t). Höhere Kraftstoffpreise oder ein höherer Verbrauch würden diese Einsparungen proportional erhöhen.
Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schätzungen nur den direkten Verlust an Brennstoffwert berücksichtigen. In der Praxis sind die Kosten für die Schlammbehandlung aufgrund der vorgeschriebenen Entsorgung gemäß MARPOL-Anhang I, der Hafengebühren und der Anforderungen an die Schlammbehandlung oft höher und können die einfachen Kosten des verlorenen Kraftstoffs deutlich übersteigen.
Durch die Kombination von systematischem Kraftstoffmanagement mit fortschrittlicher Homogenisierung auf Kavitationsbasis können Betreiber:
- die langfristige Stabilität des Treibstoffs aufrechterhalten
- Wartungs-, Ausfallzeiten und Entsorgungskosten reduzieren
- die Kraftstoffausnutzung, die Zuverlässigkeit der Motoren und die Betriebssicherheit verbessern
- die Einhaltung von MARPOL Annex I gewährleisten und gleichzeitig Umweltrisiken reduzieren
- Asche und Kohlenstoffrückstände: Da Biodiesel keine Asche enthält, zeigt Abbildung 11 den erwarteten Rückgang des Aschegehalts, wenn er mit reinem HFO gemischt wird. Die Kavitation verstärkt diesen Effekt noch, indem sie eine feinere Dispersion und eine teilweise Oberflächenfragmentierung der Aschepartikel fördert, was zu einer zusätzlichen Verringerung von etwa 4 % in der HFO-Biodiesel-Mischung führt. Ein geringerer Aschegehalt trägt zu einer saubereren Lagerung und Handhabung bei, verringert die Verschmutzung von Pipelines und Tanks während des Bunkerns und unterstützt eine effizientere Verbrennung mit geringerer Partikelbildung in Motoren.
Abbildung 11: Aschegehalt (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung.
Der in Abbildung 12 dargestellte Rückgang des Kohlenstoffrückstands von reinem HFO zu HFO-20% Biodiesel ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass schwere, aromatische Kohlenwasserstoffe durch leichtere, sauerstoffhaltige Fettsäureester des Biodiesels ersetzt werden. Die zusätzliche Verringerung, die bei der HFO-10%-Biodiesel-5%-Glycerin-Mischung zu beobachten ist, ergibt sich aus der sauerstoffreichen Zusammensetzung von Glycerin, die eine vollständigere thermische Zersetzung fördert und die Bildung von feuerfesten Rückständen begrenzt. Der leichte Anstieg des Kohlenstoffrückstands um etwa 3 % bei der Kavitationsbehandlung von HFO-20 % Biodiesel ist auf die verstärkte Aktivierung der thermischen Zersetzung zurückzuführen, die durch die intensive Bewegung während der Kavitation im Vergleich zum manuellen Mischen hervorgerufen wird. Diese Änderungen verbessern die Verbrennungseffizienz, verringern Ruß und Ablagerungen in den Motoren und erleichtern die reibungslose Handhabung des Kraftstoffs beim Bunkern und Lagern.
Abbildung 12: Kohlenstoffrückstände (% Masse) für die untersuchte Kraftstoffmischung.
3.4 Verbrennung und Motorleistung
Mittels Kavitation hergestellte HFO-FAME-Gemische wurden in einem Viertakt-Schiffsdieselmotor getestet und ihre Leistung im Vergleich zu konventionell (grob) hergestellten HFO-FAME-Gemischen bewertet. Die Untersuchungen wurden auf einem von der FVTR GmbH zur Verfügung gestellten Vollmotorenprüfstand durchgeführt, der auf einem Caterpillar MaK 6M20 Motor basiert. Die folgenden Punkte fassen die wichtigsten Ergebnisse des Tests zusammen:
- Viskosität und Vorwärmung: Reduzierte Einspritztemperatur (>6 K) senkte den Energiebedarf für die Vorwärmung
- Verbrennungszeitpunkt: Etwas früherer Beginn und Ende der Verbrennung, etwas kürzere Dauer, was zu geringfügigen Kraftstoffeinsparungen (~1%) und etwas höheren NOx-Werten aufgrund des Sauerstoffgehalts führt
- Emissionen: CO, CO₂, HC, O₂ und FSN blieben ähnlich wie bei handgemischtem Kraftstoff; es wurden keine Betriebsprobleme beobachtet.Das kavitationsbehandelte HFO-FAME-Gemisch zeigt klare praktische Vorteile beim Betrieb von Schiffsmotoren. Seine niedrigere Viskosität verringert den Energiebedarf für das Vorwärmen, erleichtert die Einspritzung und trägt zu leichten Vorteilen beim Kraftstoffverbrauch bei. Die Verbrennung bleibt stabil und zuverlässig, wobei die Emissionen weitgehend mit denen herkömmlicher Mischungen vergleichbar sind, abgesehen von dem erwarteten geringfügigen Anstieg der NOx-Emissionen aufgrund des höheren Sauerstoffgehalts. Diese Ergebnisse zeigen, dass kavitationsbasierte Mischungen nicht nur die rheologischen und Verbrennungseigenschaften von HFO-FAME-Kraftstoffen verbessern, sondern auch eine sicherere, effizientere und zuverlässigere Bunkerung und Motorleistung in praktischen Schiffsanwendungen unterstützen.
3.5 Zusammenfassung der Kraftstoff- und Verbrennungsverbesserungen - "CaviFlow® Performance Gains"
Zum jetzigen Zeitpunkt können die allgemeinen Auswirkungen der RAPTECH-Kavitationsbehandlung auf die Kraftstoffeigenschaften, die Verbrennungsleistung und die Betriebseffizienz wie folgt zusammengefasst werden. Die Daten bestätigen messbare physikalische, chemische und wirtschaftliche Vorteile für kavitationsbehandelte Brennstoffe im Vergleich zu konventionell gemischten Brennstoffen.
| Parameter | Improvement | Effect |
|---|---|---|
| Viscosity @ 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Easier pumping, reduced preheating energy demand |
| Specific fuel oil consumption (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Enhanced combustion efficiency, slight fuel saving |
| Sludge formation (1-3 % v/v typical) | ↓ ≈ 99 % (virtually eliminated) | Cleaner filters, no separator overloading, stable and continuous operation |
| Overall fuel-to-power efficiency | ↑ ≈ 4 % (fuel saving) | Equivalent to ≈ 1.2 t/day for a 50,000 DWT tanker |
| Engine operation | Stable combustion with minimal NOₓ rise | Reliable and consistent performance |
| Environmental impact | Lower sediment, ash, and sulfur content | Cleaner burning, easier compliance with IMO/MARPOL standards |
Tabelle 3. Wesentliche Leistungssteigerungen mit CaviFlow® Kavitationsbehandlung
| Saving Area | Annual Impact (€) | Basis / Explanation |
|---|---|---|
| Fuel Efficiency (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % of fuel costs |
| EU ETS / CO₂ Saving | € 108 000 - 110 000 | 1.548 t × € 70 (estimated) / t CO₂ |
| Compliance & Charter Premium | € 50 000 - 200 000 | Better charter rates |
| Operational Efficiency & Maintenance | € 20 000 - 40 000 | Cleaner combustion → less engine wear |
| Purifier / Heater Energy Saving | € 5 000 - 10 000 | Lower viscosity → reduced load |
| Total Potential Saving | ≈ € 380 000 - 600 000 per ship / year | Excluding fuel price changes |
Tabelle 4. Geschätzte jährliche wirtschaftliche Auswirkungen der kavitationsbasierten Kraftstoffoptimierung
Geht man von dem Szenario eines Tankers mit 50 000 DWT aus, der mit einem FAME-Anteil von ca. 20 % betrieben wird, ergibt sich eine Reduzierung des Netto-CO₂-Emissionsfaktors von 3,114 t CO₂ / t Kraftstoff für reines HFO auf 2,856 t CO₂ / t Kraftstoff, wenn man die Effizienzvorteile der Kavitationstechnologie von RAPTECH berücksichtigt. Dies entspricht einer CO₂-Gesamteinsparung von etwa 1,548 t pro Jahr, wodurch sich die CII-Einstufung des Schiffes von C auf B verbessert. Die geschätzten wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen dieser Verbesserungen sind in Tabelle 4 zusammengefasst, wobei die kombinierten Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz, Emissionsminderung und Betriebskosteneinsparungen hervorgehoben werden.
Diese konsolidierten Verbesserungen bestätigen, dass die Kavitationsbehandlung die Gesamtleistung von gemischten Schiffskraftstoffen effektiv steigert und damit die Energieeffizienz, die Betriebssicherheit und die Umweltverträglichkeit verbessert.
4. Schlussfolgerung
Die kavitationsunterstützte Homogenisierung zeigt ein deutliches Potenzial zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Mischkraftstoffen - in dieser Studie Mischungen aus HFO, Biodiesel und Glycerin.
Zu den wichtigsten beobachteten Vorteilen gehören:
- Verbesserte Vermischung und Gleichmäßigkeit, einschließlich einer effektiven Dispersion von Schlamm und Restwasser, was zu einer geringeren Viskosität und einer einfacheren Handhabung des Kraftstoffs führt
- Partielle (einstellbare) chemische In-situ-Aktivierung, die zu einer messbaren Verringerung von Schwefel-, Asche- und Metallverunreinigungen sowie zu einer geringeren Sedimentbildung führt
- Stabiles Verbrennungsverhalten mit leichten Brennstoffeinsparungen (~1%) und nur geringem Anstieg der NOₓ-Werte aufgrund des höheren Sauerstoffgehalts
- Geringere Betriebs- und Wartungsanforderungen, einschließlich Vorwärmenergie und Schlammmanagement
Diese Ergebnisse zeigen, dass die Kavitationshomogenisierung ein skalierbares, energieeffizientes und umweltverträgliches Verfahren zur Verbesserung und Stabilisierung von gemischten Schiffskraftstoffen sein kann. Die weitere Erforschung der Mechanismen der durch Kavitation induzierten chemischen Modifikation und der langfristigen Motorleistung wird die Integration dieses Verfahrens in nachhaltige Bunker- und Kraftstoffaufbereitungssysteme weiter unterstützen.
Die Autoren: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenzen
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2. ISO 8217:2017. Spezifikationen für Schiffskraftstoffe. Internationale Organisation für Normung, Genf, 2017.
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4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Technical Brochure. Raptech, 2024.
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