Abstract
Onderzoek
Homogenisatie op basis van cavitatie is een veelbelovende methode om de stabiliteit en prestaties van brandstoffen te verbeteren. Door het genereren van intense microbellen die heftig in elkaar klappen, bevordert cavitatie zowel het fysisch mengen als een milde chemische activering, waardoor de reologie, dispersie en verbrandingsgedrag worden verbeterd. In dit onderzoek worden de effecten van cavitatie op mengsels van HFO-biodiesel-glycerine geëvalueerd, waarbij dichtheid, viscositeit, zwavel- en metaalgehaltes, calorische waarde, sedimentvorming en motorprestaties worden beoordeeld.
Tabel 1 geeft een overzicht van de vergelijkende fysische en chemische eigenschappen van de drie belangrijkste brandstofcomponenten die in dit onderzoek zijn gebruikt: HFO 380, biodiesel (FAME) en glycerine. HFO 380 dient als basisreferentie, terwijl biodiesel en glycerine fungeren als hernieuwbare, zwavelvrije mengcomponenten. Hun contrasterende dichtheden, viscositeit en zuurstofgehalte zijn belangrijke factoren die het gedrag van het mengsel tijdens homogenisatie en verbranding beïnvloeden. Inzicht in deze basiseigenschappen vormt de basis voor het beoordelen van de prestaties van RAPTECH's cavitatiebehandeling bij het verbeteren van de brandstofuniformiteit, stabiliteit en algehele kwaliteit.
Tabel 1: Vergelijkende brandstofeigenschappen van HFO 380, biodiesel (FAME) en glycerine.
2. Materialen en methoden
3. Resultaten en discussie
3.1 Fysische eigenschappen en reologie
Figuur 1: Dichtheid van brandstofmengsels als functie van de temperatuur
In termen van API-zwaartekracht, weergegeven in Figuur 2, wordt de laagste waarde waargenomen voor zuivere HFO 380, wat de relatief hoge dichtheid weerspiegelt. Wanneer HFO wordt gemengd met behulp van cavitatie, neemt de API-zwaartekracht licht toe, wat duidt op een bescheiden vermindering van de dichtheid. Een meer uitgesproken effect wordt waargenomen wanneer 20% biodiesel wordt toegevoegd door handmatig mengen, aangezien biodiesel een aanzienlijk lagere dichtheid heeft dan HFO, wat resulteert in een aanzienlijke stijging van het API-gewicht. Het hoogste API-gewicht wordt bereikt met HFO die 20% biodiesel bevat die behandeld is met cavitatie. In dit geval is het verschil tussen handmatig mengen en mengen met cavitatie relatief klein, maar het cavitatieproces zorgt nog steeds voor een extra verbetering van het API-zwaartekracht boven het effect van biodiesel alleen.
Figuur 2: °API-zwaartekracht voor bestudeerde brandstofmengsels
Figuur 3: Brandstofmengsel kinematische viscositeit als functie van temperatuur
3.2 Chemische eigenschappen en brandstofopwaardering
Figuur 4: Zwavelgehalte voor onderzochte brandstofmengsels
Figuur 5: Vanadium-, silicium- en aluminiumgehalte voor bestudeerde brandstofmengsels
Figuur 6: Onderzochte calorische onderwaarde Brandstoffenmengsel
Figuur 7: Vlampunt voor onderzochte brandstofmengsels
Figuur 8: Vloeipunt voor bestudeerde brandstofmengsels
3.3 Sedimenten, as en koolstofresidu
Figuur 9: Totaal aanwezige sediment (%massa) voor bestudeerde brandstofmengsels
Figuur 10: Totaal Sedimentpotentieel (%massa) voor bestudeerde brandstofmengsels
Deze aanzienlijke verbetering duidt op een duidelijk hogere stabiliteit van de brandstof en een aanzienlijk lager risico op slibvorming tijdens opslag en gebruik van de motor. In de wetenschap dat slibvorming bij het bunkeren van schepen een hardnekkig operationeel en regelgevend probleem blijft met aanzienlijke economische gevolgen.
In feite is de snelheid van slibvorming afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de brandstofsamenstelling, opslagomstandigheden en behandelingspraktijken. Operationele ervaring en IMO-richtlijnen geven aan dat de vorming van slib tijdens de brandstofzuivering en -opslag gewoonlijk varieert van 1-3% van het volume van de verbruikte HFO, hoewel dit betrekking heeft op separator/bunkerresiduen en niet direct moet worden gelijkgesteld met de ISO 8217-sedimentspecificatie.
Voor een schip met 1000 ton HFO 380:
Tabel 2. Economische impact van slibvorming uit HFO380
Voor een schip dat jaarlijks 20.000 ton HFO verbruikt, komt dit overeen met een brandstofbesparing van ongeveer 20-200 ton per jaar, of ongeveer 10.000-100.000 USD per jaar (gebaseerd op een referentieprijs van 500 USD/t). Hogere brandstofprijzen of een groter verbruik zouden deze besparingen proportioneel verhogen.
Opgemerkt dient te worden dat deze schattingen alleen rekening houden met het directe verlies aan brandstofwaarde. In de praktijk zijn de kosten van slibbeheer vaak hoger als gevolg van verplichte verwijdering krachtens bijlage I van MARPOL, havenontvangstkosten en slibverwerkingsvereisten, die de eenvoudige kosten van de verloren brandstof aanzienlijk kunnen overschrijden.
Door systematisch brandstofbeheer te combineren met geavanceerde homogenisatie op basis van cavitatie, kunnen operators:
Figuur 11: Asgehalte (%massa) voor onderzochte brandstofmengsels.
De afname in koolstofresidu van pure HFO naar HFO-20% biodiesel, weergegeven in Figuur 12, is voornamelijk te wijten aan de vervanging van zware, aromatische koolwaterstoffen door lichtere, zuurstofhoudende vetzuuresters van biodiesel. De extra reductie die is waargenomen voor het HFO-10%biodiesel-5% glycerine mengsel komt door de zuurstofrijke samenstelling van glycerine, die een volledigere thermische ontleding bevordert en de vorming van vuurvaste residuen beperkt. Een lichte toename van ongeveer 3% in koolstofresidu bij cavitatiebehandeling van HFO-20% biodiesel wordt toegeschreven aan een verbeterde activering van de thermische afbraak door de intense agitatie tijdens cavitatie in vergelijking met handmatig mengen. Deze modificaties verbeteren de verbrandingsefficiëntie, verminderen roet en afzettingen in motoren en vergemakkelijken een soepeler brandstofverwerking tijdens het bunkeren en opslaan.
Figuur 12: Koolstofresidu (%massa) voor onderzochte brandstofmengsels.
3.4 Verbranding en motorprestaties
HFO-FAME-mengsels die met cavitatie zijn geproduceerd, zijn getest en beoordeeld op hun prestaties in een viertakt dieselmotor voor schepen, in vergelijking met conventioneel (grof) geproduceerde HFO-FAME-mengsels. Het onderzoek werd uitgevoerd op een volledige motortestbank van FVTR GmbH, gebaseerd op een Caterpillar MaK 6M20-motor. De volgende punten vatten de belangrijkste resultaten van de test samen:
3.5 Samenvatting van brandstof- en verbrandingsverbeteringen - "CaviFlow® prestatieverhoging".
In dit stadium kunnen de algemene effecten van de Cavitatiebehandeling van RAPTECH op de brandstofeigenschappen, verbrandingsprestaties en operationele efficiëntie als volgt worden samengevat. De gegevens bevestigen meetbare fysische, chemische en economische voordelen voor met cavitatie behandelde brandstoffen in vergelijking met conventioneel gemengde brandstoffen.
Tabel 3. Belangrijkste prestatiewinsten met CaviFlow® Cavitatiebehandeling
Tabel 4. Geschatte jaarlijkse economische impact van brandstofoptimalisatie op basis van cavitatie
Uitgaande van een voorbeeldscenario van een tanker met 50 000 DWT die werkt met een FAME-component van ongeveer 20%, is er een vermindering van de netto CO₂-emissiefactor van 3,114 t CO₂ / t brandstof voor pure HFO naar 2,856 t CO₂ / t brandstof, wanneer rekening wordt gehouden met de efficiëntievoordelen van de cavitatietechnologie van RAPTECH. Dit komt overeen met een totale CO₂-besparing van ongeveer 1,548 ton per jaar, waardoor de CII-kwalificatie van het schip wordt verhoogd van C naar B. De geschatte economische en milieueffecten van deze verbeteringen zijn samengevat in tabel 4, waarin de gecombineerde voordelen op het gebied van energie-efficiëntie, emissiereductie en operationele kostenbesparingen worden benadrukt.
Deze geconsolideerde verbeteringen bevestigen dat cavitatiebehandeling de algehele prestaties van gemengde scheepsbrandstoffen effectief verbetert - waardoor de energie-efficiëntie, de operationele betrouwbaarheid en de naleving van de milieuvoorschriften verbeteren.
4. Conclusie
Homogenisatie met cavitatie biedt een duidelijk potentieel voor het verbeteren van zowel de fysische als de chemische eigenschappen van gemengde brandstoffen - in dit onderzoek mengsels van HFO, biodiesel en glycerine.
De belangrijkste waargenomen voordelen zijn:
Deze bevindingen tonen aan dat cavitatiehomogenisatie kan dienen als een schaalbaar, energie-efficiënt en milieuvriendelijk proces voor het opwaarderen en stabiliseren van gemengde scheepsbrandstoffen. Verder onderzoek naar de mechanismen van door cavitatie veroorzaakte chemische modificatie en motorprestaties op lange termijn zal de integratie in duurzame bunker- en brandstofbehandelingssystemen verder ondersteunen.
Auteurs: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenties
1. Internationale Maritieme Organisatie (IMO). IMO 2020 Verordening zwavelbovengrens. IMO, Londen, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specificaties van scheepsbrandstoffen.International Organization for Standardization, Genève, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. Europees Comité voor Normalisatie, Brussel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitatiemengtechnologie: Technische brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerine Mengsels. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Deze studie evalueert het effect van cavitatiehomogenisatie op zware stookolie (HFO 380) en de mengsels met biodiesel en glycerine voor mariene toepassingen. HFO, HFO-20% biodiesel (B20), en HFO-10% biodiesel-5% glycerine (B10G5) werden vergeleken onder conventionele handmatige menging en cavitatiebehandeling.
- Cavitatie verbeterde aanzienlijk verschillende brandstofeigenschappen, waaronder viscositeit (tot 19% reductie), zwavelgehalte (1,5-19% reductie) en metaalverontreinigingen (tot 33% reductie), terwijl de calorische waarde vergelijkbaar bleef. Tests op ware schaal met een Caterpillar MaK 6M20 bevestigden een verbeterde verbrandingsstabiliteit, minder voorverwarming, een lichte brandstofbesparing (~1%) en consistente emissieprofielen.
- Deze resultaten geven aan dat cavitatie een efficiënte menging en homogenisatie bevordert , de behandeling van slib en restwater vergemakkelijkt en een milde (instelbare) chemische activering in situ induceert . In het algemeen biedt verwerking op basis van cavitatie een praktische weg naar een schoner, efficiënter en duurzaam gebruik van gemengde scheepsbrandstoffen.
- De scheepvaartindustrie staat onder toenemende druk om emissies te verminderen en brandstofefficiëntie te verbeteren, gedreven door het IMO 2020 zwavelplafond, regelgeving voor koolstofintensiteit en het groeiende gebruik van alternatieve brandstoffen. Zware stookolie (HFO) wordt nog steeds veel gebruikt vanwege de hoge energie-inhoud, maar menging met hernieuwbare componenten zoals biodiesel en glycerine is noodzakelijk om aan de milieuregelgeving te voldoen en de verbrandingseigenschappen te verbeteren.
Onderzoek
Homogenisatie op basis van cavitatie is een veelbelovende methode om de stabiliteit en prestaties van brandstoffen te verbeteren. Door het genereren van intense microbellen die heftig in elkaar klappen, bevordert cavitatie zowel het fysisch mengen als een milde chemische activering, waardoor de reologie, dispersie en verbrandingsgedrag worden verbeterd. In dit onderzoek worden de effecten van cavitatie op mengsels van HFO-biodiesel-glycerine geëvalueerd, waarbij dichtheid, viscositeit, zwavel- en metaalgehaltes, calorische waarde, sedimentvorming en motorprestaties worden beoordeeld.
Tabel 1 geeft een overzicht van de vergelijkende fysische en chemische eigenschappen van de drie belangrijkste brandstofcomponenten die in dit onderzoek zijn gebruikt: HFO 380, biodiesel (FAME) en glycerine. HFO 380 dient als basisreferentie, terwijl biodiesel en glycerine fungeren als hernieuwbare, zwavelvrije mengcomponenten. Hun contrasterende dichtheden, viscositeit en zuurstofgehalte zijn belangrijke factoren die het gedrag van het mengsel tijdens homogenisatie en verbranding beïnvloeden. Inzicht in deze basiseigenschappen vormt de basis voor het beoordelen van de prestaties van RAPTECH's cavitatiebehandeling bij het verbeteren van de brandstofuniformiteit, stabiliteit en algehele kwaliteit.
| Parameter | Eenheid | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiesel (FAME, EN 14214) | Glycerine (Ruw/Raffiné) |
|---|---|---|---|---|
| Dichtheid bij 15°C | kg/m³ | Max. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Kinematische viscositeit bij 50°C | mm²/s | Max. 380 | 4-6 | ~1.200 (bij 40°C) |
| Zwavelgehalte | % (m/m) | Max. 3,50 | <0.001 | 0 |
| As Inhoud | % (m/m) | Max. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Gietpunt | °C | Max. 30 | -5 tot +15 | ~18 |
| Vlampunt | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Totaal sedimentpotentieel | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Totaal Sediment Aanwezig | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Calorische bovenwaarde | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Calorische onderwaarde | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Zuurstofgehalte | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Koolstofresidu (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Tabel 1: Vergelijkende brandstofeigenschappen van HFO 380, biodiesel (FAME) en glycerine.
2. Materialen en methoden
- Brandstoffen: HFO 380, biodiesel (FAME), glycerine
- Mengsels: HFO, HFO-20% biodiesel (B20), HFO-10% biodiesel-5% glycerine (B10G5)
- Mengen: Conventioneel mengen met de hand (HB/grof) en mengen met cavitatie (CF) met behulp van het CaviFlow®-systeem van RAPTECH.
- Analyses: Dichtheid, API-zwaartekracht, kinematische viscositeit, zwavel, metalen, calorische waarde, vlampunt, vloeipunt, totaal aanwezig sediment (TSE), totaal sedimentpotentieel (TSP), asgehalte en koolstofresidu, gemeten bij Bureau Veritas.
- Motortesten: FVTR GmbH testbank voor scheepsdiesel op ware grootte (Caterpillar MaK 6M20). Prestaties, emissies, verbrandingstijdstip en brandstofverbruik werden geregistreerd.
3. Resultaten en discussie
3.1 Fysische eigenschappen en reologie
- Dichtheid en API-zwaartekracht: Aangezien biodiesel (860-900 kg/m³ bij 15 °C) een lagere dichtheid heeft dan HFO 380 en beide een lagere dichtheid hebben dan glycerine (1264 kg/m³ bij 15 °C), illustreert figuur 1 de afname in dichtheid wanneer biodiesel aan HFO 380 wordt toegevoegd en de overeenkomstige toename wanneer glycerine wordt toegevoegd. Het laat ook het voordeel zien van het gebruik van cavitatietechnologie ten opzichte van standaard handmatig mengen, waarbij een extra dichtheidsvermindering van ongeveer 0,3% wordt bereikt.
Figuur 1: Dichtheid van brandstofmengsels als functie van de temperatuur
In termen van API-zwaartekracht, weergegeven in Figuur 2, wordt de laagste waarde waargenomen voor zuivere HFO 380, wat de relatief hoge dichtheid weerspiegelt. Wanneer HFO wordt gemengd met behulp van cavitatie, neemt de API-zwaartekracht licht toe, wat duidt op een bescheiden vermindering van de dichtheid. Een meer uitgesproken effect wordt waargenomen wanneer 20% biodiesel wordt toegevoegd door handmatig mengen, aangezien biodiesel een aanzienlijk lagere dichtheid heeft dan HFO, wat resulteert in een aanzienlijke stijging van het API-gewicht. Het hoogste API-gewicht wordt bereikt met HFO die 20% biodiesel bevat die behandeld is met cavitatie. In dit geval is het verschil tussen handmatig mengen en mengen met cavitatie relatief klein, maar het cavitatieproces zorgt nog steeds voor een extra verbetering van het API-zwaartekracht boven het effect van biodiesel alleen.
Figuur 2: °API-zwaartekracht voor bestudeerde brandstofmengsels
- Viscositeit: Figuur 3 laat een vergelijkbare trend zien voor de kinematische viscositeit, waarbij de verschillen tussen HFO 380 en de biodiesel- en glycerinemengsels worden benadrukt. Met name HFO met 20% biodiesel behandeld door cavitatie bereikt een viscositeitsreductie tot 19% vergeleken met handmatig mengen. Vanuit praktisch oogpunt kan deze reductie in viscositeit en dichtheid worden toegeschreven aan de dubbele werking van cavitatie - het intense mengvermogen dat effectief brandstoffen van verschillende oorsprong mengt en het sterke homogenisatie-effect dat het mengsel stabiliseert en de reologische en verbrandingseigenschappen verbetert. Samen vergemakkelijken deze mechanismen het pompen, verminderen ze de energiebehoefte voor het voorverwarmen met ongeveer 6% en verbeteren ze de verstuiving van de brandstof, waardoor de verbrandingsefficiëntie verbetert en er minder roet en onverbrande koolwaterstoffen worden gevormd.
Figuur 3: Brandstofmengsel kinematische viscositeit als functie van temperatuur
3.2 Chemische eigenschappen en brandstofopwaardering
- Zwavelreductie: Aangezien biodiesel en glycerine geen zwavel bevatten, toont figuur 4 de verwachte afname van het zwavelgehalte tussen pure HFO en de mengsels met biodiesel en glycerine. De gedeeltelijke chemische activering door cavitatie - vooral met glycerine die als zuurstofdrager fungeert - kan de extra afname verklaren die is waargenomen: ongeveer 1,5% tussen de met de hand gemengde brandstoffen en de met cavitatie behandelde brandstoffen HFO-20% biodiesel, en ongeveer 19% tussen de met cavitatie behandelde mengsels HFO-20% biodiesel en HFO-20% biodiesel-5% glycerine. Dit toont aan dat cavitatie niet alleen zorgt voor een krachtige menging van verschillende brandstoftypen en een sterke homogenisatie, maar ook helpt bij het opwaarderen van brandstoffen door milde in situ aanpasbare chemische modificatie van de brandstofcomponenten te bevorderen.
Figuur 4: Zwavelgehalte voor onderzochte brandstofmengsels
- Metaalverontreinigingen (Cat Fines): Figuur 5 toont aan dat de verbeterde fysische dispersie en gedeeltelijke chemische transformaties veroorzaakt door cavitatie de waargenomen vermindering van Cat Fines kunnen verklaren - microscopische deeltjes van afgewerkte katalysator, voornamelijk bestaande uit silicium- en aluminiumoxides, die vaak aanwezig zijn in restbrandstoffen zoals zware stookolie (HFO). Er werd een afname tot 33% waargenomen tussen de met de hand gemengde brandstoffen en de met cavitatie gemengde brandstoffen, en tot 50% tussen de onbehandelde HFO en de HFO die 10% biodiesel en 5% glycerine bevatte na cavitatiebehandeling. Deze vermindering suggereert dat cavitatie een fijnere dispersie en mogelijk gedeeltelijke oppervlaktemodificatie of fragmentatie van deze katalysatorresiduen bevordert, wat leidt tot een betere brandstofhomogeniteit en mogelijk minder risico op abrasieve slijtage in brandstofverwerkingssystemen.
Figuur 5: Vanadium-, silicium- en aluminiumgehalte voor bestudeerde brandstofmengsels
- Calorische waarde: Aangezien de calorische waarde van HFO hoger is dan die van biodiesel en glycerine, leidt de toevoeging van biodiesel en glycerine tot een daling van de calorische onderwaarde. De gedeeltelijke verbetering van de reactiviteit van de brandstof door cavitatiebehandeling kan de extra afname van ongeveer 0,2% verklaren die is waargenomen tussen met de hand gemengde en met cavitatie gemengde brandstoffen, zoals weergegeven in Figuur 6. Deze lichte afname wordt in de praktijk gecompenseerd door de toevoeging van biodiesel en glycerine. Deze lichte afname wordt in de praktijk gecompenseerd door een verbeterde verbrandingsefficiëntie, een schonere verbranding en een stabieler ontstekingsgedrag - allemaal gunstig voor de prestaties en emissiebeheersing van scheepsmotoren.
Figuur 6: Onderzochte calorische onderwaarde Brandstoffenmengsel
- Vlampunt: Aangezien het vlampunt van HFO aanzienlijk lager ligt dan dat van biodiesel, verhoogt de toevoeging van biodiesel het vlampunt van het mengsel. De intense homogenisatie die door cavitatiebehandeling wordt bereikt, resulteert echter in een significante daling van het vlampunt met ongeveer 20% vergeleken met de handgemengde brandstof, zoals weergegeven in Figuur 7. Deze verlaging weerspiegelt een meer uniforme verdeling van het vlampunt in de brandstof. Deze verlaging weerspiegelt een meer uniforme verdeling van lichtere fracties binnen het mengsel, wat de brandstofbehandeling en verdamping tijdens het opstarten van de motor kan vergemakkelijken, zonder de veiligheidsmarges bij het bunkeren in gevaar te brengen.
Figuur 7: Vlampunt voor onderzochte brandstofmengsels
- Stolpunt: Aangezien het stolpunt van HFO aanzienlijk hoger ligt dan dat van biodiesel, verlaagt de toevoeging van biodiesel het stolpunt, waardoor de stromingseigenschappen bij lage temperaturen verbeteren en voorverwarming tijdens het overpompen en injecteren minder nodig is. Er wordt geen merkbare invloed van cavitatiebehandeling op het vloeipunt waargenomen in vergelijking met de handgemengde brandstof (figuur 8), wat aangeeft dat cavitatie voornamelijk de microstructuur en reactiviteit beïnvloedt in plaats van de faseovergangen in bulk.
Figuur 8: Vloeipunt voor bestudeerde brandstofmengsels
3.3 Sedimenten, as en koolstofresidu
- Sedimentatie: De vermindering van Total Sediment Existent (TSE) met ongeveer 33% die werd waargenomen bij het mengen van HFO met biodiesel (Afbeelding 9) wordt voornamelijk toegeschreven aan de amfifiele aard van biodiesel, die asfaltenen stabiliseert door middel van polaire interacties en de homogeniteit en viscositeit van de brandstof verbetert, waardoor aggregatie en bezinking worden voorkomen. Een extra reductie van ongeveer 33% in TSE wordt bereikt door homogenisatie op basis van cavitatie van het HFO-biodieselmengsel in vergelijking met mengen met de hand.
Figuur 9: Totaal aanwezige sediment (%massa) voor bestudeerde brandstofmengsels
- De significante afname van het totale sedimentpotentieel (TSP) met ongeveer 60% die werd waargenomen bij het mengen van HFO met biodiesel (figuur 10) wordt ook voornamelijk toegeschreven aan de amfifiele aard van biodiesel, die asfaltenen stabiliseert door middel van polaire interacties en de brandstofuniformiteit en stromingseigenschappen verbetert, waardoor aggregatie en sedimentvorming worden geminimaliseerd. Een verdere reductie van ongeveer 25% in TSP wordt verkregen door homogenisatie op basis van cavitatie van het HFO-biodieselmengsel in vergelijking met handmatig mengen.
Figuur 10: Totaal Sedimentpotentieel (%massa) voor bestudeerde brandstofmengsels
Deze aanzienlijke verbetering duidt op een duidelijk hogere stabiliteit van de brandstof en een aanzienlijk lager risico op slibvorming tijdens opslag en gebruik van de motor. In de wetenschap dat slibvorming bij het bunkeren van schepen een hardnekkig operationeel en regelgevend probleem blijft met aanzienlijke economische gevolgen.
In feite is de snelheid van slibvorming afhankelijk van verschillende factoren, waaronder de brandstofsamenstelling, opslagomstandigheden en behandelingspraktijken. Operationele ervaring en IMO-richtlijnen geven aan dat de vorming van slib tijdens de brandstofzuivering en -opslag gewoonlijk varieert van 1-3% van het volume van de verbruikte HFO, hoewel dit betrekking heeft op separator/bunkerresiduen en niet direct moet worden gelijkgesteld met de ISO 8217-sedimentspecificatie.
Voor een schip met 1000 ton HFO 380:
| Scenario | Slibmassa (t) | Slak Volume m³ | Verlies aan brandstofkosten @ $500/t |
|---|---|---|---|
| Laag geschat (1% vol) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Hoog geschat (3% vol) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Tabel 2. Economische impact van slibvorming uit HFO380
Voor een schip dat jaarlijks 20.000 ton HFO verbruikt, komt dit overeen met een brandstofbesparing van ongeveer 20-200 ton per jaar, of ongeveer 10.000-100.000 USD per jaar (gebaseerd op een referentieprijs van 500 USD/t). Hogere brandstofprijzen of een groter verbruik zouden deze besparingen proportioneel verhogen.
Opgemerkt dient te worden dat deze schattingen alleen rekening houden met het directe verlies aan brandstofwaarde. In de praktijk zijn de kosten van slibbeheer vaak hoger als gevolg van verplichte verwijdering krachtens bijlage I van MARPOL, havenontvangstkosten en slibverwerkingsvereisten, die de eenvoudige kosten van de verloren brandstof aanzienlijk kunnen overschrijden.
Door systematisch brandstofbeheer te combineren met geavanceerde homogenisatie op basis van cavitatie, kunnen operators:
- De brandstof op lange termijn stabiel houden
- Onderhoud, stilstand en afvoerkosten verminderen
- Het brandstofgebruik, de betrouwbaarheid van de motor en de operationele veiligheid verbeteren
- Naleving van MARPOL Annex I garanderen en tegelijkertijd milieurisico's verminderen
- As en koolstofresidu: Aangezien biodiesel geen as bevat, toont figuur 11 de verwachte afname van het asgehalte bij menging met pure HFO. Cavitatie versterkt dit effect nog door een fijnere dispersie en gedeeltelijke oppervlaktefragmentatie van asdeeltjes te bevorderen, wat resulteert in een extra vermindering van ongeveer 4% in het HFO-biodieselmengsel. Een lager asgehalte draagt bij aan schonere opslag en verwerking, vermindert vervuiling in pijpleidingen en tanks tijdens het bunkeren en ondersteunt een efficiëntere verbranding met minder deeltjesvorming in motoren.
Figuur 11: Asgehalte (%massa) voor onderzochte brandstofmengsels.
De afname in koolstofresidu van pure HFO naar HFO-20% biodiesel, weergegeven in Figuur 12, is voornamelijk te wijten aan de vervanging van zware, aromatische koolwaterstoffen door lichtere, zuurstofhoudende vetzuuresters van biodiesel. De extra reductie die is waargenomen voor het HFO-10%biodiesel-5% glycerine mengsel komt door de zuurstofrijke samenstelling van glycerine, die een volledigere thermische ontleding bevordert en de vorming van vuurvaste residuen beperkt. Een lichte toename van ongeveer 3% in koolstofresidu bij cavitatiebehandeling van HFO-20% biodiesel wordt toegeschreven aan een verbeterde activering van de thermische afbraak door de intense agitatie tijdens cavitatie in vergelijking met handmatig mengen. Deze modificaties verbeteren de verbrandingsefficiëntie, verminderen roet en afzettingen in motoren en vergemakkelijken een soepeler brandstofverwerking tijdens het bunkeren en opslaan.
Figuur 12: Koolstofresidu (%massa) voor onderzochte brandstofmengsels.
3.4 Verbranding en motorprestaties
HFO-FAME-mengsels die met cavitatie zijn geproduceerd, zijn getest en beoordeeld op hun prestaties in een viertakt dieselmotor voor schepen, in vergelijking met conventioneel (grof) geproduceerde HFO-FAME-mengsels. Het onderzoek werd uitgevoerd op een volledige motortestbank van FVTR GmbH, gebaseerd op een Caterpillar MaK 6M20-motor. De volgende punten vatten de belangrijkste resultaten van de test samen:
- Viscositeit en voorverwarming: Lagere inspuittemperatuur (>6 K) verlaagde vraag naar voorverwarmingsenergie
- Verbrandingstijdstip: Iets vroegere start en einde van verbranding, iets kortere duur, wat leidt tot kleine brandstofbesparingen (~1%) en iets hogere NOx als gevolg van zuurstofgehalte
- Emissies: CO, CO₂, HC, O₂ en FSN bleven gelijk aan die van brandstof met handmengsel; geen operationele problemen waargenomen.Het met cavitatie behandelde HFO-FAME-mengsel laat duidelijke praktische voordelen zien in het gebruik van scheepsmotoren. De lagere viscositeit vermindert de energie die nodig is om voor te verwarmen, vergemakkelijkt de inspuiting en draagt bij aan een licht brandstofverbruiksvoordeel. De verbranding blijft stabiel en betrouwbaar, met emissies die grotendeels vergelijkbaar zijn met conventionele mengsels, afgezien van de verwachte kleine toename in NOx door het hogere zuurstofgehalte. Deze resultaten geven aan dat mengen op basis van cavitatie niet alleen de reologische en verbrandingseigenschappen van HFO-FAME-brandstoffen verbetert, maar ook bijdraagt aan veiliger, efficiënter en betrouwbaarder bunkeren en motorprestaties in praktische scheepvaarttoepassingen.
3.5 Samenvatting van brandstof- en verbrandingsverbeteringen - "CaviFlow® prestatieverhoging".
In dit stadium kunnen de algemene effecten van de Cavitatiebehandeling van RAPTECH op de brandstofeigenschappen, verbrandingsprestaties en operationele efficiëntie als volgt worden samengevat. De gegevens bevestigen meetbare fysische, chemische en economische voordelen voor met cavitatie behandelde brandstoffen in vergelijking met conventioneel gemengde brandstoffen.
| Parameter | Verbetering | Effect |
|---|---|---|
| Viscositeit bij 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Eenvoudiger pompen, minder energie nodig voor voorverwarmen |
| Specifiek stookolieverbruik (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Verbeterde verbrandingsefficiëntie, lichte brandstofbesparing |
| Slibvorming (1-3 % v/v typisch) | ↓ ≈ 99 % (vrijwel geëlimineerd) | Schonere filters, geen overbelasting van de separator, stabiele en continue werking |
| Totale brandstofefficiëntie | ↑ ≈ 4% (brandstofbesparing) | Equivalent aan ≈ 1,2 t/dag voor een tanker van 50.000 DWT |
| Werking van de motor | Stabiele verbranding met minimale NOₓ stijging | Betrouwbare en consistente prestaties |
| Milieu-impact | Lager gehalte aan sediment, as en zwavel | Schonere verbranding, eenvoudigere naleving van IMO/MARPOL-normen |
Tabel 3. Belangrijkste prestatiewinsten met CaviFlow® Cavitatiebehandeling
| Ruimte besparen | Jaarlijkse impact (€) | Basis / Uitleg |
|---|---|---|
| Brandstofefficiëntie (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4% van de brandstofkosten |
| EU ETS / CO₂-besparing | € 108 000 - 110 000 | 1 548 t × € 70 (schatting) / t CO₂ |
| Naleving & Handvest Premium | € 50 000 - 200 000 | Betere chartertarieven |
| Operationele efficiëntie en onderhoud | € 20 000 - 40 000 | Schonere verbranding → minder motorslijtage |
| Zuiveraar / Verwarming Energiebesparing | € 5 000 - 10 000 | Lagere viscositeit → lagere belasting |
| Totale potentiële besparing | ≈ € 380 000 - 600 000 per schip / jaar | Exclusief wijzigingen in brandstofprijzen |
Tabel 4. Geschatte jaarlijkse economische impact van brandstofoptimalisatie op basis van cavitatie
Uitgaande van een voorbeeldscenario van een tanker met 50 000 DWT die werkt met een FAME-component van ongeveer 20%, is er een vermindering van de netto CO₂-emissiefactor van 3,114 t CO₂ / t brandstof voor pure HFO naar 2,856 t CO₂ / t brandstof, wanneer rekening wordt gehouden met de efficiëntievoordelen van de cavitatietechnologie van RAPTECH. Dit komt overeen met een totale CO₂-besparing van ongeveer 1,548 ton per jaar, waardoor de CII-kwalificatie van het schip wordt verhoogd van C naar B. De geschatte economische en milieueffecten van deze verbeteringen zijn samengevat in tabel 4, waarin de gecombineerde voordelen op het gebied van energie-efficiëntie, emissiereductie en operationele kostenbesparingen worden benadrukt.
Deze geconsolideerde verbeteringen bevestigen dat cavitatiebehandeling de algehele prestaties van gemengde scheepsbrandstoffen effectief verbetert - waardoor de energie-efficiëntie, de operationele betrouwbaarheid en de naleving van de milieuvoorschriften verbeteren.
4. Conclusie
Homogenisatie met cavitatie biedt een duidelijk potentieel voor het verbeteren van zowel de fysische als de chemische eigenschappen van gemengde brandstoffen - in dit onderzoek mengsels van HFO, biodiesel en glycerine.
De belangrijkste waargenomen voordelen zijn:
- Verbeterde menging en uniformiteit, inclusief effectieve dispersie van slib en restwater, resulterend in een lagere viscositeit en eenvoudigere hantering van de brandstof.
- Gedeeltelijke (instelbare) chemische activering in situ die leidt tot meetbare vermindering van zwavel, as en metaalverontreinigingen, evenals minder sedimentvorming.
- Stabiel verbrandingsgedrag met een lichte brandstofbesparing (~1%) en slechts een kleine toename in NOₓ door het hogere zuurstofgehalte
- Minder operationele en onderhoudseisen, inclusief energie voor voorverwarming en slibbeheer.
Deze bevindingen tonen aan dat cavitatiehomogenisatie kan dienen als een schaalbaar, energie-efficiënt en milieuvriendelijk proces voor het opwaarderen en stabiliseren van gemengde scheepsbrandstoffen. Verder onderzoek naar de mechanismen van door cavitatie veroorzaakte chemische modificatie en motorprestaties op lange termijn zal de integratie in duurzame bunker- en brandstofbehandelingssystemen verder ondersteunen.
Auteurs: Dr. Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Referenties
1. Internationale Maritieme Organisatie (IMO). IMO 2020 Verordening zwavelbovengrens. IMO, Londen, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specificaties van scheepsbrandstoffen.International Organization for Standardization, Genève, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. Europees Comité voor Normalisatie, Brussel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitatiemengtechnologie: Technische brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glycerine Mengsels. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
